第一章 我們的宇宙圖象
早在公元前340年，亞里士多德提出地心說。公元2世紀，托勒密精制成一個完整的地心說宇宙學模型。
1514年尼古拉·哥白尼提出日心說。同時，約翰斯·開普勒修提出行星沿著橢圓（橢圓是拉長的圓）運動。
1687年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的《自然哲學的數學原理》。還提出萬有引力定律：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。并證明：引力使行星和月亮運行軌道是橢圓形（受到入軌初速度和其它引力有關）
按照牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的，恒星之間會相互吸引運動。現在科學相信：某一區域內的恒星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會增強，并超過斥力的作用，因此這些恒星就會繼續落到一起。反之，如果某一區域內的恒星稍微相互遠離一些，斥力就起主導作用，并驅使它們離得更遠。
關于宇宙開端：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。）。
1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了《純粹理性批判》。在時間上是否有開端、在空間上是否有限的問題上，他對正命題和反命題用同樣的論證來辯護。它們都是基于他隱含的假設，即不管宇宙是否存在了無限久，時間均可無限地倒溯回去。實際上，我們將會看到，在宇宙開端之前時間概念是沒有意義的。
1929年，埃德溫·哈勃作觀測到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。暗示存在著宇宙大爆炸：尺度無限小、無限緊密，所有科學定律和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。由于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；宇宙的開端并沒有物理的必然性。
科學理論：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系的規則。它只存在于我們的頭腦中，不再具有任何其他（不管在任何意義上）的實在性。
好的理論必須滿足：首先，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。
任何物理理論總是假設臨時性的：你永遠不可能證明它。現實中，設計出的新理論經常是原先理論的一個擴展。例如：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。在正常情況下，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。
科學的終極目的：第一，提供描述整個宇宙的單一的理論。第二，存在宇宙初始狀態的問題
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，并發明許多部分理論。比如：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。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并在一起的新理論——量子引力論。
作為生物，應該也受到宇宙中規則的左右那這個規則會誤導我們發現宇宙規則嘛？一、自然選擇，導致我們對世界的認知能力更強
第二章時間和空間
亞里士多德：人們相信物體的自然狀態是靜止的，并且只有在受到力或沖擊的推動時才運動。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。
伽利略的比薩斜塔實驗。從而證明了亞里士多德的信念是錯的。
牛頓把伽利略的測量當做他的運動定律的基礎。
牛頓第一定律：力的真正效應總是改變物體的速度、只要物體沒有受到外力就會以同樣的速度保持直線運動。
牛頓第二定律：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。F=ma
牛頓引力定律：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，物體之間的距離越遠，則引力越小
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沖擊的物體都取這種狀態。而牛頓相信不存在絕對靜止的狀態，運動和狀態是相對的。但，他們相信絕對時間，是完全分離并且獨立于空間的。
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
光傳播理論。1865年，詹姆斯·麥克斯韋方程預言，在合并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。射電波，微波（幾厘米）或紅外線，波長被稱為紫外線、X射線和伽馬射線。預言，射電波或光波應以某一固定的速度行進。
麥克斯韋的光以固定速度傳播和牛頓的相對速度存在矛盾，人們提出以太的概念，光速是相對于以太而言的。
麥克斯韋方程：計算出了電磁波的傳播速度，并發現電磁波的速度與光速相同。于是他預言光的本質是電磁波。
愛因斯坦，在1905年指出，只要人們愿意拋棄絕對時間觀念的話，整個以太的觀念則是多余的。亨利·龐加萊也提出類似的觀點。
相對論的基本假設：不管觀察者以任何速度作自由運動，相對于他們而言，科學定律都應該是一樣的。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。
質能方程式：E= mc2。由于能量和質量的等價，物體由于它的運動具有的能量應該加到它的質量上。推導出：任何正常的物體永遠以低于光速的速度運動，只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。
