Teorin om allting Sammanfattning | Stephen Hawking

Universums ursprung och öde

Sammanfattning i 1 mening

Teorin om allting av Stephen Hawking erbjuder en kortfattad men ändå djupgående utforskning av universums mysterier, från Big Bang till svarta hål - kan svaren på dessa sidor omdefiniera vår existens?

Redaktörens anmärkning

Teorin om allting sammanfattning har fått flest röster av våra läsare. Vilken bok ska vi lägga till härnäst? Rösta på den på vår kostnadsfria app.

Sammanfattning av ljudboken

Livlig diskussion

Stephen Hawkings perspektiv

Stephen Hawking anses vara en av de mest lysande teoretiska fysikerna i historien. Hans arbete med universums ursprung och struktur, från Big Bang till svarta hål, revolutionerade fältet. Hawking föddes i Oxford i en familj av läkare. Han påbörjade sin universitetsutbildning vid University College, Oxford, 1959. Han fick en första klassens BA-examen i fysik. Hawking påbörjade sin forskarutbildning vid Trinity Hall, Cambridge, 1962. Han tog sin doktorsexamen i tillämpad matematik och teoretisk fysik, med inriktning på allmän relativitetsteori och kosmologi, i mars 1966. I likhet med Isaac Newton var han Lucasian Professor of Mathematics vid University of Cambridge mellan 1979 och 2009. Vid 21 års ålder, när han studerade kosmologi vid University of Cambridge, diagnostiserades han med amyotrofisk lateralskleros (ALS). En del av hans livshistoria skildrades i filmen Teorin om allting.

Introduktion

Teorin om allting är en serie föreläsningar som hålls av Stephen Hawking. Syftet med föreläsningarna är att beskriva vad forskarna tror är universums historia. Som ett resultat av detta erbjuder han en historia av vetenskapens förståelse av universum. Dessutom förklarar han tydligt de händelser som utspelade sig omedelbart efter Big Bang. Hawking tar också upp det kosmologiska område som han är mest känd för: studiet av svarta hål.

StoryShot #1: De fyra ursprungliga idéerna om universum

Aristoteles

Aristoteles tog redan 340 f.Kr. ställning till idén om en rund jord. I sin bok, På himlenskrev han om två teorier som föreslog att jorden var sfärisk. För det första hade han observerat att jorden låg mellan solen och månen, vilket orsakade månförmörkelser. Eftersom jordens skugga på månen alltid var rund, tydde detta på att jorden var rund. Aristoteles lärde sig från sina resor att polstjärnan är lägre på himlen när den ses i söder. Även detta skulle föreslå att jorden är sfärisk snarare än skivformad. Även om Aristoteles slutsatser var korrekta var hans teorier fortfarande bristfälliga. Han trodde till exempel att jorden var stationär och att solen, månen, planeterna och stjärnorna hade cirkulära banor runt jorden. 

Ptolemaios

Ptolemaios byggde vidare på dessa idéer under det första århundradet e.Kr. Han skapade en fullständig kosmologisk modell med jorden i centrum. Åtta sfärer med månen, solen, stjärnorna och fem planeter omgav jorden. De fem kända planeterna var Merkurius, Venus, Mars, Jupiter och Saturnus. Återigen gjorde Ptolemaios uppenbara misstag i sin teori. Han utvecklade dock Aristoteles idéer och tillhandahöll ett någorlunda exakt system för att förutsäga positionerna för de strukturer som är synliga på natten. Den kristna kyrkan accepterade i allmänhet denna teori, delvis för att den placerade jorden i universums centrum. 

Kopernikus

År 1514 föreslog Nicholas Copernicus en mycket enklare modell av universum. Copernicus var en polsk präst. Han publicerade sedan sin modell anonymt av rädsla för att bli anklagad för kätteri. Kopernikus hävdade att solen var stationär i universums centrum. Jorden och planeterna rörde sig i cirkulära banor runt solen. Ingen tog denna idé på allvar förrän cirka 100 år senare. Då började Johannes Kepler och Galileo Galilei offentligt stödja denna teori. Det nyligen uppfunna teleskopet stödde Kopernikus uppfattning att jorden inte var universums centrum. Galileo observerade att flera månar kretsar runt Jupiter. Detta innebar att det inte fanns något behov av att alla himlakroppar skulle kretsa kring jorden. Vissa förnekade dock fortfarande att jorden inte var universums centrum. De hävdade att Jupiters månar rörde sig på extremt komplicerade banor runt jorden, vilket tyder på att de kretsar kring Jupiter. 

