時間簡史 - 第2章
斯蒂芬·威廉·霍金
《第一推動》叢書編委會
譯者序
宇宙學是一門既古老又年輕的學科。作為宇宙中高等生物的人類不滿足於自身的生存和種族的綿延，還一代代地探索着存在和生命的意義。但是，人類理念的進化是極其緩慢和艱苦的。從亞里士多德-托勒密地心說到哥白尼-伽利略日心說的演化就花了大約2000年的時間。令人吃驚的是，儘管人們知道世間的一切都在運動，只有到了20世紀20年代哈勃發現了紅移定律後，宇宙演化的觀念才進入人類的意識。在此之前，人們甚至從未想到過宇宙還會演化。無論是牛頓的萬有引力理論還是愛因斯坦的廣義相對論都不能得到穩態的宇宙模型。為了得到一個這樣的模型，愛因斯坦甚至不惜犧牲理論的美麗，將宇宙常數引進他的方程。可見宇宙演化的觀念並非產生於這些天才的頭腦之中。
哈勃的發現標誌着現代宇宙學的誕生。他的紅移定律說，從星系光譜的紅移可以推斷，越遠的星系以越快的速度飛離開我們，這表明整個宇宙處於膨脹的狀態。從時間上倒溯到過去，估計在100億到200億年之前發生過一次開天闢地的大爆炸，宇宙就從這個極其緻密極熱的狀態中誕生。伽莫夫在1948年發表的關於熱大爆炸模型的文章中作出了一個驚人的預言，早期大爆炸的輻射仍殘存在我們的周圍，不過由於宇宙膨脹引起的紅移，其絕對溫度只餘下幾度了。在這種溫度下，輻射處於微波的波段。然而，在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之前，人們並不認真對待這個預言。
一般認為，愛因斯坦的廣義相對論是描述宇宙的正確理論。在經典廣義相對論的框架中，霍金和彭羅斯，在很一般的條件下，證明了時空一定存在奇點，最著名的奇點即是黑洞裡的奇點和宇宙大爆炸處的奇點。所有定律和可預見性都在奇點處失效。奇點可以看作時空的邊緣或邊界。只有給定了奇點處的邊界條件，才能從愛因斯坦方程得出宇宙的演化。由於邊界條件只能由宇宙外的造物主給定，所以宇宙的命運就操縱在造物主手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動問題。
如果時空沒有邊界，則就不必勞駕上帝進行第一推動了。這隻有在量子引力論中才能做到。霍金認為宇宙的量子態是處於一個基態，而時空可被看成是一個有限無界的四維面，正如地球的表面一樣，只不過多了兩個維數而已。宇宙中的所有結構都起源於量子力學的不確定性原理允許的最小起伏。從一些簡單的模型計算可得出和天文觀測相一致的推論，如星系團、星系、恆星等成團結構，宇宙大尺度的均勻性和各向同性，時空的平性，時空的維數，太初引力波和太初黑洞，以及時間的箭頭等。霍金的量子宇宙學在於它真正使宇宙論成為一門成熟的科學。它是一個自足的理論，即在原則上，單憑科學定律我們便可以將宇宙中的一切都預言出來。
本書作者是當代最重要的廣義相對論家和宇宙學家。
20世紀70年代他和彭羅斯一道證明了著名的奇點定理。之後他還證明了黑洞的面積定理，即隨着時間增加黑洞的表面積不減。這很自然地使人將這面積和熱力學的熵聯想起來。
1973年，他考慮黑洞附近的量子效應，發現黑洞會像黑體那樣發出輻射。其輻射的溫度和黑洞質量成反比，這樣黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，它以最後一刻的爆炸而告終。黑洞輻射的發現具有極其基本的意義，它將引力、量子力學和熱力學統一在一起。
1974年以後，他的研究轉向量子引力論。他利用費恩曼的對歷史求和方法，自然地處理時空的非平凡的拓撲效應，開創了引力熱力學。
1980年，他的興趣轉向量子宇宙學，研究宇宙的無中生有的創生機制，企圖一勞永逸地解決第一推動問題。
霍金的生平是非常富有傳奇性的。在科學成就上，他是有史以來最傑出的科學家之一，而他的貢獻是在他20年之久被肌萎縮性（脊椎）側索硬化症禁錮在輪椅上的情形下做出的，這真正是空前的。因為他的貢獻對於人類的觀念有深遠的影響，所以媒體對他早已廣為報道。儘管如此，譯者之一於1979年第一回見到他時的情景至今還歷歷在目。那是第一次參加他領導的小組的討論班時，門打開後，忽然腦後響起一種非常微弱的電器的聲音，回頭一看，只見一個骨瘦如柴的人斜躺在電動輪椅上，他自己驅動着電開關。譯者儘量保持禮貌而不顯出過分吃驚，但是他對首次見到他的人對其殘廢程度的吃驚早已習慣。他要很費勁才能抬起頭來。在失聲之前，他只能用非常微弱的變形的語言交流，這種語言只有在陪他工作、生活幾個月後才能通曉。他不能寫字，看書必須依賴於一種翻書頁的機器，讀文獻時必須讓人將每一頁攤平在一張大辦公桌上，然後他驅動輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁閱讀。人們不得不對人類中居然有以這般堅強意志追求終極真理的靈魂從內心產生深深的敬意。他每天必須驅動輪椅從他的家——劍橋西路5號，經過美麗的劍河、古老的國王學院駛到銀街的應用數學和理論物理系的辦公室。該係為了他的輪椅行走方便特地修了一段斜坡。
在富有學術傳統的劍橋大學，他目前擔任着也許是有史以來最為崇高的教授職務，那是牛頓和狄拉克擔任過的盧卡斯數學教授。
本書譯者之一曾受教於霍金達4年之久，並在它的指導下完成了博士論文。從他對譯者私事的幫助可以體會到，他是一位富有人情味的人。此書即是受霍金之託而譯成中文，以供人類1/5的人口了解他的學說。
許明賢 吳忠超
《時間簡史》首版導言
我們在幾乎對世界毫無了解的情形下進行日常生活。我們對於使生命得以實現的陽光的產生機制，對於將我們束縛在地球上，否則我們就會以渦旋的軌道被拋到太空去的重力，對於我們由之構成並依賴其穩定性的原子思考得很少。除了小孩（他們知道太少，會不知輕重地問重要的問題），我們中很少人會用大量時間驚訝自然界為何這個樣子；宇宙從何而來或它是否總在這兒；時間會不會有朝一日倒流，並因此導致果先於因；或者人類認識是否有一最終的極限。甚至我曾遇到一些小孩，他們想要知道黑洞是什麼樣的？物質的最小的部份是什麼？為何我們記住過去而不是將來；如果早先是紊亂的，則今天顯然是有序的，這究竟是怎麼回事？為何存在一個宇宙？
