The Nature of Space and Time

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Contents
Foreword by Sir Michael Francis Atiyah, OM, FRS, FRSE, FMedSci FAA, HonFREng
Lecture 1 - Classical Theory {Hawking}
Lecture 2 - Structure of Spacetime Singularities {Penrose}
Lecture 3 - Quantum Black Holes {Hawking}
Lecture 4 - Quantum Theory and Spacetime {Penrose}
Lecture 5 - Quantum Cosmology {Hawking}
Lecture 6 - The Twistor View of Spacetime {Penrose}
Chapter 7 - The Debate {Hawking and Penrose}

Einstein said that the most incomprehensible thing about the universe is that it is comprehensible. But was he right? Can the quantum theory of fields and Einstein's general theory of relativity, the two most accurate and successful theories in all of physics, be united in a single quantum theory of gravity? Can quantum and cosmos ever be combined? On this issue, two of the world's most famous physicists--Stephen Hawking ("A Brief History of Time") and Roger Penrose ("The Emperor's New Mind" and "Shadows of the Mind")--disagree. Here they explain their positions in a work based on six lectures with a final debate, all originally presented at the Isaac Newton Institute for Mathematical Sciences at the University of Cambridge.

How could quantum gravity, a theory that could explain the earlier moments of the big bang and the physics of the enigmatic objects known as black holes, be constructed? Why does our patch of the universe look just as Einstein predicted, with no hint of quantum effects in sight? What strange quantum processes can cause black holes to evaporate, and what happens to all the information that they swallow? Why does time go forward, not backward?

In this book, the two opponents touch on all these questions. Penrose, like Einstein, refuses to believe that quantum mechanics is a final theory. Hawking thinks otherwise, and argues that general relativity simply cannot account for how the universe began. Only a quantum theory of gravity, coupled with the no-boundary hypothesis, can ever hope to explain adequately what little we can observe about our universe. Penrose, playing the realist to Hawking's positivist, thinks that the universe is unbounded and will expand forever. The universe can be understood, he argues, in terms of the geometry of light cones, the compression and distortion of spacetime, and by the use of twistor theory. With the final debate, the reader will come to realize how much Hawking and Penrose diverge in their opinions of the ultimate quest to combine quantum mechanics and relativity, and how differently they have tried to comprehend the incomprehensible.

142 pages, Paperback

First published January 1,1996

About the author

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Stephen William Hawking was an English theoretical physicist, cosmologist, and author who was director of research at the Centre for Theoretical Cosmology at the University of Cambridge. Between 1979 and 2009, he was the Lucasian Professor of Mathematics at Cambridge, widely viewed as one of the most prestigious academic posts in the world.
Hawking was born in Oxford into a family of physicians. In October 1959, at the age of 17, he began his university education at University College, Oxford, where he received a first-class BA degree in physics. In October 1962, he began his graduate work at Trinity Hall, Cambridge, where, in March 1966, he obtained his PhD degree in applied mathematics and theoretical physics, specialising in general relativity and cosmology. In 1963, at age 21, Hawking was diagnosed with an early-onset slow-progressing form of motor neurone disease that gradually, over decades, paralysed him. After the loss of his speech, he communicated through a speech-generating device initially through use of a handheld switch, and eventually by using a single cheek muscle.
Hawking's scientific works included a collaboration with Roger Penrose on gravitational singularity theorems in the framework of general relativity, and the theoretical prediction that black holes emit radiation, often called Hawking radiation. Initially, Hawking radiation was controversial. By the late 1970s, and following the publication of further research, the discovery was widely accepted as a major breakthrough in theoretical physics. Hawking was the first to set out a theory of cosmology explained by a union of the general theory of relativity and quantum mechanics. He was a vigorous supporter of the many-worlds interpretation of quantum mechanics.
Hawking achieved commercial success with several works of popular science in which he discussed his theories and cosmology in general. His book A Brief History of Time appeared on the Sunday Times bestseller list for a record-breaking 237 weeks. Hawking was a Fellow of the Royal Society, a lifetime member of the Pontifical Academy of Sciences, and a recipient of the Presidential Medal of Freedom, the highest civilian award in the United States. In 2002, Hawking was ranked number 25 in the BBC's poll of the 100 Greatest Britons. He died in 2018 at the age of 76, having lived more than 50 years following his diagnosis of motor neurone disease.

