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宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的
生存和种族的绵延，还一代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是，人类理念的进化
是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽利略的日心说
的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都在运动，只是
到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们
甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明，宇宙的物质在引力作用
下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中，情况也好不到哪儿去，为
了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中
找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。
将哈勃的发现当成现代宇宙论的诞生是公平的。哈勃发现，从星系光谱的红移可以
推断，越远的星系以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时
间上倒溯到过去，估计在100亿到200亿年前曾经发生过一桩开天辟地的大事件，即宇宙
从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆
炸模型的文章中作出了一个惊人的预言，早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围，不过由
于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度左右，在这种温度下，辐射是处于微波
的波段。但在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前，人们并不认真对
待此预言。
一般认为，爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义
相对论的框架里，霍金和彭罗斯证明了，在很一般的条件下，空间——时间一定存在奇
点，最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处，所有定律以
及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条
件，才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定，
所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一
推动问题。
如果空间——时间没有边界，则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引
力论中才能做到。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态，空间——时间可看成一有限
无界的四维面，正如地球的表面一样，只不过多了两个维数而已。宇宙中的所有结构都
可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算可得出和天
文观测相一致的推论，如星系、恒星等等的成团结构，大尺度的各向同性和均匀性，空
间——时间的平性，即空间——时间基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的发
展成为可能，还有时间的方向箭头等等。霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论
成为一门成熟的科学，它是一个自足的理论，即在原则上，单凭科学定律我们便可以将
宇宙中的一切都预言出来。
本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一道证明了
著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积
定理，即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联
系在一起。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体一样发出辐射，其
辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，
它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有板其基本的意义，它将引力、量子力
学和统计力学统一在一起。
1974年以后，他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论，但
它的一些特征已被发现。例如，空间——时间在普郎克尺度（10＾…33厘米）下不是平坦
的，而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态，因果性受到破坏，因此使不
可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。
1980年以后，他的兴趣转向量子宇宙论。
本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是，在经典物理的框架里，
证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理的框架里，他指
出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平，而且整个宇宙正是
起始于此。
理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化，但就观念而言，现在已经相当完备
了。
霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之
一，他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的，这真正是空前
的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响，所以媒介早已有许多关于他如何与全
身瘫痪作搏斗的描述。尽管如此，译者之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历
在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时，门打开后，忽然脑后响起
一种非常微弱的电器的声音，回头一看，只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上，他
自己驱动着电开关。译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊，但是他对首次见到他的人对
其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。在失声之前，只能用非常
微弱的变形的语言交谈，这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写
字，看书必须依赖于一种翻书页的机器，读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公
桌上，然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚
强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。从他对译者私事的帮助可以体会到，
他是一位富有人情味的人。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号，经过美丽的
剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅
行走便利特地修了一段斜坡。
在富有学术传统的剑桥大学，他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务，
那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。
本书译者之一曾受教于霍金达四年之久，并在他的指导下完成了博士论文。此书即
是受霍金之托而译成中文，以供占人类五分之一的人口了解他的学说。
——许明贤 吴忠超
导言
我们在几乎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），我们中很少人会用大量时间惊讶自然界为何这个样子；
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？物质的最小的部份是什么？为何我们记住过去而不是将来；如果早先是紊乱的，则
今天显然是有序的，这究竟是怎么回事？为何存在一个宇宙？
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。有一些人则对这一类的问题感到不舒服，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。
1974年初，大约在海盗空间飞船登陆火星之前两年，我参加在英国由伦敦皇家学会
主办的关于探索如何寻找天外生命的会议。
在会议中间休息时，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古代的仪式，是一个新会员参加皇家学会
——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。这个职务曾为牛顿，后来又为狄拉克，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
本霍金首次为非专家写的书，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。
这又是一本关于上帝……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在创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
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
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）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！”
大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们
自以为知道得更多一些呢？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，在这开端之前发生了什么？时
间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新
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发。也许
有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔
那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。
早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，就已经能够对于
地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一，他认为月食是由
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，除非月食总是发生在太阳正
好位于这个圆盘中心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊
人从旅行中知道，在越往南的地区看星空，北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星
位于北极的正上方，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 400斯特迪亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪
亚的长度究竟是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受
数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，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，他感到地球是宇宙的中心，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1。1）。这些行星被认为是沿着附在相应
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转。最后
一层天球之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
部分。
图1。1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。最中心为地球。
托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。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外为天堂和地狱留下了很多地方。
然而，1514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。将近一个世纪以后，
他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的
伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预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。那一年，伽利略用刚发
明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，发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
地不如圆那么完美。虽然他几乎是偶然地发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。对这一切提供
解释是晚得多的事，那是由于1687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运动的理论，并且发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。（由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。
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”除了由于地球绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改