在我們社會裡，父母或老師仍然依慣例用聳肩膀或藉助模糊回想起的宗教格言去回答這些問題的大部份。有一些人則對這一類的問題感到不舒服，因為它們如此生動地暴露了人類理解的局限性。
但是，哲學和科學的大部份即是由這種好奇心所驅動的。越來越多的成年人願意問這類問題，並且他們偶爾得到一些使其驚奇的答案。我們這些離開原子和恆星同樣遠的人類，正在擴大自己探索的視野去擁抱這非常小和非常大的對象。
1974年初，大約在海盜空間飛船登陸火星之前兩年，我參加在英國由倫敦皇家學會主辦的關於探索如何尋找天外生命的會議。
在會議中間休息時，我注意到在隔壁的大廳里正舉行一個更大得多的會議，出於好奇心我進去了。我很快意識到自己見證了一個古代的儀式，是一個新會員參加皇家學會——這個本行星上最古老的學術組織的授職式。前排一位在輪椅中的年輕人正非常緩慢地將他的名字簽在一本書上，而這本書的最前頁是伊薩克·牛頓的簽名。當他最後簽好時，大廳里響起了一陣響亮的掌聲。史蒂芬·霍金，甚至在那時就是一位傳說中的人物。
現在霍金是劍橋大學的盧卡遜數學教授。這個職務曾為牛頓，後來又為狄拉克，這兩位非常大和非常小的世界的有名的探索者擔任過。他是他們的毫不遜色的繼承人。這本霍金首次為非專家寫的書，會給外行讀者以多種類的酬勞。和這本書的廣泛的內容一樣有趣的是對作者智力工作的瀏覽。物理、天文、宇宙學和勇氣的前沿被清晰地呈現在本書之中。
這又是一本關於上帝……或許是關於上帝不存在的書。處處充滿了上帝這個字眼。霍金着手回答愛因斯坦著名的關於上帝在創生宇宙時有無選擇性的問題。正如霍金明白聲稱的，他企圖要去理解上帝的精神。這使得迄今所有努力的結論更加出人意外：一個空間上無邊緣、時間上無始無終、並且造物主無所事事的宇宙。
——卡爾·薩根
康奈爾大學 紐約州
前言
我沒有為《時間簡史》的原版寫前言。那是卡爾·薩根寫的。我寫了簡短的「感謝」，有人建議我感謝每一個人。但是有些支持過我的基金會不甚高興，由於被我提及而收到大量的申請。
我認為沒有任何人，我的出版者，代理人，甚至我自己曾預料到這本書會這麼暢銷。它榮登倫敦《星期日時報》暢銷書榜237周，這比任何書都久（顯然，《聖經》和莎士比亞不算在內）。它被譯成40來種文字，在全世界每750人都擁有一冊，包括男人、婦女和兒童。正如納珍·米爾伏德（我的前博士後）評論的：我的物理著作比麥當娜談性的書還更好賣。
《時間簡史》的成功表明，人們對於重大問題有廣泛的興趣：諸如我們從何而來？宇宙為何是這樣子的？
我已趁此機會更新本書，並將從首版（1988年4月愚人節）以來理論和觀測的新結果納入。我新添了蟲洞和時間旅行一章。愛因斯坦的廣義相對論為我們提供了創生和維持蟲洞的可能性，那是連接時空中不同區域的細管。如是，我們也許可以利用它們來進行星系之間快速旅行或在時間中旅行到過去。當然，我們從未邂逅到來自未來的人（也許我們曾經有過？）。對此我將給出一種可能的解釋。
我還描述了今年在尋求「對偶性」或顯然不同的物理理論之間的對應方面的進展。這些對應強烈地表明，存在一種完備的統一物理理論，但是它們也暗示，也許不可能用一個單獨表述來表達這個理論。相反，在不同的情形下，我們必須使用基本理論的不同影像。這和描繪地球表面很相似，人們不能只用一張單獨的地圖，在不同的區域必須用不同的地圖。這就變革了我們的科學定律的統一觀，但是他並沒有改變最重要的一點：一族我們能夠發現並理解的合理的定律制約着宇宙。
在觀測方面，迄今最主要的發展是由COBE（宇宙背景探險者）和其他合作者測量的宇宙微波背景輻射中的起伏。這些起伏是創生的指紋，這些起伏是創生的指紋，這些在光滑均勻的早期宇宙上的微小的初始無規性後來成長為星系、恆星以及在我們周圍看到的所有結構。起伏的形式和無邊界設想的預言相吻合。無邊界設想說，宇宙在虛時間方向沒有邊界或邊緣。為了區分這個設想和對背景中的起伏的其他可能的解釋，還需要進一步的觀測。然而，在幾年之內，我們就應能知道，我們能否相信自己生活在一個完全自足的無始無終的宇宙之中。
史蒂芬·霍金
1996年5月劍橋
第一章
我們的宇宙圖象
一位著名的科學家（據說是伯特蘭·羅素）曾經作過一次天文學講演。他描述了地球如何圍繞着太陽公轉，而太陽又是如何圍繞着稱之為我們星系的巨大的恆星集團的中心公轉。演講結束之際，坐在房間後排的一位小個老婦人起立說道：「你講的是一派胡言。實際上，世界是馱在一隻巨大烏龜背上的平板。」這位科學家露出高傲的微笑，然後答道：「那麼這隻烏龜站在什麼上面的呢？」「你很聰明，年輕人，的確很聰明」，老婦人說，「不過，這是一隻馱着一隻，一直馱下去的烏龜塔啊！」
大多數人會覺得，把我們的宇宙喻為一個無限的烏龜塔相當荒謬。但是我們憑什麼就自認為知道得更好呢？我們對宇宙了解了多少？而我們又是如何知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在開端之前發生了什麼？時間的本質是什麼？它會有一個終結嗎？物理學中最近的突破，使我們有可能為其中一些長期以來懸而未決的問題提供答案，而奇妙的新技術是實現這些突破的部分原因。對我們而言，這些答案也許有朝一日會變得和地球圍繞着太陽公轉那麼顯而易見——或許也會變得和烏龜塔一樣荒謬，只有時間（不管其含義如何）才能裁決。