補充：靜止質量和運動質量公式：m=m0[1-(v^2/c^2）]^(-1/2）
相對論終結了絕對時間的觀念！因為光速是相同的，每個人的相對距離是不同的，所以每個人的時間也是不一樣的。
時空四維圖：
事件傳播時空圖：
對于給定的事件P，人們可以將宇宙中的其他事件分成三類：將來（圓錐是能夠影響的范圍）、發生點、過去（能夠影響發生在P的事件的所有事件的集合。）
以上，如果人們忽略引力效應，人們就得到了稱為狹義相對論的理論。
牛頓理論說，物體之間相互吸引，其吸引力依賴于它們之間的距離。這意味著，如果我們移動其中一個物體，另一物體所受的力就會立即改變。或換言之，引力效應必須以無限速度行進，而不像狹義相對論要求的那樣，只能以等于或低于光速的速度行進。
1915年，愛因斯坦提出廣義相對論的理論。
即引力是時空不是平坦的這一事實的結果。在時空中的質量和能量的分布使它彎曲或“翹曲”（時間和空間同時被彎曲）。像地球這樣的物體沿著彎曲空間中最接近于直線路徑的東西運動，這個東西稱為測地線。一根測地線是鄰近兩點之間最短（或最長）的路徑。
在廣義相對論中，物體總是沿著四維時空的直線走。盡管如此，在我們看來它在三維空間中是沿著彎曲的路徑。
光線也必須在時空中遵循測地線。時空是彎曲的事實再次意味著，光線在空間中看起來不是沿著直線行進。這樣，廣義相對論預言光線必須被引力場折彎
廣義相對論的另一個預言是，在像地球這樣的大質量的物體附近，時間顯得流逝得更慢一些。這是因為光能量和它的頻率（光在每秒鐘里波動的次數）有一種關系：能量越大，則頻率越高。當光從地球的引力場往上行進，它失去能量，因而其頻率下降（這表明兩個相鄰波峰之間的時間間隔變大）。在上面的某個人看來，下面發生的每一件事情都顯得需要更長的時間。
廣義相對論中，空間和時間變成為動力量：當物體運動，或者力作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，時空的結構影響了物體運動和力作用的方式。空間和時間不僅去影響、而且被發生在宇宙中的每一件事影響。
第三章 膨脹的宇宙
最近的恒星叫做比鄰星，它離我們大約4r光年那么遠。其他大部分肉眼可見的恒星離開我們的距離均在幾百光年之內。與之相比，太陽僅僅在8光分那么遠！
可見的恒星散布在整個夜空，但是特別集中在一條稱為銀河的帶上。遠在公元1750年，有些天文學家就提出，如果大部分可見的恒星處在一個單獨的碟狀的結構中，則銀河的外觀可以得到解釋。這個結構便是今天我們稱為螺旋星系的一個例
1924年，我們現代的宇宙圖象才被奠定。那一年，美國天文學家埃德溫·哈勃證明了，我們的星系不是惟一的星系。
用現代望遠鏡可以看到的幾千億個星系中的一個，每個星系本身都包含有幾千億顆恒星。我們生活在一個寬約為10萬光年并慢慢旋轉著的星系中；在它的螺旋臂上的恒星圍繞著它的中心公轉一圈大約花費幾億年。
不同的恒星具有不同的光譜，但是不同顏色的相對亮度總是和人們期望從一個紅熱的物體發出的光的光譜完全一致。（實際上，從任何不透明的灼熱的物體發出的光，有一個只依賴于它的溫度的特征光譜——熱譜。這意味著可以從恒星的光譜得知它的溫度。）
恒星光譜里丟失的特定顏色，我們就可以準確地確定恒星大氣中存在哪種元素。
在20年代，當天文學家開始觀察其他星系中的恒星光譜時，他們發現了某些最奇異的現象：它們和我們的銀河系一樣具有吸收的特征線族，只是所有這些線族都向光譜的紅端移動了同樣的相對量。
說明：星系在遠離我們。星系紅移的大小也不是隨機的，而是和星系離開我們的距離成正比。或換句話講，星系越遠，它離開我們運動得越快！
注：多普勒效應：內容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移blue shift）；在運動的波源后面時，會產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產生的效應越大。根據波紅（藍）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。（聽到的音調和聲源的音調不一樣）
當愛因斯坦和其他物理學家正在想方設法避免廣義相對論的非靜態宇宙的預言時，看來只有一個人，即俄國物理學家和數學家亞歷山大·弗里德曼愿意只用廣義相對論著手解釋它。
弗里德曼對于宇宙作了兩個非常簡單的假定：我們不論往哪個方向看，也不論在任何地方進行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗里德曼指出，僅僅從這兩個觀念出發，我們就應該預料宇宙不是靜態的。（所以假定我們在比星系間距離更大的尺度下來觀察，而不管在小尺度下的差異，則宇宙確實在所有的方向看起來是大致一樣的。）
1965年，美國彭齊亞斯和威爾遜發現了來自太空中的噪音，并且它在不同方向上都一樣。如果只在大尺度下，這宇宙也必須是各向同性的。證明了弗里德曼的假設。
由于宇宙并非在每一個方向上，而是在大尺度的平均上完全相同，所以微波也不可能在每一個方向上完全相同。在不同的方向之間必須有一些小變化。
現在初看起來，關于宇宙在任何方向看起來都一樣的所有證據似乎暗示，我們在宇宙中的位置有點特殊。特別是，如果我們看到所有其他的星系都遠離我們而去，那似乎我們必須在宇宙的中心。然而，還存在另外的解釋：從任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一樣。正如我們已經看到的，這是弗里德曼的第二個假設。
任何兩個星系相互離開的速度和它們之間的距離成正比。所以人們預言，星系的紅移應與離開我們的距離成正比（就像膨脹的氣球）——哈勃證明了這點
弗里德曼兩個基本假設的三個模型。
模型一：在第一類模型（即弗里德曼提出的）中，宇宙膨脹得足夠慢，這樣不同星系之間的引力使膨脹減緩，并最終停止。然后星系開始相互靠近，而宇宙收縮（坍縮）。
模型二：第二類解中，宇宙膨脹得如此之快，引力雖然能使之緩慢一些，卻永遠不能使之停止。圖3.3展示在此模型中的鄰近星系之間的距離。剛開始時距離為零，最后星系以穩恒的速度相互離開；
