感谢
1982๐年我在哈佛作过洛伊伯loebຘ演讲之后，决定尝试写一本关于空间和时间的通俗读物。从像史蒂芬·温伯格《最初三分钟》那ว么好的，到เ那ว些甚至我都不想点名的差ๆ劲的，关于早期宇宙和黑洞的书已๐经出版了可观的数量。然而，我觉得它们之中ณ的任何一本都未真正提到เ那ว些导致我研究宇宙学和量子理论的动机的问题：宇宙从何而来？它为什么，井怎么เ样开始的？它会有末日吗？如果有的话，会生什么？这些是我们大家都感兴趣的问题。但是现代科学变得如此之技术化，以至于仅有极少数的专家能掌握解释这些问题所用到เ的数学。不过关于宇宙的起源和命运的基本概ฐ念则可以离开数学，以一种没有受过科学训练的人也能ม理解的形式来加以陈述。这就是我在这本书里试图要做的，是否成功则ท要由读者判ศ断ษ了。
有人告诉我，我放在书中ณ的每一个方程都会使本书的销售量减半，为此我决定一个方程也不用。然而，在最后我确实用了一个ฐ方程，即爱因斯坦著名的方แ程e＝mc＾2๐，我希望这个ฐ方แ程不会吓跑一半我的潜在读者。
除了够倒霉地得了卢伽雷即运动神经细胞的病外，我几乎ๆ在其他每个ฐ方面都是幸运儿。我从我的妻子筒、我的孩子罗伯特、露西和梯米那儿得到的帮助和支持，使我能有一个ฐ相当正常的生活和成功的事业。我选择了理论物理是又一大幸，因为ฦ它是整个ฐ用脑进行的。所以我的瘫痪并没有成为一个严重的障碍。我的科学同事无一例外地都是非常乐่于助人的。
在我生涯的第一个ฐ“经典”相期间，我主要的合作者及助手有罗杰·彭罗斯、罗伯特·格罗许、布兰登·卡特和乔๒治·埃里斯。我对他们给予我的帮助以及我们一起做的工作深表感谢。这一相被概ฐ括为ฦ我和埃里斯合写于197๕3๑年的《空间时间的大尺度结构》一书中。我并不主张本书的读者去啃那本书来获得进一步的了解：它是高度技术性的，很难读通。我希望从写了那ว本书之后我懂ฦ得了用何种写法才能容易被理解。
在我的工ื作的第二个ฐ“量子”相期间，从197๕4年起我主要的合作者是盖瑞·吉朋斯ั、当·佩奇和詹姆·哈特尔。我欠了他们和我的学生们很多情。他们不仅在身体上，而且在理论上都给了我极大的帮助。保持和我的学生相处在一起是一个巨大的激励，同时我希望这能帮助我免于因循守旧ງ。
就这本书而言，我从我的一个学生布里安·维特那ว儿得到许多帮助。198๖5๓年我在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿气管的手术。这个手术使我丧ç失了说话的能ม力，从而使我几乎无法和人交谈。我想可能ม完成不了这本书了。然而，布里安不仅帮助我修改，还使我学会使用一个ฐ叫做“生活中ณ心”的通讯程序。这是由加利ำ福尼亚太阳谷峨而兹·帕拉斯公司的瓦特·沃尔托兹捐赠的，我可以用它写书和写论文，并用语言合成器对人讲话。这合成器也是由加利福尼亚太阳谷的语言及其他公司捐赠的。语言合成器和一个小型的个人计算机由大卫·梅森装ณ在我的轮椅上。这个系统使我有了巨เ大的变化：实际上我现在能ม够通讯得比我失声之前还要好。
我从大量看过最初ม稿的人那ว儿得到เ如何改进此书的建议，特别是我的拜泰姆书社的编辑彼得·古查底送给我厚厚的一迭关于他觉得我还没有适当说清楚的地方แ的评语和疑问。我必须ี承认。当我收到他长长的要修改的地方แ的清单时相当恼火。可是，他是完全对的。我相信在他的酷使下，最终使这本书变得更好。
我非常感谢我的助手柯林·威廉斯ั、大卫·托玛斯和雷蒙·拉夫勒蒙；我的秘书朱迪·费拉、安·若尔夫、谢锐尔·比林顿ู和舒·马赛以及我的hushi班。若没有龚维尔和凯尔斯学院、科学工ื程研究协会、赖佛荷尔姆、马克阿瑟、纳菲尔德及若尔夫·斯密斯基金会所的我的研究和医药费用，所有这一切都是不可能的。对此谨表谢意。
——史蒂芬·霍金导言
我们在几乎ๆ对世界毫无了解的情形下进行日常生活。我们对于使生命得以实现的阳光的产生机制，对于将我们束缚在地球上，否则ท我们就会以涡旋的轨道被抛到太空去的重力，对于我们由之构成并依赖其稳定性的原子思考得很少。除了小孩他们知道太少，会不知轻重地问重要的问题，我们中ณ很少人会用大量时间惊讶自然界ศ为ฦ何这个样子；宇宙从何而来或它是否总在这儿；时间会不会有朝一日倒流，并因此导致果先于因；或者人类认识是否有一最终的权限。甚至我曾遇到一些小孩，他们想要知道黑洞是什么样的？物质的最小的部ຖ份是什么？为ฦ何我们记住过去而不是将来；如果早先是紊ฐ乱ກ的，则ท今天显然是有序的，这究竟是怎么回事？为ฦ何存在一个ฐ宇宙？
在我们社ุ会里，父母或老师仍然依惯例用耸肩膀或借助模糊回想起的宗教格言去回答这些问题的大部份。有一些人则ท对这一类的问题感到เ不舒服，因为它们如此生动地暴露了人类理解的局限性。
但是，哲学和科学的大部份即是由这种好奇心所驱动的。越来越多的成年人愿意问这类问题，并且他们偶尔得到เ一些使其惊奇的答案。我们这些离开原子和恒星同样远的人类，正在扩大自己探索ิ的视野去拥抱这非常小和非常大的对象。
197๕4๒年初，大约在海ร盗空间飞船登陆火星之前两ä年，我参加在英国由伦敦皇家学会主ว办的关于探索如何寻找天外生命的会议。
在会议中ณ间休息时，我注意到在隔壁的大厅里正举行一个更大得多的会议，出于好奇心我进去了。我很快意识到自己见证了一个ฐ古代的仪式，是一个ฐ新า会员参加皇家学会——这个本行星上最古老的学术组织的授职式。前排一位在轮椅中ณ的年轻人正非常缓慢地将他的名字签在一本书上，而这本书的最前页是伊萨克·牛顿ู的签名。当他最后签好时，大厅里响起了一阵响亮的掌声。史蒂芬·霍金，甚至在那时就是一位传说中的人物。
现在霍金是剑桥大学的卢卡逊数学教授。这个职务曾为ฦ牛顿，后来又为ฦ狄拉克，这两位非常大和非常小的世界的有名的探索者担任过。他是他们的毫不逊色的继承人。这本霍金次为非专家写的书，会给外行读者以多种类的酬劳。和这本书的广泛的内容一样有趣的是对作者智力工ื作的浏览。物理、天文、宇宙学和勇气的前沿被清晰地呈现在本书之中ณ。
这又是一本关于上帝ຓ……或许是关于上帝不存在的书。处处充满了上帝这个字眼。霍金着手回答爱因斯ั坦著名的关于上帝ຓ在创น生宇宙时有无选择性的问题。正如霍金明白声称的，他企图要去理解上帝的精神。这使得迄今所有努力的结论更加出人意外：一个ฐ空间上无边缘、时间上无始无终、并且造物主无所事事的宇宙。
——卡尔·沙冈
康奈尔大学
绮色佳，纽约州ะ
第一章我们的宇宙图象
一位著名的科学家据说是贝特郎·罗素า曾经作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨เ大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道：“那么这只乌龟是站在什么เ上面的呢？”“你很聪明，年轻人，的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊！”