早在公元前340年，希臘哲學家亞里士多德在他的《論天》一書中，就能夠對於地球是一個圓球而不是一塊平板這個信念提出兩個有力的論證。第一，他意識到，月食是由於地球運行到太陽與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的，這隻有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發生在太陽正好位於這個圓盤中心的正下方的時刻，否則地球的影子就會被拉長而成為橢圓形。第二，希臘人從旅行中知道，在南方地區觀測北極星，比在較北地區，北極星在天空中顯得較低。（由於北極星位於北極的正上方，所以它出現在北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的某觀察者，北極星剛好出現在地平線上。）
根據北極星在埃及和在希臘表觀位置的差別，亞里士多德甚至估計出地球大圓長度為400000斯特迪亞。現在不能準確地知道，1斯特迪亞的長度究竟是多少，但也許是200碼（1碼=0.9144米）左右，這樣就使得亞里士多德的估計大約為現在接受數值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個論證，否則何以從地平線駛來的船總是先露出船帆，然後才露出船身？
亞里士多德認為地球是不動的，太陽、月亮、行星和恆星都以圓周為軌道圍繞着地球公轉。他相信這些，是因為他認為地球是宇宙的中心，而圓周運動是最完美的；他的這種看法是基於某些神秘的原因。公元2世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙學模型。地球處於正中心，8個天球包圍着它，這8個天球分別負載着月亮、太陽、恆星和5個當時已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（圖1.1）。為了說明在天空中觀察到的這些行星的相當複雜的軌道，人們認為它們本身沿着附在相應天球上的更小的圓周運動。最外層的天球攜帶着所謂的固定恆星，它們的相對位置總是保持不變，但是總體圍繞着天空旋轉。最後一層天球之外為何物一直不很清楚，但是它肯定不是人類所能觀測到的宇宙部分。
圖1.1 從最裡面往外面順序為月亮球、水星球、金星球、太陽球、火星球、木星球、土星球和固定恆星球。最中心為地球。
托勒密模型的系統可以相當精密地預言天體在天空中的位置。但是為了正確地預言這些位置，托勒密不得不假定，月亮遵循的軌道有時使它離地球的距離是其他時候的一半。這意味着月亮有時顯得要比其他時候大一倍！托勒密承認這個瑕疵，但是儘管如此，他的模型被廣泛地，雖然不是普適地接受。它被基督教會接納為與《聖經》相一致的宇宙圖象。這是因為它具有巨大優勢，即在固定恆星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。
然而，1514年波蘭教士尼古拉·哥白尼提出了一個更簡單的模型。（起初，也許哥白尼害怕被教會譴責為異端，所以將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽靜止地位於中心，而地球和行星們圍繞着太陽作圓周運動。將近一個世紀以後，人們才認真接受他的觀念。後來，兩位天文學家——德國人約翰斯·開普勒和意大利人伽利略·伽利雷開始公開支持哥白尼理論，儘管它所預言的軌道還不能完全與觀測相符合。直到1609年，亞里士多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星或月亮圍繞着它轉動，這表明不像亞里士多德和托勒密設想的那樣，並非所有東西都必須直接地圍繞着地球轉動（當然，仍然可能相信地球是靜止地處於宇宙的中心，而木星的衛星沿着一種極其複雜的軌道圍繞地球運動，表觀上看來它們是圍繞着木星轉動。然而，哥白尼理論卻簡單得多了）。同時，約翰斯·開普勒修正了哥白尼理論，提出行星不是沿着圓周而是沿着橢圓（橢圓是拉長的圓）運動，從而最終使預言和觀察相互一致了。
就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當然的，並且是相當討厭的假設，因為橢圓顯然不如正圓那麼完美。雖然他幾乎偶然地發現橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的磁力引起行星圍繞太陽運動的思想相互調和起來。只有到更晚得多的1687年，這一切才得到解釋。這一年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的《自然哲學的數學原理》，這部也許是物理科學中有史以來最重要的著作。在這部著作中，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，並且發展了為分析這些運動所需的複雜的數學。此外，牛頓還提出了萬有引力定律。根據這條定律，宇宙中的任一物體都被另外的物體吸引。物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。正是這同一種力，使物體下落到地面。（一個蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說過的不過是，當他坐着陷入沉思之時，一個蘋果的下落使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而證明，根據他的定律，引力使月亮沿着橢圓軌道圍繞着地球運行，而地球和其他行星沿着橢圓軌道圍繞着太陽公轉。
哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關的宇宙存在着自然邊界的觀念。「固定恆星」除了由於地球圍繞着自身的軸自轉引起的穿越天空的轉動外，它們的位置顯得固定不變，很自然會使人推測到固定恆星是和我們太陽類似的物體，只是比太陽離開我們遠得多了。
