“克服了残疾而成为世界物理学界的超新星。他不能书写，甚至不能清楚地说话，但他正在超越大爆炸，跃向创造宇宙的‘几何之舞’。”

斯蒂芬·霍金作为剑桥大学卢卡斯数学教授，担任的是牛顿的教席。他是名列《纽约时报》畅销书榜的《时间简史》和《果壳中的宇宙》的作者。本书是《时间简史》的姊妹篇，这是谁都可以读懂的霍金思想，这是最值得珍藏的宇宙启蒙著作。

霍金以他迷人的表述方式讨论了宇宙的历史和将来、时间和空间的本性、黑洞等令人敬畏的主题。他敏锐的直觉和坚定的推理直接挑战已被广泛认同的传统量子力学、大爆炸理论、甚至爱因斯坦的相对论。在探寻时间和空间核心可望而不可及的秘密这一未竟之业中。《宇宙简史》将引导世界各地喜欢仰望星空、探寻宇宙秘密的人开启宇宙启蒙的课程。

开场白

第一讲 关于宇宙的构想

第二讲 膨胀着的宇宙

第三讲 黑洞

第四讲 黑洞不太黑

第五讲 宇宙的起源与归宿

第六讲 时间的方向

第七讲 万有理论

鸣谢

第1讲 关于宇宙的构想

远在公元前340年，亚里士多德(Adstode)在他的著作《天论》(On the Heavens)中就已然提出两个有力的论据，以支持地球是圆球而不是平板的信念。第一，他认为月食是因地球运行到太阳与月亮之间而引起的。地球在月亮上的阴影总是圆的，这只有当地球呈球形时才有可能。如果地球是一个扁平的圆盘，它的影子就会被拉长而成椭圆形，这样月食总是当太阳在这圆盘中心的正上方时发生。

第二，古希腊人已从旅行中得知，在南方看见的北极星在天空的位置，要比在北方看见的低些。亚里士多德甚至根据北极星在埃及和希腊的视位之差，得出地球周长的估计值为40万斯特迪亚。斯特迪亚是古希腊的长度单位，它所相当的确切长度现在已经无从得知，只知道它大约合200码。如果是这样的话，亚里士多德的这个估计值就大约是现在公认数值的两倍。

古希腊人还有第三个论据支持地球必定是球形的，那就是为什么人们首先看到出现在地平线上的船的帆，然后才看到船身。亚里士多德认为，地球是静止的，而太阳、月亮、行星和恒星都在环绕地球的圆形轨道上运行。他坚信这一点，因为出于神秘的原因，他觉得地球是宇宙的中心，而圆周运动是最为完美的。

他的构想在公元1世纪被托勒密(Ptolemy)加工成为一个完整的宇宙模型。地球位于中心，环绕着它的是八个天球，它们承载着月亮、太阳、恒星和当时所知的五颗行星：水星、金星、火星、木星和土星。这些行星各自沿其所在天球上较小的圆形轨道运行，这样才能解释观测到的它们在天空中相当复杂的轨迹。最外面的天球上是所谓的不动的恒星，它们总是互相保持不变的相对位置，但它们一起在天空旋转。在最外面的天球之外有什么，则始终没能说清楚，但那肯定不是人类可观测的宇宙的一部分。

托勒密的模型，为预测天体在天空中的位置，提供了一个相当精确的系统。但是，为了准确预测它们的位置，托勒密不得不作出一个假设：月亮运行的轨道在某些时候与地球的距离，是其他时候的两倍。而这意味着，月亮有时候看起来要比通常看到的大两倍。托勒密明白这是一个缺陷，不过他的模型虽然不是无人非议，却毕竟为大多数人所接受。它也被天主教会采纳为与《圣经》相符的、对宇宙的描述。它最大的优点是，它把恒星天球之外的空间留给了天堂和地狱。

然而，1514年，波兰僧侣尼古拉·哥白尼(Nicholas Coperncus) 提出了一个简单得多的模型。起初，为了避免被指陸为异端邪说，哥白尼匿名发表了他的模型。他的构想是这样的：太阳静止地居于中心，地球和其他行星在环绕太阳的的圆形轨道上运行。对哥白尼来说可悲的是，几乎一个世纪之后，他的构想才得到认真的对待。这时有两位天文学家——德国的约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)和意大利伽利列奥·伽利略(Galileo Galilei)——开始公开支持哥白尼理论，虽然它预测的轨道与观测到的汗完全相符。1609年，亚里士多德-托勒密理论的末日降临了。这一年伽利略开始用刚刚发明的望远镜观测夜空。

当伽利略观测木星时，他发现它被若干个小卫星，或者说是它的月亮包围着，它们环绕着它运转。这意味着，并非如亚里亡多德和托勒密所设想的那样，所有天体都必须直接环绕地球运行。当然，尽管看到的是木星的卫星绕着木星转，但他认为地球静止地居于宇宙中心，而这些卫星沿着极其复杂的轨道绕地球运行，仍然是可能的。不过，哥白尼的理论要简单得多。