大部ຖ分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个ฐ无限的乌ไ龟塔相当荒谬，可是为ฦ什么เ我们自以为ฦ知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前生了什么เ？时间的本质是什么เ？它会有一个ฐ终结吗？在物理学上的一些最新า突破，使一部ຖ分奇妙的新技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那ว样显而易见——当然也可能像乌ไ龟塔那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。
早ຉ在公元前3๑40年，希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中ณ，就已经能够对于地球是一个ฐ圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一，他认为ฦ月食是由á于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月食总是生在太阳正好位于这个ฐ圆盘中ณ心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊ຘ人从旅行中ณ知道，在越往南的地区看星空，北极星则ท显得越靠近地平线。因为北极星位于北极的正上方แ，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线上。根据北极星在埃及和在希腊ຘ呈现出来的位置的差别ี，亚里士多德甚至估计地球大圆长度为4๒00斯特迪亚。现在不能准确地知道，一个ฐ斯ั特迪亚的长度究竟是多少，但也许是200่码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受数值的两ä倍。希腊人甚至为地球是球形了第三个论据，否则何以从地平线外驶来的船总是先露出船帆，然后才是船身？
亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些，是由于神秘的原因，他感到เ地球是宇宙的中ณ心，而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中ณ心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别ี负载着月亮、太阳、恒星和五个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星图11้。这些行星被认为ฦ是沿着附在相应天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到เ的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋๙转。最后一层天球之ใ外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇宙的部ຖ分。
图11้从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、金星球、太阳球、火星球、木星球、土星球和固定恒星球。最中ณ心为ฦ地球。
托勒密模型为预ไ言天体在天空的位置了相当精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个ฐ瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为ฦ与《圣经》相一致的宇宙图象。这是因为它具有巨大的优点，即在固定恒星天球之ใ外为天堂和地狱留แ下了很多地方。
然而，1514๒年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。起初，可能ม由于害怕教会对异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。他的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个ฐ世纪以后，他的观念才被认真地接受。后来，两ä位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利ำ的伽利雷·伽利ำ略๓开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预ไ言的轨道还不能完全与观测相符合。直到1609年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那ว一年，伽利略用刚ธ明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。同时，开普勒修正了哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆椭圆是被拉长的圆运动，从而使预言最终和观察相互一致了。
就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那ว么完美。虽然他几乎是偶然地现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思想相互调和起来。对这一切解释是晚得多的事，那是由á于168๖7年伊萨克·牛顿ู爵士出版了他的《数学的自然哲学原理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿ู不但提出物体如何在空间和时间中ณ运动的理论，并且展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外，牛顿提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中ณ的任一物体都被另外物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之ใ间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上的力。由于一个苹果落到เ牛顿ู的头上而使他得到灵感的故事，几乎ๆ肯定是不足凭信的。所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到เ了万有引力的思想。牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。
哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。“固定恒星”除了由á于地球绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改变它们的位置，很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳类似的物体，只是比太阳离开我们远得多了。