按照他的引力理論，牛頓意識到恆星應該相互吸引，這樣它們似乎不能保持基本上不動。難道它們不會都一起落到某處去嗎？在1691年寫給同時代另一位最重要的思想家理查德·本特里的一封信中，牛頓論證道，如果只有有限數目的恆星分布在一個有限的空間區域裡，這確實是會發生的。但是另一方面，他推斷說，如果存在無限數目的恆星，大體均勻地分布於無限的空間中，對它們而言，因為這時不存在一個中心落點，這種情形就不會發生。
當人們議論到無限時，這種論證是你會遭遇到的一種陷阱。在一個無限的宇宙中，因為在每一點的兩邊都有無限顆恆星，所以每一點都可以認為是中心。很久以後才意識到正確的方法，即是先考慮有限的情形，這時所有恆星都相互落到一起，然後加上在這個區域以外大體均勻分布的更多恆星，看事情會如何改變。按照牛頓定律，平均地講，這額外的恆星對原先的那些根本沒有什麼影響，所以這些恆星還是同樣快地落到一起。我們願意加上多少恆星就可以加上多少，但是它們仍然總是向自身坍縮。現在我們知道，不可能存在一個無限靜態的引力總是吸引的宇宙模型。
在20世紀之前從未有人提出過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當時的思維風氣。一般認為，宇宙要麼以一種不變的狀態存在了無限長的時間，要麼以多多少少正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過去創生。其部分的原因可能是，人們傾向於相信永恆的真理，也可能由於從以下的觀念可以得到安慰，即雖然他們會生老病死，但是宇宙必須是不朽的不變的。
甚至那些意識到牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能正在膨脹。相反，他們試圖修正理論，使引力在非常大距離下變成排斥的。這並沒有太大影響他們對行星運動的預言，然而卻允許恆星的無限分布保持平衡狀態——鄰近恆星之間的吸引力被遠距離外的恆星來的斥力平衡。然而，現在我們相信，這樣的平衡是不穩定的：如果某一區域內的恆星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會增強，並超過斥力的作用，因此這些恆星就會繼續落到一起。反之，如果某一區域內的恆星稍微相互遠離一些，斥力就起主導作用，並驅使它們離得更遠。
另一個反對無限靜止宇宙的異見通常歸功於德國哲學家亨利希·奧勃斯，他在1823年撰寫了這個理論。事實上，牛頓的一些同時代人已經提出過這個問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這個模型的第一篇。不管怎麼說，這是第一篇被廣泛注意到的文章。其困難在於，在一個無限靜止的宇宙中，幾乎每一道視線必須終結於某一顆恆星的表面。這樣，人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那麼明亮。奧勃斯反駁說，遠處恆星的光線會被它穿越過的物質吸收而減弱。然而如果真是如此，這介於其間的物質最終會被加熱到發出和恆星一樣強的光為止。可以避免整個天空像太陽那麼明亮的結論的惟一方法是，假定恆星並非永遠那麼明亮，而是在有限久的過去才開始發光。在這種情況下，吸光物質還沒加熱，或者遠處恆星的光線尚未到達我們這裡。這就使我們面臨着什麼是首次引起恆星發光的問題。
當然，宇宙開端的問題比這早很久就被討論過。根據一些早先的宇宙論和猶太教/基督教/穆斯林傳統，宇宙在有限的並非非常遙遠的過去的某個時刻啟始。對於這樣的一個開端，有一種論證是感到必須有「第一推動」來解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個事件解釋為由另一個更早的事件引起的，但是只有當宇宙存在某個開端時，才能用這種方法解釋它本身的存在。）聖·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出了另一種論證。他指出，文明在進步，我們將記住創造這些功績或發展技術的人們。這樣，人也許還有宇宙，不可能已經存在了那麼長的時間。聖·奧古斯丁根據《創世紀》一書，接受公元前5000年作為宇宙創生的時刻。（有趣的是，這和最近一個冰河時代的結束，大約公元前10000年相距不遠。考古學家告訴我們，文明實際上正是從那時開始的。）
另一方面，亞里士多德和其他大多數希臘哲學家不喜歡創生的思想，因為它帶有太多的神學干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經並將繼續永遠存在。古人已經考慮到上述文明進步的論點，用周期性洪水或其他災難的出現，使人類重複地回到文明的開初，來回答上面的詰難。
1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了里程碑般的（也是非常晦澀難懂的）著作——《純粹理性批判》。在這本書中，他深入地考察了關於宇宙在時間上是否有開端、在空間上是否有限的問題。他稱這些問題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因為他感到存在同樣令人信服的論據，來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。他對正命題的論證是：如果宇宙沒有一個開端，則任何事件之前必有無限的時間。他認為這是荒謬的。他對反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無限的時間，為何宇宙必須在某一特定的時刻開始呢？事實上，他對正命題和反命題用同樣的論證來辯護。它們都是基於他隱含的假設，即不管宇宙是否存在了無限久，時間均可無限地倒溯回去。我們將會看到，在宇宙開端之前時間概念是沒有意義的。這一點是聖·奧古斯丁首先指出的。當他被問及：「上帝在他創造宇宙之前做什麼？」奧古斯丁並沒有這樣回答：「他正為詰問這類問題的人準備地獄。」而是說時間是上帝創造的宇宙的一個性質，在宇宙開端之前不存在。