模型第三：宇宙的膨脹快到足以剛好避免坍縮。正如圖3.4所示的，星系的距離也從零開始，然后永遠增大。
在第一類弗里德曼模型中，宇宙膨脹后又坍縮，空間如同地球表面那樣，彎曲后又折回到自身。在第二類永遠膨脹的模型中，空間以另外的方式彎曲，如同一個馬鞍面。所以，在這種情形下，空間是無限的。最后，在第三類剛好以臨界速率膨脹的弗里德曼模型中，空間是平坦的（而因此也是無限的）。
但是究竟何種弗里德曼模型描述我們的宇宙呢？宇宙最終會停止膨脹并開始收縮，還是將永遠膨脹下去嗎？要回答這個問題，我們必須知道現在的宇宙膨脹速度和它現在的平均密度。如果密度比一個由膨脹率決定的臨界值還小，則引力太弱不足以將膨脹停止；如果密度比這臨界值大，則引力會在未來的某一時刻將膨脹停止并使宇宙坍縮。
如果要確定宇宙是否會坍塌，還是會無限的膨脹下去？就要了解目前星系遠離的距離和宇宙的平均密度。如果密度比一個由膨脹率決定的臨界值還小，則引力太弱不足以將膨脹停止；如果密度比這臨界值大，則引力會在未來的某一時刻將膨脹停止并使宇宙坍縮。
通過多普勒效應，可以大概的知道星系離開我們的距離。通過對銀河系和其他星系暗物質的質量粗略計算，我們仍只能獲得為停止膨脹必需的密度的1/10左右。我們不排除有其他形式的物質目前沒有監測到，就目前監測到的而言，宇宙會永遠膨脹下去。宇宙至今至少膨脹了100億年，即便宇宙將要坍縮，至少要再過這么久才有可能。這不應使我們過度憂慮——到那時候，除非我們已到太陽系以外開拓了殖民地，否則人類早就隨著太陽的消滅而死亡殆盡！
三個模型都指出：在過去的某一時刻（約100至200億年之前），存在著宇宙大爆炸，密度和時空曲率都是無限大。因為數學不能真正地處理無限大的數，這意味著，廣義相對論（弗里德曼解以此為基礎）預言，在宇宙中存在一點，在該處理論本身崩潰。這個點就是數學中的奇點。
事實上，我們所有的科學理論都是基于時空是光滑的和幾乎平坦的基礎上表述的，所以它們在時空曲率為無限大的大爆炸奇點處崩潰。這意味著，即使在大爆炸前存在事件，人們也不能用它們去確定其后所要發生的事件，因為可預見性在大爆炸處崩潰了。
承認宇宙存在一個開端，很多人不喜歡時間有個開端的觀念，可能是因為它略帶有神的干涉的味道。
如果廣義相對論是正確的，宇宙可以有過奇點，一個大爆炸。然而，它沒有解決關鍵的問題：廣義相對論是否預言我們的宇宙一定有過大爆炸或時間的開端？
羅杰·彭羅斯在1965年，證明了：坍縮的恒星在自己的引力作用下陷入到一個區域之中，其表面最終縮小到零。并且由于這區域的表面縮小到零，它的體積也應如此。恒星中的所有物質將被壓縮到一個零體積的區域里，所以物質的密度和時空的曲率變成無限大。換言之，人們得到了一個奇點，它被包含在一個叫做黑洞的時空區域中。
注：（演化過程
? ? 當一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區域的所有光線和任何物質。
黑洞的產生過程類似于中子星的產生過程：某一個恒星在準備滅亡，核心在自身重力的作用下迅速地收縮，塌陷，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星體，同時也壓縮了內部的空間和時間。但在黑洞情況下，由于恒星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，連中子間的排斥力也無法阻擋。中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質。由于高質量而產生的引力，使得任何靠近它的物體都會被它吸進去。
也可以簡單理解為：通常恒星最初只含氫元素，恒星內部的氫原子核時刻相互碰撞，發生聚變。由于恒星質量很大，聚變產生的能量與恒星萬有引力抗衡，以維持恒星結構的穩定。由于氫原子核的聚變產生新的元素——氦元素，接著，氦原子也參與聚變，改變結構，生成鋰元素。如此推，按照元素周期表的順序，會依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，該恒星便會坍塌。這是由于鐵元素相當穩定，參與聚變時釋放的能量小于所需能量，因而聚變停止，而鐵元素存在于恒星內部，導致恒星內部不具有足夠的能量與質量巨大的恒星的萬有引力抗衡，從而引發恒星坍塌，最終形成黑洞。說它“黑”，是因為它產生的引力使得它周圍的光都無法逃逸。跟中子星一樣，黑洞也是由質量大于太陽質量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。
當一顆恒星衰老時，它的熱核反應已經耗盡了中心的燃料，由中心產生的能量已經不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質將不可阻擋地向著中心點進軍，直到最后形成體積接近無限小、密度幾乎無限大的星體。而當它的半徑一旦收縮到一定程度（一定小于史瓦西半徑），質量導致的時空扭曲就使得即使光也無法向外射出——“黑洞”就誕生了。）
1970年彭羅斯和霍金指出：假定廣義相對論是正確的，而且宇宙包含著我們觀測到的這么多物質，則過去一定有過一個大爆炸奇點。
這個證明顯示，廣義相對論只是一個不完全的理論，它不能告訴我們宇宙是如何開始的，因為它預言，所有包括它自己在內的物理理論都在宇宙的開端失效。
然而，廣義相對論宣稱自己只是一個部分理論，所以奇點定理真正顯示的是，在極早期宇宙中一定有過一個時刻，那時宇宙是如此之小，人們不能再不理會20世紀另一個偉大的部分理論——量子力學的小尺度效應。
現在，霍金又想撤回并證明：一旦考慮了量子效應，奇點就會消失。事實上，在宇宙的開端并沒有奇點。
第四章 不確定性原理
法國科學家拉普拉斯侯爵在19世紀初論斷，宇宙是完全決定論的。拉普拉斯提出，應該存在一族科學定律，只要我們知道宇宙在某一時刻的完全的狀態，我們便能預言宇宙中將會發生的任一事件。
很多人強烈地抵制這種科學決定論的教義，他們感到這侵犯了上帝干涉世界的自由。
馬克斯·普朗克在1900年提出，光波、X射線和其他波不能以任意的速率輻射，而只能以某種稱為量子的波包發射。此外，每個量子具有確定的能量，波的頻率越高，其能量越大。這樣，在足夠高的頻率下，輻射單個量子所需要的能量比所能得到的還要多。因此，在高頻下的輻射減少了，這樣物體喪失能量的速率就變成有限的了。