按照他的引力理论，牛顿意识到เ恒星应该相互吸引，看来它们不能保持基本上不动。那ว么เ它们会一起落到某处去吗？在16๔91年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他论证道，如果只有有限颗恒星分布在一个有限的空间区域里，这确实是会生的。但是另一方面，他推断如果存在无限多颗恒星，多少均匀地分布于无限的空间，这种情形就不会生，因为ฦ这时不存在任何一个ฐ它们落去的中ณ心点。
当人们议论到无穷时，这种论证是你会遭遇到เ的一种陷阱。在一个无限的宇宙，每一点都可以认为是中ณ心，因为在它的每一边都有无限颗恒星。正确的方แ法是很久以后才被意识到เ的，即是先考虑有限的情形，这时所有恒星都相互落到เ一起，然后在这个区域以外，大体均匀地加上更多的恒星，看情况会如何改变。按照牛顿定律，这额外的恒星平均地讲对原先的那些根本没有什么影响，所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道，由于引力总是吸引的，不可能存在一个ฐ无限的静态的宇宙模型。
在20世纪之前从未有人暗示ิ过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创น生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。
甚至那ว些意识到牛顿ู的引力理论导致宇宙不可能静止的人，也没有想到提出宇宙可能ม是在膨胀。相反的，他们试图修正理论，使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗恒星的分布保持平衡——邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的平衡是不稳定的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并过斥力的作用，这样这些恒星就会继续落到เ一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些，斥力就起主导作用，并驱使它们离得更开。
另一个ฐ反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯ั，1้8๖2๐3年他表了这个理论。事实上，牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇。不管怎么说，这是第一篇被广泛注意的文章。这无限静止模型的困难，在于几乎每一道视线必须ี终结于某一恒星的表面。这样，人们可以预ไ料é，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那ว么明亮。奥勃斯反驳说，远处恒星的光线由于被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此，这相干的物质将会最终被加热到出和恒星一样强的光为ฦ止。唯一的能避免整个天空像太阳那么เ亮的结论的方法是，假定恒星并不是永远那么เ亮，而是在有限久ื的过去才开始光。这种情况下，吸光物质还没加热，或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临ภ着是什么次使恒星光的问题。
当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人／基督教／穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这样一个开端，有一种议论是感到必须ี有“第一原因”来解释宇宙的存在。在宇宙中ณ，你总可以将一个ฐ事件解释为由于另一个更早ຉ的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有当存在某个ฐ开端时才能ม被解释。另一种论证是圣·奥古斯ั丁在他的《上帝之ใ城》的著作中ณ提出的。他指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和展技术的人们。这样人，也许宇宙，不可能已๐经存在了太长的时间。圣·奥古斯ั丁根据《创世纪》一书，接受公元前5๓000年作为ฦ宇宙的被创生的时间。有趣的是，这和上一次的冰河时间的结束，大约公元前1
年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那ว时开始的。
另一方แ面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他们相信，人类及其周围的世界已๐经并且将继续永远存在。古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期性洪水或其他灾难的重复出现，使人类回到文明的开初ม，来回答上面的话难。
178๖1้年，哲学家伊曼努尔·康德表了里程碑般的也是非常模糊的著作——《纯粹理性批判ศ》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为ฦ纯粹理性的二律背反也就是矛盾。因为ฦ他感到เ存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已๐经存在无限久的反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个ฐ开端，则任何事件之ใ前必有无限的时间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须ี在某一特定的时刻๑开始呢？事实上，他对正命题和反命题用了同样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·奥古斯丁先指出的。当他被问及：上帝ຓ在创造宇宙之ใ前做什么เ？奥古斯丁没有这样地回答：他正为ฦ问这类问题的人准备地狱。而是说：时间是上帝ຓ所创造的宇宙的一个ฐ性质，在宇宙开端之前不存在。
当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一个ฐ形而上学或神学的问题。按照ั宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时刻，以给人的印象似乎ๆ是已经存在了无限久的样子启动的理论，我们可以同样很好地解释所观察到的事实。但在1้929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的观测，即是不管你往那ว个方แ向看，远处的星系正急地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎ๆ在大约1้00่亿至200亿年之ใ前的某一时刻，它们刚好在同一地方แ，所以那ว时候宇宙的密度无限大。这个现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。