當大部分人深信一個本質上靜止不變的宇宙時，關於它有無開端的問題，實在是一個形而上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙以它似乎已經存在了無限久的樣子在某一個有限時刻起始的理論，我們可以同樣好地解釋所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個里程碑式的觀測，即不管你往哪個方向觀測，遠處的星系都正急速地飛離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味着，在早先的時刻星體更加相互靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以那時候宇宙的密度為無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國。
哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無限小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學定律並因此所有預見將來的能力都崩潰了。如果在此時刻之前有過一些事件，它們將不可能影響現在發生的東西。因為它們沒有任何觀測的後果，所以可不理睬其存在。由於更早的時間根本沒有定義，所以在這個意義上，人們可以說，時間在大爆炸時有一開端。必須強調的是，這個時間的開端和早先考慮的非常不同。在一個不變的宇宙中，時間的端點是必須由宇宙之外的存在物賦予的某種東西；宇宙的開端並沒有物理的必然性。人們可以想像上帝在過去從字面上說的任何時刻創生了宇宙，如果宇宙正在膨脹，那麼何以宇宙有一個開端似乎就有了物理的原因。人們仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬間創生宇宙，或者甚至在更晚的時刻，以使它看起來就像發生過大爆炸似的方式創生，但是設想在大爆炸之前創生宇宙是沒有意義的。大爆炸宇宙並沒有排斥造物主，只不過對他何時從事這工作加上限制而已！
為了談論宇宙的性質和討論諸如它是否存在啟始或終結的問題，你必須清楚什麼是科學理論。我將採用素樸的觀點，即理論只不過是宇宙或它的受限制的部分的模型，以及一套把這模型中的量和我們做的觀測相聯繫的規則。它只存在於我們的頭腦中，不再具有任何其他（不管在任何意義上）的實在性。一個好的理論必須滿足以下兩個要求：首先，這個理論必須能準確地描述大量的觀測——這些觀測是根據只包含少數任選的元素的模型所做出的；其次，這個理論能對未來觀測的結果作出明確的預言。例如，亞里士多德相信恩貝多克利的關於任何東西是由四元素即土、氣、火和水組成的理論，該理論是足夠簡單的了，但它沒有做出任何明確的預言。另一方面，牛頓的引力理論是基於甚至更為簡單的模型，在此模型中兩物體用一種力相互吸引，該力和被稱為它們質量的量成正比，並和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預言了太陽、月亮和行星的運動。
在只是一個假設的意義上來講，任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能證明它。不管多少回實驗的結果和某個理論相一致，你永遠不可能斷定下一次結果不和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個和理論預言不一致的觀測事實，即可證偽之。正如科學哲學家卡爾·波普強調的，一個好的理論的特徵是，它能給出許多在原則上可以被觀測否定或證偽的預言。每回觀察到與這預言相符的新的實驗，則這理論就存活，並且增加了我們對它的信任度；然而若有一個新的觀測與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。
這被認為是遲早總會發生的事，但是你總可以質疑實現該觀測的人員的能力。
在現實中經常發生的是，設計出的新理論實際上是原先理論的一個擴展。例如，非常精確地觀測水星，發現它的運動和牛頓引力理論預言之間有一個微小的差異。愛因斯坦的廣義相對論預言了和牛頓理論略微不同的運動。愛因斯坦的預言和觀測到的相符合，而牛頓理論做不到，這個事實是對這個新理論的一個關鍵的證實。然而在我們正常處理的情形下，牛頓理論和廣義相對論的預言之間差異非常小，所以為了所有實用的目的，我們仍然使用牛頓理論。（牛頓理論還有一個巨大的優點，用它計算比用愛因斯坦理論簡單多了！）
科學的終極目的是提供描述整個宇宙的單一的理論。然而，大多數科學家遵循的方法是把問題分成兩部分。首先，存在一些定律，這些定律告訴我們宇宙如何隨時間變化。（如果我們知道在任一時刻宇宙是什麼樣子的，這些定律就告訴我們它在未來任何時刻是什麼樣子的。）第二，存在宇宙初始狀態的問題。有些人覺得科學只應關心第一部分，他們將初始狀態的問題看作玄學或宗教的事體。他們會說，無所不能的上帝可以隨心所欲地啟始宇宙。那也許是真的，但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，似乎他選擇使宇宙以一種非常規則的，按照一定規律的方式演化。所以，看來可以同樣合理地假定，也存在着制約初始狀態的定律。