Newton

År 1687 publicerade Newton sin Matematiska principer för naturfilosofiy. Hawking beskriver detta som det kanske mest avgörande arbete som någonsin har publicerats inom de fysiska vetenskaperna. I denna bok föreslog Newton en teori om hur kroppar rörde sig i tid och rum. Denna teori förklarade också en ny idé om universell gravitation. Newton föreslog att varje himlakropp i universum drogs till varje annan kropp. Ju större kroppen var, desto starkare var gravitationen. Newton fortsatte med att visa att gravitationen får månen att röra sig i en elliptisk bana runt jorden. På samma sätt får gravitationen jorden och planeterna att följa elliptiska banor runt solen.

Trots dessa framsteg fanns det fortfarande inga tecken på att universum expanderade eller krympte före 1900-talet. Det var allmänt accepterat att universum antingen existerade för evigt i ett stabilt tillstånd eller att det skapades vid en begränsad tidpunkt i det förflutna. Flera akademiker ifrågasatte dock möjligheten av ett oändligt, statiskt universum. Heinrich Olbers hävdade till exempel att nästan varje linje eller sida skulle sluta på ytan av en stjärna i ett oändligt, statiskt universum. Som ett resultat av detta skulle man förvänta sig att hela himlen skulle vara lika ljus som solen, även på natten. Det enda sättet att undvika denna slutsats skulle vara om stjärnorna inte lyser för evigt. De skulle till exempel kunna ha tänds vid någon ändlig tidpunkt i det förflutna.

StoryShot #2: Det expanderande universumet

Flera galaxer

Vår sol och de närliggande stjärnorna är alla en del av Vintergatan. Under lång tid rådde det konsensus om att Vintergatan var hela universum. Men 1925 visade Edwin Hubble att Vintergatan inte var den enda galaxen. Han hittade många andra galaxer med stora mängder utrymme mellan dem. För att bevisa sin teoris legitimitet var han tvungen att identifiera hur omfattande dessa tomma utrymmen var. 

Ett sätt att direkt fastställa en stjärnas avstånd från jorden är att utgå från ljusstyrkan. En stjärnas ljusstyrka baseras på stjärnans ljusstyrka och dess avstånd. Om vi kan identifiera en stjärnas ljusstyrka kan vi därför använda den skenbara ljusstyrkan för att beräkna avstånden. Hubble hävdade att vissa stjärnor alltid hade samma ljusstyrka när de var tillräckligt nära för att vi skulle kunna mäta dem. Om vi hittade sådana stjärnor i en annan galax kunde vi anta att de hade samma ljusstyrka. På så sätt kunde vi beräkna avståndet till den galaxen. Vi kan vara någorlunda säkra på att vår uppskattning är korrekt om många stjärnor i samma galax ger samma avstånd. Hubble beräknade avstånden till nio galaxer på detta sätt. Vi vet nu att vår galax bara är en av hundra tusen miljoner som moderna teleskop kan observera. Det finns några hundra tusen miljoner stjärnor i varje galax. 

Ett expanderande universum

Hubble upptäckte att de galaxer han observerade alla verkade rödförskjutna. Rödförskjutning är ett nyckelbegrepp för astronomer. Vi kan förstå det bokstavligen: Ljusets våglängd förlängs, så att ljuset ses som flyttad mot den röda delen av spektrumet. Det betyder att var och en av dessa galaxer rör sig bort från oss. Dessutom beror hastigheten med vilken varje galax rörde sig bort från oss på dess avstånd. Ju längre bort en galax var, desto snabbare rörde den sig bort från oss. Hawking beskriver denna upptäckt som en av 1900-talets enorma intellektuella uppenbarelser. 

Att bygga vidare på den allmänna relativiteten och Friedmanns ekvationer

Alexander Friedmann, en sovjetisk fysiker och matematiker, utvecklade modeller för allmän relativitetsteori för att förklara hypotesen om ett expanderande universum.

Friedmann visade att universum expanderar så långsamt att gravitationens dragningskraft mellan de olika galaxerna bromsar universums expansion. Som ett resultat av detta kan expansionen vara på väg att avstanna. Då kommer galaxerna att börja röra sig mot varandra när universum drar ihop sig. 

Friedmann föreslog också att universum kan expandera så snabbt att gravitationen inte kan stoppa expansionen. Den kanske saktar in lite, men galaxerna kommer till slut att nå ett tillstånd där de rör sig isär med jämn hastighet. 