哈勃的现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧ู密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻๑之前有过些事件，它们将不可能影响现在所生的一切。所以我们可以不理它们，因为它们并没有可观测的后果。由于更早ຉ的时间根本没有定义，所以在这个ฐ意义上人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中ณ，时间的端点必须ี由宇宙之ใ外的存在物所赋予；宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝ຓ在过去的任何时刻创造宇宙。另一方แ面，如果宇宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像生过大爆炸似的方式创造，但是设想在大爆炸之ใ前创น造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥ม造物主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已๐！
为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么เ是科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制ๆ的一部分的模型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑แ中，不管在任何意义上不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个ฐ要求，就算是好的理论：它必须在只包含一些任意元素า的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来观测的结果作出确定的预ไ言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了，但它没有做出任何确定的预ไ言。另一方面，牛顿ู的引力理论是基于甚至更为ฦ简单的模型，在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之ใ为ฦ质量的量成正比，并和它们之ใ间的距离的平方แ成反比。然而，它以很高的精确性预ไ言了太阳、月亮和行星的运动。
在它只是假设的意义แ上来讲，任何物理理论总是临ภ时性的：你永远不可能ม将它证明。不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方แ面，哪怕你只要找到เ一个和理论预ไ言不一致的观测事实，即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波帕所强调的，一个ฐ好的理论的特征是，它能ม给出许多原则上可以被观测所否定或证伪的预ไ言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则ท这理论就幸存，并且增加了我们对它的可信度；然而若有一个ฐ新า的观测与之ใ不符，则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为ฦ这迟早总会生的，问题在于人们有无才干去实现这样的观测。
实际上经常生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非常精确的观测揭露了它的运动和牛顿理论预ไ言之ใ间的很小差ๆ异。爱因斯ั坦的广义相对论所预ไ言的运动和牛顿ู理论略有不同。爱因斯ั坦的预言和观测相符，而牛顿的预言与观测不相符，这一事实是这个新า理论的一个ฐ关键证据。然而我们在大部ຖ分实际情况下仍用牛顿ู理论，因为在我们通常处理的情形下，两ä者差别非常小。牛顿ู理论的另一个巨大的优点在于，它比爱因斯ั坦理论容易处理得多！
科学的终极目的在于一个简单的理论去描述整个ฐ宇宙。然而，大部分科学家遵循的方法是将这问题分成两部分。先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则ท这些定律即能ม告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。第二，关于宇宙初ม始状态的问题。有些人认为ฦ科学只应过问第一部ຖ分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能ม的上帝ຓ可以随心所欲地启动这个ฐ宇宙。也许是这样。但是，倘若那ว样，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照ั一定规律的方式演化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。
毕全功于一役地设计一种能ม描述整个ฐ宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们是将这问题分成许多小块，并明许多部分理论。每一部ຖ分理论描述和预ไ言一定有限范围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之ใ。可能这方法是全错的。如果宇宙中ณ的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西，很可能不能ม用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进展所用的方แ法。牛顿ู引力理论又是一个ฐ经典的例子，它告诉我们两ä个物体之ใ间的引力只决定于与每个物体相关的一个ฐ数——它的质量；而与物体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨道。