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81 reviews All reviews
April 16,2025
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Not good. Notes from a Cambridge series of lectures. Colloquium level for PhDs in Quantum Gravity and Cosmology. Terms are not explained. Equations are not explained. Familiarity with 4 spheres, deSitter spacetime, Euclideanization of spacetime is assumed.
April 16,2025
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Some of this information is dated, which is to be expected reading it so long after it was written. I could follow most of the math, but was disappointed by the lack of variable definition. Penrose's writing was much more clear than Hawkings and I believe I'll search out some of his writing on the topic the next time I approach this subject.
April 16,2025
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Este livro é um conjunto de ensaios escritos por Roger Penrose e provados (acabados) pelo Stephen Hawking, embora não concordem totalmente um com o outro, provaram que as singularidades(buracos- negros) resultam do colapso de um estrela (sol Gigante), um livro muito interessante...
April 16,2025
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Penrose, known for his philosophical ideas and artistic approach, was much more convincing to me than Hawking's math.

The book is too jargon-y for non-academics, but a very interesting debate nevertheless, for anyone wanting to get deeper into the subject. It did well in exposing the gap between the 2 scientists way of thinking and approach.
Hawking's lectures are too wordy yet difficult to understand, despite his known simplified pop-science writings. On the other hand, Penrose's lectures are short and too dense, but more factual and structured.
The diagrams are very helpful in visualizing the ideas, so if you're intending to read it, keep checking the diagrams as you go!

One of the most mesmerizing ideas I concluded from the debate is the fact that information might not be completely lost into black holes, but rather "dispersed" on the holes' boundaries in a way that's similar to holograms. This concept implies that information might in fact be recollected and brought back into shape.
This idea, together with the conclusion that the black holes we currently find withhold a previous universe that kept expanding untill it broke up into a black hole, in the same pattern that the expansion of our universe might lead to its explosion into another black hole in the future, followed by the creation of another new universe yet to come... this idea, together with the hologram-inspired one, imply that we can actually one day be able to "see" what the previous universe had looked like, by recollecting the "lost" information. It also implies that the next universe might be a new one where we can see all the previous universes... the afterlife maybe?

Who knows.
April 16,2025
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Hawking: "Uznaje pozytywistyczny pogląd, że fizyczna teoria jest tylko matematycznym modelem i że nie ma sensu pytać, czy odpowiada rzeczywistości. Jedynie, czego można rządać, to by przewidywania teorii zgadzały się z obserwacjami" (14).

Hawking: "Nie wymagam, aby teoria odpowiadała rzeczywistości, ponieważ nie wiem, jak jest rzeczywistość. Rzeczywistość to nie cecha, którą można wykryć papierkiem lakmusowym. Mnie chodzi tylko o to, żeby teoria pozwalała przewidywać wyniki pomiarów" (167).
April 16,2025
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Zorlayıcı fizik kavramlarıyla, yer yer matematiksel formüllerle uzay ve zaman problemini ele alan bir kitap. Bu nedenle popüler bilim okurlarına hitap edeceğini zannetmiyorum.

Anladığım kadarıyla;

1 ) Kütleçekim, uzay-zamanı, bir başlangıcı ve bir de sonu olacak şekilde kıvırıyor, büküyor.

2) Kütleçekim - Termodinamik bağlantısı: kütleçekimin evren üzerindeki etkisini belirliyor.

Uzay-zamanın pozitif eğriliği, klasik genel göreliliğin geçerliliğini kaybettiği tekillikler doğuruyor. Kozmik sansür hipotezi bizi kara deliklerin tekilliklerinden ve evreni yutmasından koruyor. Fakat büyük patlamaya etkisi olamıyor.

Kuantum genel göreliliği, sınır olmaması, gözlemlediğimiz evreni öngörüyor. Hatta mikrodalga Ardalan ışınımında gözlenen dalgalanma spektrumunu da açıklıyor.

Kuantum kuramı, klasik kuramın sağlayamadığı öngörüleri kazandırsa da bunu tam olarak yapamıyor. Çünkü, uzay zamanın tamamını kara delikler ve kozmolojik olay ufukları dolayısıyla göremeyeceğimiz için, gözlemlerimiz, tek bir durum yerine, kuantum durumları bütünü ile belirleniyor. Bu ek bir öngörü getiremese de, evrenin niye klasik göründüğünü de açıklıyor.
Fizikten öngörüyü kaldırıp, onu indirgenmiş şekilde tekrar yerine koyuyor.