一蹴而就地設計一種能描述整個宇宙的理論，看來是非常困難的。相反，我們將這個問題分成許多小塊，並發明許多部分理論。每一部分理論描述和預言一定有限範圍的觀測，同時忽略其他量的效應或用簡單的一組數來代表。這方法可能全錯。如果宇宙中的每一件東西都以非常基本的方式依賴於其他的任何一件東西，用隔離法研究問題的部分也許不可能逼近其完全的答案。儘管如此，這肯定是我們在過去取得進展的方法。牛頓引力理論又是一個經典的例子，它告訴我們兩個物體之間的引力只取決於與每個物體相關的一個數——它的質量，而與物體由何物組成無關。這樣，人們不需要太陽和行星結構和成分的理論就可以計算它們的軌道。
今天，科學家按照兩個基本的部分理論——廣義相對論和量子力學來描述宇宙。它們是本世紀上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構，也就是從只有幾英里直到大至1億億億（1後面跟24個0）英里（1英里=1.609千米），即可觀測到的宇宙的尺度的結構。另一方面，量子力學處理極小尺度，例如萬億分之1英寸（1英寸=2.54厘米）的現象。然而可惜的是，這兩個理論不是相互協調的——它們不可能都對。當代物理學的一個主要的努力，以及本書的主題，即是尋求一個能將其合併在一起的新理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個理論，我們可能還有相當長的路要走，然而我們已經知道了這個理論所應具備的許多性質。在以下幾章，人們將會看到，我們對量子引力論所應有的預言已經知道得相當多。
現在，如果你相信宇宙不是任意的，而是被明確的定律制約的，你最終必須將這些部分理論合併成一個能描述宇宙中萬物的完整統一理論。然而，在尋求這樣的完整統一理論中有一個基本的矛盾。在前面概括的關於科學理論的思想中，假定我們是理性的生物，既可以隨心所欲地觀測宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案里可以合理地假設，我們可以越來越接近制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一個完整的統一理論，則它大概也將決定我們的行動。這樣，理論本身就決定了我們對之探索的結果！那麼為什麼它保證我們從證據得到正確的結論？難道它不也可以同樣地保證我們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？
對於這個問題，我所能給出的回答是基於達爾文的自然選擇原理。該思想說，在任何自繁殖的群體中，總是存在着不同個體在遺傳物質和發育上的變異。這些差異表明，某些個體比其他個體對它們周圍的世界更能引出正確的結論，並去適應它。這些個體更可能存活、繁殖，因此它們的行為和思維的模式將越來越起主導作用。以下這一點在過去肯定是真的，即我們稱之為智慧和科學發現的東西給我們帶來了存活的好處。這種情況是否仍會如此沒有這麼清楚：我們的科學發現可以輕易地毀滅我們的一切。即使不是這樣，一個完整的統一理論對於我們存活的機會不會有很大影響。然而，假定宇宙已經以規則的方式演化至今，我們可以預期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統一理論時仍然有效，並因此不會導致我們得到錯誤的結論。
因為，除了最極端的情況外，我們已有的部分理論足以對所有的一切作出精確的預言，所以，要為探索宇宙的終極理論尋找實用的理由，看來就非常困難了。（值得指出，雖然類似的論點在過去既可以用來反對相對論。又可以用來反對量子力學，但這些理論已給我們帶來了核能和微電子學的革命！）所以，發現一個完整的統一理論可能對我們種族的存活無助，甚至也不會影響我們的生活方式。然而自從文明開始以來，人們即不甘心於將事件看作互不相關不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序。今天我們仍然亟想知道，我們為何在此？我們從何而來？人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。而我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙作出完整的描述。
第二章
空間和時間
我們現在關於物體運動的觀念來自於伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說物體的自然狀態是靜止的，並且只有在受到力或衝擊的推動時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的將其拉向地球的力。
亞里士多德的傳統觀點還以為，人們依靠純粹思維即可以找出所有制約宇宙的定律：不必要用觀測去檢驗之。這樣，在伽利略之前，沒有一個人想看看不同重量的物體是否確實以不同速度下落。據說，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞里士多德的信念是錯的。這故事幾乎不足以信，但是伽利略的確做了一些等效的事——讓不同重量的球沿光滑的斜面上滾下。這情況類似於重物的垂直下落，只是因為速度小而更容易觀察而已。伽利略的測量指出，不管物體的重量多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，你在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上釋放1個球，則1秒鐘後球的速度為每秒1米，2秒鐘後為每秒2米，等等，而不管這個球多重。當然，一個鉛錘比一片羽毛下落得更快些，那只是因為空氣阻力將羽毛的速度降低。如果一個人釋放兩個不受任何空氣阻力的物體，例如兩個不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。在沒有空氣阻礙東西下落的月球上，航天員大衛，斯各特進行了羽毛和鉛錘實驗，並且發現兩者確實同時落到月面上。