量子假設可以非常成功地解釋所觀測到的熱體的輻射發射率。
1926年海森伯提出著名的不確定性原理之后，人們才意識到普朗克的觀點對決定性論的含義：將光照射到粒子上，來確定粒子的運動速度和位置。因為不可以把距離精確到光兩個波峰更小的范圍，所以要求光的波長越短越精確，但是波長越短，能量越大，對粒子造成的影響也越大。最終說明不可能精確的測量粒子的位置和運動速度。
海森伯指出，粒子位置的不確定性乘以粒子質量再乘以速度的不確定性不能小于一個確定量，該確定量稱為普朗克常量。
20世紀20年代，在不確定性原理的基礎上，海森伯、厄文·薛定諤和保羅·狄拉克運用這種手段將力學重新表述成稱為量子力學的新理論。在此理論中，粒子不再分別有很好定義的而又不能被觀測的位置和速度。取而代之，粒子具有位置和速度的一個結合物，量子態。
一般而言，量子力學并不對一次觀測預言一個單獨的確定結果。取而代之，它預言一組可能發生的不同結果，并告訴我們每個結果出現的概率。
海森伯的不確定性原理意味著，粒子在某些方面的行為像波一樣：它們沒有確定的位置，而是被“抹平”成一定的幾率分布。
量子力學中存在著波和粒子的二重性，都存在著干涉現象。兩束波的相互干涉：
粒子也會產生干涉。所謂的雙縫實驗即是著名的例子。即便每次一個地發出電子，條紋仍然出現。因此，每個電子準是在同一時刻通過兩條小縫！
量子力學之前，力學和電學的定律預言，電子會失去能量并以螺旋線的軌道落向并最終撞擊到核上去。丹麥科學家尼爾斯·玻爾在1913年，提出，也許電子不能在離中心核任意遠的地方，而只能在一些指定的距離處公轉。
量子力學的新理論：圍繞核運動的電子可被認為一個波，其波長依賴于其速度。軌道長度等于波長整數倍。
理查德·費恩曼對歷史求和（即路徑積分）的方法是：粒子從A到B可走所有可能的軌道。某些鄰近的路徑，由于相位或周期循環中的位置差別很大，導致這些軌道的波幾乎都相互抵消了。某些鄰近路徑的集合，相位變化不大，這些路徑的波不會抵消。這種路徑對應于允許軌道。
可以了計算更復雜的原子甚至分子的允許軌道。分子是由一些原子因軌道上的電子圍繞不止一個原子核運動而束縛在一起形成的。
經典廣義相對論由于預言無限大密度的點而預示了自身的垮臺，正如同經典（也就是非量子）力學由于隱含著原子必須坍縮成無限的密度，而預言自身的垮臺一樣。我們還需要一個協調廣義相對論和量子力學的系統理論。
第五章 基本粒子和自然的力
恩斯特·盧瑟福在1911年證明了物質的原子：它們是由一個極其微小的帶正電荷的核（不同數量的帶正電的質子，不帶電荷的中子組成）以及圍繞著它公轉的一些電子組成。
存在有幾種不同類型的夸克——有六種“味”，這些味我們分別稱之為上、下、奇、粲、底和頂。
一個質子或中子由三個夸克組成，每個夸克各有一種顏色。一個質子包含（夸克帶電，但不是整數，質子是帶一個電荷，中子不帶電）兩個上夸克和一個下夸克；一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。我們可以創生由其他種類的夸克（奇、粲、底和頂）構成的粒子，但所有這些都具有大得多的質量，并非常快地衰變成質子和中子。
什么是真正的基本粒子？——構成世界萬物的最基本的構件？量子力學告訴我們，實際上所有粒子都是波，所以我們能夠發現的最小粒子受到監測裝置粒子的能量有多高。
用上一章討論的波粒二象性，包括光和引力的宇宙中的一切都能以粒子來描述。
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：自旋為1/2的粒子，它們組成宇宙中的物質；自旋為0、1和2的粒子，正如我們將要看到的，它們在物質粒子之間產生力。
補充：動量與動能
動量作為物體運動的一種量度，能反映出使給定的物體得到一定速度需要多大的力，作用多長的時間。P2-P1=Ft=MV2-MV1。
在動能的轉化過程中，動能的轉化遵循能量的轉化和守恒定律，動能作為物體運動的一種量度，能反映出使給定的物體得到一定速度需要在多大的力的作用下。沿著力的方向移動多長的距離。E2-E1=FS。
動量守恒定律：人在靜止小船上向前走時小船向后退，整個系統本來是靜止的，當其中一部分產生朝某一個方向的動量時，另一部分必然產生一個反向動量，使整個系統的質心位置保持不變。
補充：角動量
它表征質點矢徑掃過面積速度的大小，或剛體定軸轉動的劇烈程度。I表示轉動慣量，W表示角速度(矢量)。
補充：自旋
陀螺玩過么？陀螺旋轉就是自旋。其實，所有自由的物體（剛體）如瓶子等，都可能圍繞自身的某個軸旋轉，即都可以自旋，但由于實際有各種阻力，會自己停下來。旋轉的速度大小，叫自旋角動量，簡稱自旋。若把這些物體放在沒有任何阻力的太空，給一個初始的力矩來啟動其自旋，他們將一直以一個恒定的自旋角動量永遠轉動下去。太空中所有物體都會自旋，如地球太陽，星系。同樣，電子，質子也會有自旋，這和宏觀物體轉動一個道理。但令人驚奇的是實驗測量電子質子的自旋角動量不是任意的而是：1/2 * hbar,簡稱自旋是1/2。進一步發現所有粒子都有自旋，其大小不是1就是1/2，或3/2的（光子是1）。這些粒子自旋大小和特性用經典力學無法解釋，只能用量子力學解釋。所以，粒子自旋被看作粒子的量子屬性。
沃爾夫岡·泡利，1925年：物質粒子服從所謂的泡利不相容原理——兩個類似的粒子不能存在于相同的態中。它解釋了為何物質粒子，在自旋為O、1和2的粒子產生的力的影響下，不會坍縮成密度非常高的狀態的原因：如果物質粒子幾乎處在相同的位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會長時間存在于相同的位置。
保羅·狄拉克在1928年：它在數學上解釋了為何電子具有1/2的自旋，也即為什么將其轉一整圈不能、而轉兩整圈才能使它顯得一樣。它還預言了電子必須有它的配偶——反電子或正電子。——任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身）。也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反自身，注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。為何我們周圍的粒子比反粒子多得多是一個極端重要的問題，我將會在本章的后部分回到這問題上來。