Matematik, fizik ve geometri bilgisi, temel astronomi ve fizik kavramlarına hakim olunması gereken okuması zor bir kitap. Popüler bilim kitabı kategorisine girebileceğini hiç zannetmiyorum.
April 16,2025
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Büyük kısmından pek birşey anlayamadım. Belki lisansüstü bir fizik bilgisi gerekiyor belki de çevirisi kötü. Bölüm sonlarında konuşmacılar fikirlerini bir araya toplamış ve özetlemişler. Bir tek o kısımlar benim düzeyimdeydi.
April 16,2025
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Leggere un saggio di astrofisica, specie dopo aver pescato il suggerimento da un elenco uscito dopo aver scritto su Google “libri sull’astronomia”, può risultare una vera e propria sfida. In particolare se l’ultima volta che hai affrontato un problema su massa, velocità e moto rettilineo uniforme (posto che qui siamo ben oltre) è stata tre anni fa. Al liceo. Sicuramente non scientifico. Ottimo. Insomma, idea grandiosa quella di cimentarsi in una lettura simile ex abrupto, soprattutto quando il magnanimo Google ti aveva anche gentilmente indicato saggi meno tecnici e più divulgativi (come un casuale “Vi racconto l’Astronomia” di Margherita Hack). Ho sbagliato lettura? Sì, no, boh, forse. No. E vi spiego perchè. Chiaramente la quasi totalità delle affermazioni contenute nel saggio l’ho data per buona, e per buona intendo assodata, in quanto, per ovvie ragioni, non avevo altre fonti nel mio archivio con cui confrontare le teorie ivi descritte e dimostrate. Eppure mi è piaciuto leggere questo saggio. In fondo a volte una lettura simile ricorda quanto ancora non si conosce e quanto ancora si ha da imparare. Ridimensiona, ma fornisce anche una spinta per andare avanti. Per andare “verso l’infinito e oltre”. Come soleva affermare Buzz Lightear. Per saperne di più certo, ma anche per superare i nostri limiti (limiti che spesso ci creiamo da soli per rimanere nella “comfort zone”). Non è però stata una lettura del tutto “oscura” e se ho potuto orientarmi è stato grazie non al corso di fisica ma a quello di chimica. Concetti come l’entropia, i principi della termodinamica, lo spin, il paradosso del gatto di Schrödinger, alcune teorie di Einstein, il principio di indeterminazione di Heisenberg, erano argomenti già presenti nella mia memoria e sono contenta di aver aggiunto qualcosa di nuovo per ognuno di essi. Ho anche imparato una cosa nuova: la “teoria dei Twistors”. Qualcuno direbbe che è poca cosa sapere della sua esistenza e non averla capita. È vero. Ma se si considera che prima di questa lettura non ne sospettavo nemmeno l’esistenza, sono contenta perchè le mie conoscenze in qualche modo si sono arricchite. Chissà magari è solo il primo passo che mi porterà un giorno a comprenderla. È pur sempre un inizio. Perciò anche se da un lato mi rincresce di non aver compreso il saggio nella sua interezza, sono comunque contenta di aver trovato qualcosa che mi ha riportato alla mente una disciplina che mi ha sempre affascinata e che al liceo era una delle mie preferite. In generale il saggio, seppur ostico nell’argomento, ha il vantaggio di lasciarsi seguire. Facendo lo sforzo di tenere a mente gli enunciati che vengono spiegati e dimostrati passo dopo passo il lettore riesce, proseguendo nella lettura, a ritrovarsi e trovare un filo conduttore. Unica pecca: averlo letto in digitale. Consiglio vivamente di leggerlo in cartaceo per prendere completa visione delle formule e delle figure (sull’ereader purtroppo risultano microscopiche se non addirittura invisibili). Un’ulteriore e triste conferma del fatto che l’ereader non è ancora pronto nè attrezzato per la saggistica.

Sette capitoli. Sette conferenze. Sette interventi. Due giganti a confronto. In questo saggio Stephen Hawking e il collega Roger Penrose si sfidano a colpi di teorie e dimostrazioni sul tempo, sullo spazio e sui buchi neri, punzecchiandosi a vicenda ma anche unendo le forze. I capitoli sono esattamente alternati: un intervento di Hawking, un intervento di Penrose, fino al settimo che vede entrambi rispondere alle domande e agli interventi. Le “lezioni” di Penrose sono quelle più discorsive e più improntate ad una riflessione filosofica (del resto lui stesso è un filosofo), mentre quelle di Hawking sono decisamente più fiscali e rigide, impostate sulla fisica pura e sul contraddire Einstein (!). Ho apprezzato il fatto che nei saggi a volte venissero riportati i commenti dell’altro interlocutore, anche se questo non era il suo spazio, creando una dimensione non divisa e unidirezionale, ma di dialogo e di inclusività. Ho apprezzato di più i “mini saggi” di Roger Penrose, in quanto sono stati anche occasioni che hanno fatto scaturire riflessioni filosofiche sul tempo, riportando anche qualche breve aneddoto della storia della fisica e della cosmologia. Non posso negare che la parte di Hawking sia stata penalizzata per il semplice fatto di non essere riuscita a vedere il novanta percento delle formule dimostrate e dunque di averla letta in modo frammentario e lacunoso, un’ottima occasione per riprenderlo in cartaceo e perchè no? Magari con qualche nozione in più.
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