第1章
作者：史蒂芬·霍金
譯者：許明賢、吳忠超譯
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宇宙論是一門既古老又年輕的學科。作爲宇宙裏高等生物的人類不會滿足於自身的生存和種族的綿延，還一代代不懈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——托勒密的地心說到哥白尼——伽利略的日心說的演化就花了2000年的時間。令人喫驚的是，儘管人們知道世間的一切都在運動，只是到了本世紀20年代因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。人們甚至從來沒有想到過宇宙還會演化。牛頓的萬有引力定律表明，宇宙的物質在引力作用下不可能處於穩定的狀態。即使在愛因斯坦的廣義相對論中，情況也好不到哪兒去，爲了得到一個穩定的宇宙模型，他曾將宇宙常數引進理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩定的宇宙模型。可見，宇宙演化的觀念並不是產生於這些天才的頭腦之中。
可以公平的說，哈勃的觀測標誌着現代宇宙論的誕生。哈勃發現，從星系光譜的紅移可以推斷，越遠的星系以越快的速度離開我們而去，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200億年前曾經發生過一樁開天闢地的大事件，即宇宙從一個極其緊緻、極熱的狀態中大爆炸而產生。伽莫夫在1948年發表的一篇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左右，在這種溫度下，輻射是處於微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之前，人們並不認真對待此預言。
一般認爲，愛因斯坦的廣義相對論是用於描述宇宙演化的正確的理論。在經典廣義相對論的框架裏，霍金和彭羅斯證明了，在很一般的條件下，空間——時間一定存在奇點，最著名的奇點即是黑洞裏的奇點以及宇宙大爆炸處的奇點。在奇點處，所有定律以及可預見性都失效。奇點可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點處的邊界條件，才能由愛因斯坦方程得到宇宙的演化。由於邊界條件只能由宇宙外的造物主所給定，所以宇宙的命運就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動問題。
如果空間——時間沒有邊界，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。霍金認爲宇宙的量子態是處於一種基態，空間——時間可看成一有限無界的四維面，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可歸結於量子力學的測不準原理所允許的最小起伏。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、恆星等等的成團結構，大尺度的各向同性和均勻性，空間——時間的平性，即空間——時間基本上是平坦的，並因此才使得星系乃至生命的發展成爲可能，還有時間的方向箭頭等等。霍金的量子宇宙論的意義在於它真正使宇宙論成爲一門成熟的科學，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論家。70年代他和彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，爲此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。他還證明了黑洞的面積定理，即隨着時間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學的熵聯繫在一起。1973年，他考慮黑洞附近的量子效應，發現黑洞會像黑體一樣發出輻射，其輻射的溫度和黑洞質量成反比，這樣黑洞就會因爲輻射而慢慢變小，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板其基本的意義，它將引力、量子力學和統計力學統一在一起。
1974年以後，他的研究轉向量子引力論。雖然人們還沒有得到一個成功的理論，但它的一些特徵已被發現。例如，空間——時間在普郎克尺度（10-33釐米）下不是平坦的，而是處於一種泡沫的狀態。在量子引力中不存在純態，因果性受到破壞，因此使不可知性從經典統計物理、量子統計物理提高到了量子引力的第三個層次。
1980年以後，他的興趣轉向量子宇宙論。
本書的副題是從大爆炸到黑洞。霍金認爲他一生的貢獻是，在經典物理的框架裏，證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性，黑洞越變越大；但在量子物理的框架裏，他指出，黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平，而且整個宇宙正是起始於此。
理論物理學的細節在未來的20年中還會有變化，但就觀念而言，現在已經相當完備了。
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，他的貢獻是在他20年之久被盧伽雷病禁錮在輪椅上的情況下做出的，這真正是空前的。因爲他的貢獻對於人類的觀念有深遠的影響，所以媒介早已有許多關於他如何與全身癱瘓作搏鬥的描述。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。那是第一次參加劍橋霍金廣義相對論小組的討論班時，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喫驚，但是他對首次見到他的人對其殘廢程度的喫驚早已習慣。他要用很大努力才能舉起頭來。在失聲之前，只能用非常微弱的變形的語言交談，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喫桑葉般地逐頁閱讀。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。每天他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。該係爲了他的輪椅行走便利特地修了一段斜坡。
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爲崇高的教授職務，那是牛頓和狄拉克擔任過的盧卡遜數學教授。
本書譯者之一曾受教於霍金達四年之久，並在他的指導下完成了博士論文。此書即是受霍金之託而譯成中文，以供占人類五分之一的人口瞭解他的學說。
——許明賢吳忠超
第一章我們的宇宙圖像
一位著名的科學家（據說是貝特郎·羅素）曾經作過一次關於天文學方面的講演。他描述了地球如何繞着太陽運動，以及太陽又是如何繞着我們稱之爲星系的巨大的恆星羣的中心轉動。演講結束之時，一位坐在房間後排的矮個老婦人站起來說道：“你說的這些都是廢話。這個世界實際上是馱在一隻大烏龜的背上的一塊平板。”這位科學家很有教養地微笑着答道：“那麼這隻烏龜是站在什麼上面的呢？”“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羣啊！”
大部分人會覺得，把我們的宇宙喻爲一個無限的烏龜塔相當荒謬，可是爲什麼我們自以爲知道得更多一些呢？我們對宇宙瞭解了多少？而我們又是怎樣才知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在這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？在物理學上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術得以實現，從而對於回答這些長期以來懸而未決問題中的某些問題有所啓發。也許有一天這些答案會像我們認爲地球繞着太陽運動那樣顯而易見——當然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時間來判斷了。
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，就已經能夠對於地球是一個圓球而不是一塊平板這一論點提出兩個很好的論據。第一，他認爲月食是由於地球運行到太陽與月亮之間而造成的。地球在月亮上的影子總是圓的，這隻有在地球本身爲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之下的時候，否則地球的影子就會被拉長而成爲橢圓。
第二，希臘人從旅行中知道，在越往南的地區看星空，北極星則顯得越靠近地平線。（因爲北極星位於北極的正上方，所以它出現在處於北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的觀察者，北極星顯得剛好在地平線上。）根據北極星在埃及和在希臘呈現出來的位置的差別，亞里士多德甚至估計地球大圓長度爲400斯特迪亞。現在不能準確地知道，一個斯特迪亞的長度究竟是多少，但也許是200（1碼=米）碼左右，這樣就使得亞里士多德的估計爲現在所接受數值的兩倍。希臘人甚至爲地球是球形提供了第三個論據，否則何以從地平線外駛來的船總是先露出船帆，然後纔是船身？
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