在量子力學中，所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數0、1或2的粒子攜帶。所發生的是，物質粒子——譬如電子或夸克——發出攜帶力的粒子。這個發射引起的反彈，改變了物質粒子的速度。攜帶力的粒子然后和另一個物質粒子碰撞并且被吸收。這碰撞改變了第二個粒子的速度，正如同這兩個物質粒子之間存在過一個力。攜帶力的粒子不服從泡利不相容原理，這是它們的一個重要的性質。這表明它們能被交換的數目不受限制，這樣它們就可以引起很強的力。然而，如果攜帶力的粒子具有很大的質量，則在大距離上產生和交換它們就會很困難。這樣，它們所攜帶的力只能是短程的。另一方面，如果攜帶力的粒子本身質量為零，力就是長程的了。因為在物質粒子之間交換的攜帶力的粒子，不像“實”粒子那樣可以用粒子探測器檢測到，所以稱為虛粒子。然而，因為它們具有可測量的效應，即它們引起了物質粒子之間的力，所以我們知道它們存在。當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時，自旋為0、1或2的粒子，有時候可以以波的形式被檢測到。
攜帶力的粒子按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成四個種類。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一個粒子都因它的質量或能量而感受到引力。特征：它能作用到大距離去，以及它總是吸引的。其他三種力要么是短程的，要么時而吸引時而排斥，所以它們傾向于相互抵消。人們把兩個物質粒子之間的力描述成由稱作引力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有質量，所以攜帶的力是長程的。
另一種力是電磁力（通過交換光子，自旋為1）。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。同種電荷之間的力是相互排斥的，而異種電荷之間的力則是相互吸引的。一個大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。這樣，由于單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全被抵消了，因此兩個物體之間凈的電磁力非常小。
第三種力稱為弱核力。是由W及Z玻色子的交換（即發射及吸收）所引起的，它負責放射性現象，并只作用于自旋為1/2的所有物質粒子，而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。
由于Z及W玻色子比質子或中子重得多，所以弱相互作用的作用距離非常短。這種相互作用叫做“弱”，是因為它的一般強度，比電磁及強核力弱好幾個數量級。大部份粒子在一段時間后，
弱核力和電磁力的統一：當能量遠遠超過100吉電子伏時，這3種新粒子和光子都以相似的方式行為。（電磁力是通過交換光子形成的，光子不帶弱力。但是光子和其他三個粒子自旋全是為1，只是能量不同狀態下的不同表現）
溫伯格-薩拉姆理論展現了稱作對稱自發破缺的性質：物理體系從高溫到低溫的過程中，或者從高能級到基態的過程中，從一個對稱的體系變得不對稱的過程，稱為對稱性自發破缺。這意味著，在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實上發現都只是同一種粒子處于不同的狀態。（該理論說明了光子和三個粒子是統一的）。
補充：β衰變
不穩定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可變得較為穩定，這個過程稱為衰變(Radioactive decay)。這些放射出的粒子或能量(后者以電磁波方式射出) 統稱輻射(radiation)。由不穩定原子核發射出來的輻射可以是α粒子、β粒子、γ射線或中子。
第四種力是強核力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子核中的質子和中子束縛在一起（膠子）。色禁閉：膠子總是把粒子夸克（本身帶顏色）束縛成不帶顏色的結合體。比如：一個紅夸克必須用一串膠子和一個綠夸克以及一個藍夸克連接在一起（紅+綠+藍=白，質子或中子）。或者一個夸克和一個反夸克組成的對（紅+反紅，或綠+反綠，或藍+反藍=白），構成了稱為介子的粒子，介子是不穩定的，因為夸克和反夸克會相互湮滅，而產生電子和其他粒子。類似地，由于膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨的膠子自身。相反，人們所能得到的膠子的團，其疊加起來的顏色必須是白的。這樣的團形成了稱為膠球的不穩定粒子。
強核力還有一種叫做漸近自由的性質：在正常能量下，強核力確實很強，它將夸克緊緊地捆在一起。但是，大型粒子加速器的實驗指出，強作用力在高能量下變得弱得多，夸克和膠子的行為就幾乎像自由粒子那樣。
大一統思想GUT：的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量下強核力變弱了；另一方面，不是漸近自由的電磁力和弱力在高能量下變強了。在某個非常高的叫做大統一能量的能量下，這3種力都具有同樣的強度，并因此可看成一個單獨的力的不同方面。在這能量下，GUT還預言了自旋為1/2的不同物質粒子（如夸克和電子）也會根本上都變成一樣，這樣導致了另一種統一。
? ? ? ? 其中最有趣的預言是，構成通常物質的大部分質量的質子能夠自發衰變成諸如反電子之類更輕的粒子。之所以可能，其原因在于，在大統一能量下，夸克和反電子之間沒有本質的不同。但是夸克如果想要獲得極大的能量，要好長好長好長一段時間，導致人類幾乎監測不到最終也沒有檢測到。