今天科学家按照ั两ä个基本的部分理论——广义แ相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义แ相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿1后面跟24๒个ฐ0英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之ใ一英寸。然而，可惜的是，这两ä个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个ฐ主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论，要获得这个ฐ理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了这个ฐ理论所应具备的许多性质。在以下几章，人们将会看到เ，我们已๐经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。
现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制ๆ约的，你最终必须ี将这些部ຖ分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们是有理性的生物，既ຂ可以随意自由á地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制ๆ约我们宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之探索的结果！那ว么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论？它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗？或者根本没有结论？
对于这个ฐ问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体中，存在有不同个体在遗传物质和育上的变异。这些差异表明，某些个ฐ体比其他个体对周围的世界ศ更能引出正确的结论，并去适应它。这些个ฐ体更可能存活、繁殖，因此它们的行为ฦ和思维的模式将越来越起主ว导作用。这一点在过去肯定是真的，即我们称之为智慧和科学现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会如此不是很清楚：我们的科学现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而，假定宇宙已๐经以规则的方แ式演化至今，我们可以预期，自然选择赋予我们的推理能力在探索ิ完整统一理论时仍然有效，并因此不会导致我们得到错误的结论。
因为除了最极端的情况外，我们已๐有了对所有一切都足够给出精确的预ไ言的部分理论，看来很难以现实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。值得指出，虽然可用类似的论点来攻击相对论和量子力学，但这些理论已给我们带来了核能ม和微电子学的革命！所以，一套完整的统一理论的现可能对我们种族的存活无助，甚至也不会影响我们的生活方แ式。然而自从文明开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理解的。他们渴求理解世界ศ的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为ฦ何在此？我们从何而来？人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索ิ正当的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。第二章空间和时间
我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略๓和牛顿。在他们之ใ前，人们相信亚里士多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到เ力或冲击作用时才运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。
亚里士多德的传统观点还以为ฦ，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。所以，伽利ำ略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不同度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。这故事几乎ๆ不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光滑的斜ฒ面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为度小而更容易观察而已๐。伽利ำ略的测量指出，不管物体的重量是多少，其度增加的率是一样的。例如，在一个沿水平方แ向每走10่米即下降1米的斜面上，你释放一个ฐ球，则1秒钟后球的度为每秒1米，2秒钟后为ฦ每秒2๐米等等，而不管这个球有多重。当然，一个ฐ铅锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一个人释放两ä个ฐ不遭受任何空气阻力的物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样度下降。
伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中ณ，当物体从斜ฒ坡上滚下时，它一直受到เ不变的外力它的重量，其效应是它被恒定地加。这表明，力的真正效应总是改变物体的度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之ใ运动。同时，它还意味着，只要一个ฐ物体没有受到外力，它就会以同样的度保持直线运动。这个思想是第一次被牛顿在1้6๔87๕年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为ฦ牛顿第一定律。物体受力时生的现象则由牛顿ู第二定律所给出：物体被加或改变其度时，其改变率与所受外力成比例。例如，如果力加倍，则ท加度也将加倍。物体的质量或物质的量越大，则加度越小，以同样的力作用于具有两ä倍质量的物体则只产生一半的加度。小汽车可一个熟知的例子，动机的功率越大，则加度越大，但是小汽车越重，则对同样的动机加度越小。
除了他的运动定律，牛顿ู还现了描述引力的定律：任何两ä个ฐ物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的质量成正比。这样，如果其中一个ฐ物体例如a的质量加倍，则ท两个物体之间的引力加倍。这是你能预ไ料é得到เ的，因为ฦ新的物体a可看成两个具有原先质量的物体，每一个用原先的力来吸引物体B，所以a和B之间的总力加倍。其中ณ一个ฐ物体质量大到原先的2倍，另一物体大到เ3๑倍，则引力就大到6๔倍。现在人们可以看到，何以落体总以同样的率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力，但它的质量也大到เ两倍。按照ั牛顿第二定律，这两ä个效应刚ธ好互相抵消，所以在所有情形下加度是同样的。