与此同时，开普勒修正了哥白尼的理论，他指出行星不是沿圆周轨道运行，而是沿椭圆轨道运行。这样，预测终于与观测吻合了。就开普勒而言，椭圆轨道只是一个特定的假设——而且由于椭圆显然不如圆完美，因此这是一个相当讨厌的假设。虽然椭圆轨道与观测非常一致，但他无法将这个近乎偶然的发现与他的行星被磁力驱使环绕太阳运行的思想统一起来。

很久以后，直到1687年，牛顿(Newton)出版了他的《自然哲学的数学原理》(Principia Mathernatica Naturalis Causae)，才给出了一种解释。这本书可能是迄今为止出版的最重要的一部自然科学著作。在书中，牛顿不仅提出了物体如何在空间和时间中运动的理论，而且推演出分析这些运动所需的数学。此外，牛顿还作为公设，提出了万有引力定律。该定律指出，宇宙中每个物体都受到其他各个物体的吸引，物体的质量越大，互相越接近，则其引力越强。这种引力与使得物体坠落到地上的力是同一种力。牛顿曾被苹果击中脑袋的故事多半是子虚乌有。牛顿自己一直只是说，引力的概念，是他处于沉思状态时，由于一个苹果落下而产生的。

根据万有引力定律，牛顿进一步证明，引力使得月亮沿着椭圆轨道环绕地球运行，而且使得地球和各行星沿着椭圆轨道环绕太阳运行。哥白尼模型摆脱了托勒密的天球，与此同时也抛弃了宇宙有固有边界的思想。当地球绕着太阳转吋，那些不动的恒星的相对位置看起来没有改变。因此，很自然地会得出这样的假设：这些恒星是与我们的太阳类似、但遥远得多的星体。但是这就产生了一个难题。牛顿明白按照他的引力理论，恒星必定会相互吸引，因此它们不可能基本保持不动。那么它们会不会在某一时刻都坠落到一起来呢？

牛顿在他1691年给当时的另一位思想领袖理查德·本特利(Richard Bentley)的信中指出，如果只有有限多颗恒星的话，这种情况确实会发生。但是他推断，另一方面，如果有无限多颗恒星大体均匀地分布在无限的空间，则这种情况就不会发生，因为不存在让它们坠落到一起的任何中心点。这个论据是人们在讨论无限时可能遇到的陷阱的一个例子。

在一个无限的宇宙中，每个点都可以当作中心，因为每个点的每一侧都有无限多颗恒星。直到许多年之后才明白，正确的思路是考虑有限的情况，这时恒星都往里相向坠落。接着再问：如果在这个区域之外大体均匀地添加更多的恒星，情况会如何变化？根据牛顿定律，增加的恒星对于原来的恒星根本不会产生什么影响，因此这些恒星还是那样快地往里坠落。我们可以随心所欲地添加更多的恒星，但它们仍将一如既往地往里相向坠落。现在我们终于知道，不可能存在这样一个无限的静态宇宙模型，在其中引力始终是吸引的。P3-7

在这个系列讲座里，我将试图勾勒出我们心目中的宇宙历史——从大爆炸到黑洞。在第一讲里，我将简要地回顾过去关于宇宙的构想，并说明我们是如何得到目前的图像的。这或许可以称之为宇宙史的历史。

第二讲将解释牛顿和爱因斯坦的两种引力理论为什么会都得出这样的结论——宇宙不可能是静态的，它不得不或是膨胀，或是收缩。而这又意味着，在前200亿年到前100亿年之间，必定有某一时刻，那时宇宙的密度为无穷大，这就产生了所谓的大爆炸。它可能就是宇宙的开端。

第三讲将谈谈黑洞。黑洞是当某个巨大的星球，或者更大的天体，受其自身引力吸引而自行塌缩(塌陷并紧缩)时形成的。根据爱因斯坦的广义相对论，任何蠢得掉进黑洞的傻瓜都会永远消失，他们将无法再逃出黑洞。而有关他们的历史，则将到达一个奇点，一个痛苦的终点。不过，广义相对论是经典理论——也就是说，它没有考虑量子力学的不确定原理。

第四讲将讲述量子力学如何允许能量从黑洞泄漏出来。黑洞并不像人们所描绘的那样黑。

第五讲将把量子力学思想应用于大爆炸和宇宙的起源。这就得出了这样的设想：时空可能在范围上有限，但没有边缘。这或许类似于地球表面，但它多了两维。

第六讲将说明这个新的边界条件如何能解释这个问题：尽管物理学定律是时间对称的，但过去与未来为什么如此大不相同？

最后，第七讲将讲述我们正如何试图找寻一种统一的理论，它能把量子力学、引力以及物理学中其他所有相互作用都包容在内。如果我们做到了这一点，我们就真正理解了宇宙以及我们在其中的位置。