? ? ? ? 許多粒子在那里和它們的反粒子相碰撞、相互湮滅并釋放出高能輻射。
我們沒有直接的證據，表明其他星系中的物質是由質子、中子還是由反質子、反中子構成，但兩者必居其一，在單一的宇宙中不能有混合，否則，我們又會觀察到大量由湮滅產生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構成；看來，一些星系為物質，而另一些星系為反物質也是難以置信的。
? ? ? ? 為什么夸克比反夸克多這么多？為何它們的數目不相等？大統一理論允許夸克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變成反夸克和夸克。
? ? ? ? 直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個叫做C、P和T的對稱。C（電荷）對稱的意義是，定律對于粒子和反粒子是相同的；P（宇稱）對稱的意義是，定律對于任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）是相同的；T（時間）對稱的意義是，如果你顛倒所有粒子和反粒子的運動方向，系統應回到早先的那樣；換言之，定律對于前進或后退的時間方向是一樣的。
? ? ? ? 1956年，兩位美國物理學家李政道和楊振寧提出弱作用實際上不服從P對稱。換言之，弱力使得宇宙和宇宙的鏡像以不同的方式發展。人們還發現弱作用不服從C對稱，即是說，它使得由反粒子構成的宇宙以和我們的宇宙不同的方式行為。
? ? ? ? 早期宇宙肯定是不服從T對稱的：隨著時間前進，宇宙膨脹——如果它往后倒退，則宇宙收縮。而且，由于存在著不服從T對稱的力，因此當宇宙膨脹時，相對于將電子變成反夸克，這些力將更多的反電子變成夸克。然后，隨著宇宙膨脹并冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由于已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構成我們今天看到的物質，由這些物質構成了我們自身。這樣，我們自身之存在可認為是大統一理論的證實，哪怕僅僅是定性的而已；但此預言的不確定性到了這種程度，以至于我們不能知道在湮滅之后余下的夸克數目，甚至不知是夸克還是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我們可以簡單地把反夸克稱為夸克，夸克稱為反夸克。
? ? ? ? 大統一理論不包括引力。在我們處理基本粒子或原子問題時這關系不大，因為引力是如此之弱，通常可以忽略它的效應。然而，它的作用既是長程的，又總是吸引的事實，表明它的所有效應是疊加的。所以，對于足夠大量的物質粒子，引力會比其他所有的力都更重要。這就是為什么正是引力決定了宇宙的演化的緣故。
第六章 黑洞
光的波粒二象性，說明光有質量，有質量就會受引力的影響，以致于光速會變慢，當光無法走出某個恒星的表面時就形成了黑洞。
黑洞：任何從恒星表面發出的光，在還沒到達遠處前就會被恒星的引力吸引回來。我們不能看到它們，但是我們仍然可以感到它們引力的吸引。
恒星的生命周期：大量的氣體（絕大部分為氫）受自身的引力吸引，坍縮形成恒星。氣體原子越來越頻繁地以越來越大的速度相互碰撞——氣體的溫度上升。最后，氣體變得如此之熱，以至于當氫原子碰撞時，它們不再彈開而是聚合形成氦。如同一個受控氫彈爆炸，反應中釋放出來的熱使得恒星發光。這附加的熱又使氣體的壓力升高，直到它足以平衡引力的吸引，這時氣體停止收縮。然而，恒星最終會耗盡氫和其他核燃料。恒星初始的燃料越多，它則被越快燃盡。這是因為恒星的質量越大，它就必須越熱才足以抵抗引力。我們的太陽大概足夠再燃燒50多億年，當恒星耗盡了燃料，它開始變冷并收縮。
? ? ? ? 1928年，昌德拉塞卡：一顆恒星可因引力的吸引和不相容原理引起的排斥達到的平衡。不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。相對論把恒星中的粒子的最大速度差限制為光速。這意味著，當恒星變得足夠密集之時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。昌德拉塞卡計算出，一個質量比大約太陽質量一倍半還大的冷的恒星不能維持本身以抵抗自己的引力（這質量現在稱為昌德拉塞卡極限。）。如果一顆恒星的質量比昌德拉塞卡極限小，它最后會停止收縮，并且變成一種可能的終態即“白矮星”。
? ? ? ? 朗道指出，恒星還存在另一種可能的終態。其極限質量大約也為太陽質量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力支持的。所以它們叫做中子星。
? ? ? ? 隨著恒星收縮，其表面的引力場變得更強大，所有東西都會被引力場拉回去。
? ? ? 羅杰·彭羅斯和我研究指出：在黑洞中必然存在密度和時空曲率無限大的奇點。
? ? ? ? 事件視界，也就是時空中不可逃逸區域的邊界，其行為猶如圍繞著黑洞的單向膜：物體，譬如粗心的航天員，能通過事件視界落到黑洞里去，但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。
? ? ? 廣義相對論方程存在一些解，我們的航天員在這些解中可能看到裸奇點：他也許能避免撞到奇點上去，相反地穿過一個“蟲洞”來到宇宙的另一區域。但，激起不穩定，細微的改變都能改引起奇點的變化。（實際上落起點是存在的，只不過極其不穩定）
? ? ? ? 補充：形成裸奇點的關鍵是克服產生視界的引力作用。兩種力可以達到這一目的：旋轉和電荷。如果坍縮形成黑洞的物體具有極高的轉速或強電場，反作用力就會產生內視界。提高轉速或電荷將縮短內外視界間的距離。轉速或電荷達到足夠的水平時，兩個視界會重疊并完全消失，因而使奇點暴露出來。在真正的宇宙中，坍縮的星體無法聚集足夠的電荷以反作用于引力，但是轉速極高的星體最終有可能成為裸奇點。