牛顿引力定律还告诉我们，物体之ใ间的距离越远，则ท引力越小。牛顿引力定律讲，一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4๒分之ใ1。这个ฐ定律极其精确地预ไ言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得比这还快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋๙线的形状盘旋到太阳上去。如果引力减小得更慢，则ท远处恒星的引力将会过地球的引力。
亚里士多德和伽利ำ略๓——牛顿观念的巨大差ๆ别在于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别ี是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一个ฐ静止的唯一标准。人们可以讲，物体aທ静止而物体B以不变的度相对于物体aທ运动，或物体B静止而物体a运动，这两ä种讲法是等价的。例如，我们暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之ใ一旁，则可以讲地球是静止的，一列火车以每小时9๗0่英哩的度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩的度向南运动。如果一个人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，在火车上打乓乒球，将会现，正如在铁ກ轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，所以无法得知是火车还是地球在运动。
缺乏็静止的绝对的标准表明，人们不能ม决定在不同时间生的两个事件是否生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓๑乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两ä次撞到เ桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳生在大约相距1้0่0米的不同的位置，因为在这两ä回弹跳的间隔时间里，火车已在铁ກ轨上走了这么远。这样，绝对静止的不存在意味着，不能ม像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理由á以为一个人的处境比他人更优越。
牛顿对绝对位置或被称为ฦ绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为ฦ这和他的绝对上帝的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。因为ฦ这个非理性的信仰，他受到เ许多人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个ฐ相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的见解告诉著名的约翰逊博士时，他用脚尖踢到一块大石头上，并大声地说：“我要这样驳斥ม它！”
亚里士多德和牛顿ู都相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量两个ฐ事件之间的时间间隔，只要用好的钟็，不管谁去测量，这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须ี改变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题，但在处理以光或接近光运动的物体时却根本无效。
光以有限但非常高的度传播的这一事实，由á丹麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗麦于1้676年第一次现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从木星背后出来，不像如果月亮以不变度绕木星运动时人们所预ไ料é的那样。当地球和木星都绕着太阳公转时，它们之间的距离在变化着。罗麦注意到เ我们离木星越’远则木星的月食出现得越晚。他的论点是，因为ฦ当我们离开更远时，光从木星月亮那ว儿要花更长的时间才能ม达到เ我们这儿。然而，他测量到เ的木星到เ地球的距离变化不是非常准确，所以他的光的数值为ฦ每秒14
英哩，而现在的值为每秒1860่00่英哩。尽管如此，罗麦不仅证明了光以有限度运动，并且测量了光，他的成就是卓越的——要知道，这一切都是在牛顿表《数学原理》之前1้1年进行的。
直到18๖6๔5๓年，当英国的物理学家詹姆士·马克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后，才有了光传播的真正的理论。马克斯ั韦方程预言，在合并的电磁场中ณ可以存在波动的微扰，它们以固定的度，正如池塘水面上的涟漪那样运动。如果这些波的波长两ä个ฐ波峰之间的距离为ฦ1米或更长一些，这就是我们所谓的无线电å波。更短波长的波被称做微波几个ฐ厘米或红外线长于万分之ใ一厘米。可见光的波长在百万分之ใ40到เ百万分之8๖0่厘米之ใ间。更短的波长被称为紫ใ外线、x射线和伽玛射线。
马克斯韦理论预ไ言，无线电波或光波应以某一固定的度运动。但是牛顿ู理论已经摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的度传播，人们必须说清这固定的度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中ณ也存在着一种无所不在的称为ฦ“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到เ光以不同的度冲他们而来，但是光对以太的度是不变的。特别ี是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过以太运动的方向测量的光当我们对光源运动时应该大于在与运动垂直方向测量的光当我们不对光源运动时。1887๕年，阿尔贝特·麦克尔逊后来成为美国第一个物理诺贝尔奖获得者和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方แ向以及垂直于此方向的光进行比较，使他们大为惊奇的是，他们现这两个光完全一样！