牛頓把伽利略的測量當做他的運動定律的基礎。在伽利略的實驗中，當物體從斜坡上滾下時，它一直受到不變外力（它的重量）的作用，其效應是使它恆定地加速。這表明，力的真正效應總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運動。同時，它還意味着，只要物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。這一思想首次在牛頓於1687年出版的《數學原理》（即《自然哲學的數學原理》，下同——編者注）一書中明白地陳述出來，並被稱為牛頓第一定律。牛頓第二定律給出物體在受力時發生的現象：物體在被加速或改變其速度時，其改變率與所受的外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質量（或物質的量）越大，則加速度越小（以同樣的力作用於具有兩倍質量的物體時只產生一半的加速度）。小汽車可提供一個熟知的例子，發動機的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對於同樣的發動機，則加速度越小。除了他的運動定律，牛頓還發現了描述引力的定律：任何兩個物體都相互吸引，其引力大小與每個物體的質量成比例。於是，如果其中一個物體（例如A）的質量加倍，則兩個物體之間的引力加倍。這是你能預料得到的，因為新的物體A可看成兩個具有原先質量的物體，每一個用原先的力來吸引物體B，所以A和B之間的總力加倍。而如果，比如說，其中一個物體質量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6倍。現在人們可以看到，為何落體總以同樣的速率下降：具有兩倍重量的物體受到將其向下拉的兩倍的引力，但它的質量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個效應剛好相互抵消，所以在所有情形下加速度都是相同的。
牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠，則引力越小。牛頓引力定律講，一個恆星的引力只是一個類似恆星在距離小一半時的引力的1/4。這個定律極其精確地預言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律中恆星的萬有引力隨距離減小或者增大得快一些，則行星軌道不再是橢圓的了，它們就會以螺旋線的形狀要麼盤旋到太陽上去，要麼從太陽逃逸。
亞里士多德和伽利略-牛頓觀念的巨大差別在於，亞里士多德相信一個優越的靜止狀態，任何沒有受到外力和衝擊的物體都取這種狀態。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律可以推斷，並不存在惟一的靜止標準。人們可以講，物體A靜止而物體B以不變的速度相對於物體A運動，或物體B靜止而物體A運動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時不理睬地球的自轉和它圍繞太陽的公轉，則可以講地球是靜止的，一輛有軌電車以每小時30英里的速度向東運動，或有軌電車是靜止的，而地球以每小時30英里的速度向西運動。如果一個人在有軌電車上做運動物體的實驗，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在有軌電車上打乒乓球，人們將會發現，正如在鐵軌旁一張台桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無法得知究竟是火車還是地球在運動。
缺乏靜止的絕對標準意味着，人們不能確定，在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的相同位置上。例如，假定在有軌電車上我們的乒乓球直上直下地彈跳，在1秒鐘前後兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳似乎發生在大約相距13米的不同的位置上，因為在這兩回彈跳的時間間隔里，有軌電車已在鐵軌上走了這麼遠。
這樣，不存在絕對靜止意味着不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個絕對的空間位置。事件的位置以及它們之間的距離對於在有軌電車上和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的立場比別人的更優越。
牛頓對不存在絕對位置或所謂絕對空間非常憂慮，因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使他的定律隱含着絕對空間的不存在，他也拒絕接受。因為這個非理性的信仰，他受到許多人的嚴厲批評，其中最有名的是貝克萊主教。他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。當人們將貝克萊的見解告訴著名的約翰遜博士時，他用腳趾踢到一塊大石頭上，並大叫道：「我要這樣駁斥它！」
亞里士多德和牛頓都相信絕對時間。也就是說，他們相信人們可以毫不含糊地測量兩個事件之間的時間間隔，只要用好的鐘，不管誰去測量，這個時間都是一樣的。時間相對於空間是完全分離並且獨立的。這就是大部分人當作常識的觀點。然而，我們必須改變這種關於空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運動甚慢的諸如蘋果、行星的問題，但在處理以光速或接近光速運動的物體時卻根本無效。