? ? ? 威納·伊斯雷爾1967年出：根據廣義相對論，非旋轉的黑洞必須是非常簡單的；它們是完美的球形，其大小只依賴于它們的質量，并且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須等同。
? ? ? ? 起初許多人認為：既然黑洞必須是完美的球形，一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮形成。因此，任何實際的恒星——從來都不是完美的球形——只會坍縮形成一個裸奇點。
? ? 補充，引力波：當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，并且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現象被稱之為引力波。
? ? ? ? 引力波帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射帶走，所以可以預料，一個大質量物體的系統最終會趨向于一種不變的狀態。
? ? ? ? 羅杰·彭羅斯和約翰·惠勒提倡：牽涉恒星坍縮的快速運動表明，其釋放出來的引力波使之越來越接近于球形，到它終結于靜態的時刻，就變成準確的球形。按照這種觀點，任何非旋轉恒星，不管其形狀和內部結構如何復雜，在引力坍縮之后都將終結于一個完美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質量。伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞
? ? ? 1963年，羅伊·克爾：“克爾”黑洞以恒常速度旋轉，其大小與形狀只依賴于它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零，黑洞就是完美的球形。如果旋轉不為零，黑洞在赤道附近就會鼓出去（正如地球或太陽由于旋轉而鼓出去一樣），而旋轉得越快則鼓得越厲害。
? ? ? ? 1973年，大衛·羅賓遜利證明了這：在引力坍縮之后，一個黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉，但是不能搏動的態。此外，它的大小和形狀，只決定于它的質量和旋轉速度，而與坍縮形成黑洞的原先物體的性質無關。
? ? ? ? 天文學通過以下類似的系統許多系統證明了黑洞的存在：兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而相互圍繞著運動。這種系統中的一些，像叫做天鵝X-1的（圖6.2）那樣，也是強X射線源。對這現象的最好解釋是，物質從可見星的表面被吹起來，當它落向不可見的伴星時，形成螺旋狀運動（被黑洞吸引，這和水從浴缸流出很相似），并且變得非常熱，發出X射線（圖6.3）。
? ? ? ? 在宇宙的漫長歷史中，很多恒星肯定燒盡了它們的核燃料并坍縮了。黑洞的數目甚至比可見恒星的數目要大得多。這樣巨大數量的黑洞的額外引力就能解釋為何目前我們的星系以現有的速率轉動：僅用可見恒星的質量是不足以說明這一點的。
? ? ? ? 我們還有某些證據表明，在我們星系的中心有一個大得多的黑洞，其質量大約是太陽的10萬倍。星系中的恒星若十分靠近這個黑洞時，作用在它的近端和遠端上的引力之差或潮汐力會將其撕開。它們的遺骸以及擺脫其他恒星的氣體將落到黑洞上去。正如在天鵝X-1的情形那樣，氣體將以螺旋形軌道向里運動，并且被加熱，雖然沒有到那種程度。它沒有熱到足以發出X射線，但是它可以用來說明在星系中心觀測到的非常致密的射電波和紅外線源。
? ? ? ? 物質旋入黑洞，它將使黑洞往同一方向旋轉，使黑洞產生一個磁場，這個磁場和地球的磁場頗為相像。落入的物質會在黑洞附近產生能量非常高的粒子。該磁場是如此之強，能將這些粒子聚焦成沿著黑洞旋轉軸，也即在它的北極和南極方向往外噴射的射流。
? ? ? ? 當質量比昌德拉塞卡極限低，恒星不能由引力坍縮產生：這樣小質量的恒星，甚至在耗盡了自己的核燃料之后，還能支持自己對抗引力。只有當物質由非常巨大的外界壓力壓縮成極端緊密的狀態時，才能形成小質量的黑洞。在極早期宇宙的高溫和高壓條件下可能產生這樣小質量的黑洞。
? ? ? ? 很清楚，為了說明恒星和星系的無規性是否導致形成相當數目的“太初”黑洞，依賴于早期宇宙中條件的細節。這樣，如果我們能夠確定現在有多少太初黑洞，我們就能對宇宙的極早期階段了解很多。
第七章 黑洞不是這么黑的
事件視界上的光線的路徑必須永遠相互平行運動或相互散開（否則就會相撞，能量減弱，被引力吸入黑洞）。黑洞只會變大或維持不變，肯定不會變小
熱力學第二定律：一個孤立系統的熵總是增加的，并且將兩個系統連接在一起時，其合并系統的熵大于所有單獨系統熵的總和。
如果將一些具有大量熵的一盒氣體，拋進黑洞里。黑洞之外總熵減少。只要物體落入黑洞，事件視界面積就會增加，普林斯頓大學一位名叫雅可布·柏肯斯坦的研究生提出，事件視界的面積即是黑洞熵的量度，黑洞外物質的熵和事件視界面積的和永遠不會降低。
但如果一個黑洞具有熵，那它也應該有溫度。但具有特定溫度的物體必須以一定的速率發出輻射。
? ? 后證實了：黑洞必須如同一個熱體那樣發射粒子和輻射，其溫度只依賴于黑洞的質量——質量越大則溫度越低。
? ? ? ? 但任何東西都不能從黑洞的事件視界之內逃逸出來，黑洞怎么可能發射粒子呢？量子理論給我們的回答是，粒子不是從黑洞里面出來的，而是從緊靠黑洞的事件視界的外面的“空虛的”空間來的！
對于空虛的空間可以這么理解：場的值必須有一定的最小的不確定性量或量子起伏。人們可以將這些起伏理解為光或引力的粒子對，它們在某一時刻同時出現，相互離開，然后又相互靠近，而且相互湮滅。但是總體不可能嚴格地被固定為零，因為那樣意味著所有粒子對變化方向和率都是一致的。而場的數值和它的時間變化率就如同不確定性原理意味著，人們對其中的一個量知道得越準確，則對另一個量知道得越不準確。所以在空虛的空間里場不可能被嚴格的固定為零。