Slutligen erbjöd Friedmann en lösning där universum expanderar precis tillräckligt snabbt för att undvika sammandragning. Med denna lösning blir hastigheten med vilken galaxerna rör sig isär mindre. Den kommer aldrig att nå noll men kommer att nå ett stadium där rörelsen är praktiskt taget noll.

Vi känner för närvarande till galaxernas expansion eftersom universum expanderar med mellan fem och tio procent per tusen miljoner år. Vi är dock osäkra på vilken av Friedmanns lösningar som är korrekt, eftersom vi är osäkra på galaxernas massa. Det är en utmaning att fastställa galaxernas massa eftersom mörk materia finns i alla galaxer. Mörk materia består av partiklar som inte absorberar, reflekterar eller avger ljus, så de kan inte upptäckas genom att observera elektromagnetisk strålning. Vi kan inte se mörk materia direkt. Vi vet att mörk materia existerar på grund av dess effekt på objekt som vi kan observera direkt. På samma sätt kan vi inte enkelt identifiera massan av mörk materia.

Den stora smällen 

Enligt Friedmann-lösningarna måste avståndet mellan närliggande galaxer ha varit noll för tio till tjugo miljarder år sedan. Vid den tidpunkten, som vi kallar big bang, skulle universums densitet och krökning av rumtiden ha varit oändlig. Detta innebär att den allmänna relativitetsteorin förutsäger en singulär punkt i universum.

Problemet med en enda punkt i universum är att detta stöder ett bibliskt perspektiv. Därför antog kyrkan Big Bang som ett gudomligt ingripande. Det fanns alltså flera försök att undvika Big Bang-slutsatsen. Alternativet var en teori om stabila förhållanden. Steady State-teorin föreslogs 1948 och hävdade att galaxer rör sig bort från varandra. Nya galaxer bildades dock kontinuerligt i luckorna mellan dem. Dessa nya galaxer bildas av ny materia som ständigt skapas. Därför ser universum ungefär likadant ut vid alla tidpunkter och i alla punkter i rymden.

StoryShot #3: Begreppet svarta hål

Termen "svart hål" är relativt ny. Det myntades 1969 av John Wheeler, men begreppet är minst tvåhundra år gammalt. För två århundraden sedan fanns det två teorier om ljuset. Den ena hävdade att ljuset består av partiklar. Den andra teorin hävdade att ljuset består av vågor. I verkligheten är båda dessa teorier korrekta. De som trodde på partikelteorin hävdade att detta skulle kunna påverka vår förståelse av stjärnor. De trodde att stjärnor var både massiva och kompakta nog för att deras gravitation skulle dra tillbaka allt ljus som sänds ut från stjärnans yta. Stjärnan kanske inte sänder ut ljus tillräckligt långt för att vi ska kunna observera den, men vi skulle ändå känna dess gravitationskraft. I dag känner vi till dessa stjärnor som svarta hål. 

En stjärnas livscykel

För att förstå hur svarta hål bildas måste vi förstå en stjärnas livscykel. Stjärnor bildas när stora mängder väte kollapsar in i sig själva på grund av gravitationen. Sammanpressningen leder till att gasen kolliderar oftare. När gasen rör sig i högre hastigheter värms den upp. När stjärnor når en kritisk temperatur slutar väteatomerna att studsa mot varandra. I stället smälter de samman och bildar heliumatomer. Det är värmen i en stjärna som får den att lysa, och den kommer att fortsätta att brinna tills bränslet (dvs. vätet) tar slut. 

Ju mer bränsle en stjärna har i början, desto snabbare tar den slut. Detta beror på stjärnans storlek, som kräver mer värme för att balansera sin gravitationella dragningskraft. Högre värme kräver mer väte. Vår sol har förmodligen tillräckligt med energi för ytterligare fem miljarder år eller så.

Chandrasekhar-gränsen

Subrahmanyan Chandrasekhar, en indisk-amerikansk astrofysiker, använde relativitetsteorin för att visa hur hastighetsskillnaderna mellan stjärnpartiklar är begränsade. Partiklarna kan inte röra sig snabbare än ljusets hastighet.

Ett stabilt vit dvärg stjärnan har en maximal massa. När den når denna massa är gravitationens dragningskraft så stark att den kollapsar in i sig själv. Chandrasekhar-gränsen är ungefär 1,4 gånger vår solmassa. 

Ett annat potentiellt tillstånd av stjärnor är neutroner stjärnland. Dessa stjärnor är mycket mindre än en vit dvärg. De bärs upp av den uteslutande repulsionen mellan neutroner och protoner, i motsats till det vanliga förhållandet mellan elektroner. Dessa neutronstjärnor har endast en radie på ungefär tio mil. 