1676年，丹麥的天文學家歐爾·克里斯琴森·羅默第一次發現了，光以有限但非常高的速度旅行的事實。他觀察到，木星的衛星不是以等時間間隔從木星背後出來，不像如果衛星以不變速度圍繞木星運動時，人們會預料的那樣。當地球和木星都圍繞着太陽公轉時，它們之間的距離在變化着。羅默注意到，我們離木星越遠則木星的月食出現得越晚。他論證道，因為當我們離開更遠時，光從木星衛星那裡要花更長的時間才能達到我們這裡。然而，他測得的木星到地球的距離變化不是非常準確，與現在的每秒186000英里的值相比較，那麼他所測的光速的數值為每秒140000英里。儘管如此，羅默不僅證明了光以有限速度行進，並且測量了那個速度，他的成就是卓越的——要知道，這一切都是在牛頓發表《數學原理》之前1
1年做出的。
直到1865年，當英國的物理學家詹姆斯·麥克斯韋成功地將直到當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以後，才有了光傳播的正確的理論。麥克斯韋方程預言，在合併的電磁場中可以存在波動的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣行進。如果這些波的波長（兩個相鄰波峰之間的距離）為1米或更長一些，它們就是我們所謂的射電波。更短波長的波稱做微波（幾厘米）或紅外線（長於萬分之一厘米）。可見光的波長在一百萬分之四十至一百萬分之八十厘米之間。更短的波長被稱為紫外線、X射線和伽馬射線。
麥克斯韋理論預言，射電波或光波應以某一固定的速度行進。但是牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，所以如果假定光以固定的速度行進，人們就必須說清這固定的速度是相對於何物來測量的。因此有人提出，存在着一種無所不在的稱為「以太」的物質，甚至在「真空的」空間中也是如此。正如聲波在空氣中行進一樣，光波應該通過以太行進，所以它們的速度應是相對於以太而言的。相對於以太運動的不同觀察者，會看到光以不同的速度沖他們而來，但是光對以太的速度保持不變。特別是當地球在它圍繞太陽的軌道穿過以太時，在地球通過以太運動的方向測量的光速（當我們對光源運動時）應該大於在與運動垂直方向測量的光速（當我們不對光源運動時）。1887年，阿爾伯特·邁克耳孫（他後來成為美國第一位諾貝爾物理學獎獲得者）和愛德華·莫雷在克里夫蘭的凱思應用科學學校進行了一個非常仔細的實驗。他們將沿地球運動方向以及垂直於此方向的光速進行比較。使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！
在1887年至1905年之間，最著名者為荷蘭物理學家亨得利克·洛倫茲做出的。然而，一位迄至當時還默默無名的瑞士專利局的職員阿爾伯特·愛因斯坦，在1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們願意拋棄絕對時間觀念的話，整個以太的觀念則是多餘的。幾個星期之後，法國第一流的數學家亨利·龐加萊也提出類似的觀點。愛因斯坦的論證比龐加萊的論證更接近物理，後者將其考慮為數學問題。通常這個新理論歸功於愛因斯坦，但人們不會忘記龐加萊的名字在其中起了重要的作用。
這個被稱為相對論的基本假設是，不管觀察者以任何速度作自由運動，相對於他們而言，科學定律都應該是一樣的。這對於牛頓的運動定律當然是對的，但是現在這個觀念被擴展到包括麥克斯韋理論和光速：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E=mc2來表達（E是能量，m是質量，c是光速），以及沒有任何東西可能行進得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動具有的能量應該加到它的質量上去。換言之，要加速它將更為困難。這個效應只有當物體以接近於光速的速度運動時才有實際的意義。例如，以10%光速運動的物體的質量只比原先增加了0.5%，而以90%光速運動的物體，其質量變得比正常質量的2倍還多。當一個物體接近光速時，它的質量上升得越來越快，這樣它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而根據質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限制了物體運動的速度：任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動，只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。
相對論的一個同等非凡的推論是，它變革了我們空間和時間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈衝從一處發到另一處，（由於時間是絕對的）不同的觀測者對這個行程所花的時間不會有異議，但是（因為空間不是絕對的）他們在光行進的距離上不會總取得一致的意見。由於光速正是它行進過的距離除以花費的時間，不同的觀察者就測量到不同的光速。另一方面，在相對論中，所有的觀察者必須在光以多快速度行進上取得一致意見。然而，在光行進過多遠的距離上，他們仍然不能取得一致意見。因此，現在他們對光要花費多少時間上應該也不會取得一致意見。（花費的時間正是用光速——對這一點所有的觀察者都意見一致——去除光行進過的距離——對這一點他們意見不一致。）換言之，相對論終結了絕對時間的觀念！看來每個觀察者都一定有他自己的時間測度，這是用他自己所攜帶的鐘記錄的，而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數不必要一致。