Slutligen kan stjärnor som överskrider gränsen explodera när bränslet tar slut. Många vetenskapsmän, däribland Einstein, skrev artiklar där de förklarade hur detta var omöjligt. Trots dessa invändningar fick Chandrasekhar Nobelpriset 1983 för sitt tidiga arbete om den gränsande massan hos kalla stjärnor. 

Beskrivning av bildandet av svarta hål

1. Stjärnans gravitationsfält ändrar ljusstrålarnas banor i rumtiden.
2. Ljuskottar visar de vägar som ljusblixtar följer i tid och rum. De böjer sig inåt nära stjärnans yta.
3. När stjärnan drar ihop sig blir gravitationsfältet starkare vid dess yta. Ljuskäglorna böjs mer.
4. Denna böjning gör det svårare för ljuset från stjärnan att komma ut. Resultatet blir att ljuset framstår som svagare och rödare för observatörer. 
5. När det har skett en tillräcklig krympning är gravitationsfältet på ytan så starkt att ljuset inte längre kan komma ut. 
6. Ingenting kan färdas snabbare än ljuset, så ingenting annat kan undkomma detta gravitationsfält.

Denna gräns mellan svarta hål utgör händelsehorisonten. Den sammanfaller med de ljusstrålar som inte lyckas fly från det svarta hålet.

Hawkings upptäckter

"Det arbete som Roger Penrose och jag utförde mellan 1965 och 1970 visade att enligt den allmänna relativitetsteorin måste det finnas en singularitet med oändlig densitet i det svarta hålet. Detta är ungefär som big bang i tidens början, fast det skulle vara ett slut på tiden för den kollapsande kroppen och astronauten. Vid singulariteten skulle vetenskapens lagar och vår förmåga att förutsäga framtiden bryta samman. Observatörer som befinner sig utanför det svarta hålet skulle dock inte påverkas av detta misslyckande med förutsägbarheten, eftersom varken ljus eller någon annan signal kan nå dem från singulariteten."

- Stephen Hawking, teorin om allting

Detta citat antyder att det finns lösningar på den allmänna relativitetsteorin. En astronaut kan se en singularitet och undvika att träffa den. De kan falla genom maskhålet, vilket transporterar dem till en annan region i universum i form av rymd- och tidsresor. Hawking medger dock att dessa lösningar på den allmänna relativitetsekvationen är instabila. Närvaron av en astronaut kan orsaka en störning som skulle förändra resultatet. Dessutom kanske de inte ser singulariteten förrän de träffar den, och då skulle de dö. Singulariteten ligger alltid i deras framtid och aldrig i deras förflutna.

Svarta hål är exempel på vetenskapliga teorier som har utvecklats som matematiska modeller innan de har observerats. 

Andra anmärkningsvärda termer

Quasar: En kvasar är en extremt ljusstark aktiv galaktisk kärna (AGN). Ett supermassivt svart hål med en massa som är miljoner till miljarder gånger större än solens massa. Det omges av en gasformig ackretionsskiva.

Pulsarer: En pulsar är en roterande neutronstjärna. Den avger pulser av radiovågor på grund av att dess magnetfält och den omgivande materian är indirekta. 

StoryShot #4: Universums ursprung och öde

På 1980-talet bjöd Vatikanen in Hawking till en konferens om kosmologi. Den katolska kyrkan hade lärt sig av att ha tystat Galileo att den inte skulle hindra vetenskapliga upptäckter. Därför beslutade de att en bättre metod skulle vara att bjuda in många experter för att ge dem råd om kosmologi. Påven sa till Stephen Hawking att han trots detta inte borde studera big bang. Påven såg big bang som skapelsens ögonblick. Hawking ville inte lyssna på denna begäran. 

Den heta Big Bang-modellen

• Modellen utgår från att Friedmanns modell beskriver universum.
• Universum expanderar, vilket sänker temperaturen på materia och strålning. Temperaturen är ett mått på partiklarnas genomsnittliga energi. Vid höga temperaturer rör sig alltså partiklarna så snabbt att de inte attraheras av varandra. Men när de svalnar börjar partiklarna klumpa ihop sig.
• Big Bang inträffade när universum inte hade någon storlek, vilket innebär att det måste ha varit oändligt varmt. När universum expanderade måste strålningens temperatur ha sjunkit.
• Trots detta skulle big bang ha inträffat vid cirka tio tusen miljoner grader. Detta är den temperatur som råder vid H-bombsexplosioner.
• Världen bestod av fotoner, elektroner, neutriner och några protoner och neutroner.
• Universum fortsatte att expandera och temperaturen sjönk. Produktionstakten för elektronpar skulle ha sjunkit under den takt med vilken annihilationen förstörde dem.
• Efter hundra sekunder skulle temperaturen ha sjunkit till en tusen miljoner grader. Detta är temperaturen hos de hetaste stjärnorna. Vid denna temperatur skulle protoner och neutroner inte ha energi nog att undkomma kärnkrafternas starka attraktionskraft.
• Dessa protoner och neutroner kombineras. De bildade kärnorna i tunga väte- och heliumatomer och små mängder grundämnen som litium och beryllium. 
• Inom några timmar efter big bang skulle produktionen av helium och andra grundämnen ha upphört. Under den följande miljonen år eller så fortsatte universum att expandera.
• Så småningom sjönk temperaturen till några tusen grader. Elektronerna och atomkärnorna kunde inte längre övervinna sin elektromagnetiska dragningskraft. De skulle ha börjat kombinera sig till atomer.
• Universum fortsatte att expandera och svalna. Områden som var något tätare bromsades upp av extra gravitationell dragningskraft. Denna dragningskraft stoppade expansionen och ledde till en kollaps. Gravitationskraften från materia utanför dessa områden fick atomerna att rotera när de kollapsade.
• När de kollapsande områdena blev ännu mindre började de snurra snabbare. Så småningom snurrade de tillräckligt snabbt för att balansera gravitationens dragningskraft. Detta är en möjlig förklaring till starten av de skivliknande roterande galaxer som vi ser idag.

StoryShot #5: Vad är teorin om allting?

"Om vi upptäcker en fullständig teori bör den med tiden kunna förstås i stort sett av alla, inte bara av några få forskare. Då kommer vi alla att kunna delta i diskussionen om varför universum existerar. Om vi hittar svaret på detta skulle det vara det mänskliga förnuftets ultimata triumf. För då skulle vi veta vad Gud tänker."

- Stephen Hawking, teorin om allting

Fysiken har lyckats beskriva universums början med vissa delteorier. Dessa teorier beskriver ett begränsat antal observationer. De försummar andra effekter som ännu inte är förstådda. Målet för kosmologin och fysiken är att hitta en fullständig, konsekvent och enhetlig teori om världen. Stephen Hawking beskriver detta som fysikens enande.

Einstein ägnade större delen av sina senare år åt att söka efter denna enhetliga teori. Vi befinner oss nu i en mycket starkare position än Einstein när det gäller att utveckla en enhetlig syn. 

Stephen Hawking är försiktigt optimistisk och tror att vi kommer att upptäcka de ultimata naturlagarna. Han är övertygad om att vi kommer att hitta en fullständig enhetlig teori en dag om vi är tillräckligt smarta. Denna enhetliga teori är inte en slutgiltig teori. Istället har vi en oändlig följd av teorier som var och en beskriver universum med större noggrannhet.

Vår nuvarande syn på kvantfysik har gjort det möjligt för oss att avslöja universums alla hemligheter. Steven Hawkings bok är en utmärkt utgångspunkt för att förstå hur universum fungerar och vilken betydelse stjärnorna har i det.

Betyg

Vi bedömer Teorin om allting 4/5.

Hur skulle du betygsätta Stephen Hawkings bok baserat på denna sammanfattning?

Teorin om allting PDF, gratis ljudbok, infografik och animerad boksammanfattning

Kommentera nedan och låt andra veta vad du har lärt dig eller om du har några andra tankar.

Är du ny på StoryShots? Få ljud- och animerade versioner av den här sammanfattningen och hundratals andra bästsäljande fackböcker i vår gratis topprankad app. Apple, The Guardian, FN och Google har nämnt appen som en av världens bästa läs- och inlärningsappar.

För att dyka ner i detaljerna om Teorin om allting, beställa bok eller köp ljudboken gratis.

Redaktörens anmärkning: Första gången offentliggjordes den 24/1/2022. Uppdaterad den 26/2/2022

Sammanfattningar av relaterade böcker

En kort tidshistoria av Stephen Hawking

Guds ekvation av Michio Kaku

Elon Musk av Ashlee Vance

Historiens lärdomar av Ariel Durant och Will Durant

Vingar av eld av A.P.J. Abdul Kalam

Benjamin Franklins självbiografi av Benjamin Franklin

Sapiens av Yuval Noah Harari

• Spara