補充，不確定性原理：為了測量一個粒子的速度和位置，為了更加精準測量位置，你必須用更短的波、能量更大的光子，這會對粒子的速度影響也就越大。所以說對位置知道的越準確，同時對速度知道得越不準確。
因為能量不能無中生有，所以粒子反粒子對中的一個伴侶具有正能量，而另一個具有負能量。由于在正常情況下實粒子總是具有正能量，所以具有負能量的那一個粒子注定是短命的虛粒子。
補充，反粒子：光和引力的反粒子和粒子相同。粒子可以分兩種：組成宇宙中物質的自旋為1/2的粒子和在物質粒子間引起力的自旋為0，1，2的虛粒子，虛粒子用粒子監測器檢測不到。區別實粒子和虛粒子，關鍵點在于是否會和它的反粒子相遇，并且湮滅。如果一對虛粒子中正粒子和虛粒子相互分離，不會湮滅，那么他們就變成了實粒子。
兩個虛粒子（粒子和反粒子）的產生恰巧發生在黑洞的事件視界上，其中一個被吸進去了，而另外一個幸運地逃走了。假如吸進去的是反粒子，正粒子沒有，那么就不會抵消。現在虛粒子變成了現實中的粒子。它的存在和能量都將添加在宇宙中。它被拋棄的正粒子也可以落到黑洞中去，也可以作為實粒子或實反粒子從黑洞的鄰近逃走，對于一個遠處的觀察者而言，它就顯得是從黑洞發射出來的粒子一樣。逃逸出去的例子帶著正能量，而被黑洞吸入的粒子帶著負能量，導致黑洞整體能量減弱，黑洞的能量減弱，也就是等于質量減小。此外也可以說明，黑洞存在著一個不為零的溫度。
隨著黑洞損失質量，它的事件視界面積變得更小，但是它發射出的輻射的熵過量地補償了黑洞的熵的減少，所以第二定律從未被違反過。
黑洞的質量越小，溫度就越高，它的溫度和發射率增加（霍金的公式得出的結論，記住就行了）。最終以爆炸結束，over！
一個幾倍太陽質量的黑洞只具有一千萬分之一度的絕對溫度。這比充滿宇宙的微波輻射的溫度（大約2.7K）要低得多，所以這種黑洞的輻射比它吸收的還要少。如果宇宙注定繼續永遠膨脹下去，微波輻射的溫度就會最終減小到比這黑洞的溫度還低，它就開始損失質量。但是即使到了那時候，它的溫度是如此之低，以至于要用100億億億億億億億億年（1后面跟66個0）才全部蒸發完。
宇宙初期的太初黑洞：會有高得多的溫度，以大得多的速率發出輻射。具有10億噸初始質量的太初黑洞的壽命大體和宇宙的年齡相同。比這小的應該已蒸發完畢，但稍大的黑洞仍在輻射出X射線以及伽馬射線。這些X射線和伽馬射線像光波，只是波長短得多。這樣的黑洞幾實際上是白熱的，正以大約1萬兆瓦的功率發射能量。（通過伽馬射線檢測推斷監測推斷：太初黑洞最多只能構成宇宙中一百萬分之一的物質。）
第八章 宇宙的起源和命運
廣義相對論預言：時空在大爆炸奇點處開始，并會在大擠壓奇點處（如果整個宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個奇點處（如果一個局部區域，譬如恒星坍縮的話）結束。任何落進黑洞的東西都會在奇點處毀滅，在外面只能繼續感覺到它的質量的引力效應。
量子效應：物體的質量和能量似乎會最終回到宇宙的其余部分，黑洞和在它當中的任何奇點會一道蒸發掉并最終消失。量子力學對大爆炸和大擠壓奇點也能有同等戲劇性的效應嗎？
熱大爆炸模型：這是假定從早到大爆炸時刻起宇宙就可用弗里德曼模型來描述。
宇宙膨脹時，物體或輻射都變得更涼（當宇宙的尺度大到2倍，它的溫度就降低到一半。）由于溫度即是粒子的平均能量——或速度的測度，在非常高的溫度下，粒子運動如此之快，可以逃脫任何由核力或電磁力。隨著它們冷卻，相互吸引并且開始結塊。更有甚者，粒子種類也依賴于溫度。在足夠高的溫度下，它們碰撞就會產生很多不同的粒子/反粒子對一一并且，一些粒子打到反粒子上去時會湮滅，但是它們產生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子/反粒子對產生得不快——而湮滅則變得比產生更快。
補充，弗里德曼模型：（錯誤）宇宙作了兩個非常簡單的假定：我們不論往哪個方向看，也不論在任何地方進行觀察，宇宙看起來都是一樣的。
宇宙爆炸時存在大量的光子電子中微子和它們的反粒子，還有一些質子和中子，隨著宇宙膨脹，溫度降低，電子和反電子相互湮滅，產生更多的光子，只剩下很少的電子。中微子和反中微子由于能量特別弱，并沒有相互湮滅。由于質量非常小，我們很難直接監測到，如果中微子質量不是零，他們可以是暗物質的一種形式，就要足夠的引力吸引去遏制與宇宙的膨脹。
在大爆炸后的大約100秒，溫度降到了10億度，質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引，所以開始結合產生氘（重氫）的原子核。氘核包含一個質子和一個中子。然后，氘核和更多的質子、中子相結合形成氦核，它包含兩個質子和兩個中子，還產生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。可以計算出，在熱大爆炸模型中大約1/4的質子和中子變成了氦核，還有少量的重氫和其他元素。余下的中子會衰變成質子，這正是通常氫原子的核。
大爆炸后的幾個鐘頭之內，氦和其他元素的產生就停止了。之后的100萬年左右，宇宙僅僅是繼續膨脹，沒有發生什么事。最后，一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不再有足夠能量去戰勝它們之間的電磁吸引力，就開始結合形成原子。宇宙作為整體，繼續膨脹變冷，但在一個比平均稍微密集些的區域，膨脹就會由于額外的引力吸引而緩慢下來。在一些區域膨脹最終會停止并開始坍縮。當它們坍縮時，在這些區域外的物體的引力拉力使它們開始很慢地旋轉；當坍縮的區域變得更小，它會自轉得更快——正如在冰上自轉的滑冰者，縮回手臂時會自轉得更快。最終，當區域變得足夠小，它自轉得快到足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉星系就以這種方式誕生了。
另外一些區域剛好沒有得到旋轉，就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。這些區域之所以停止坍縮，是因為星系的個別部分穩定地圍繞著它的中心公轉，但星系整體并沒有旋轉。
隨著時間流逝，星系中的氫和氦氣體，在自身引力下坍縮，原子相互碰撞，氣體溫度升高，熱得足以開始熱聚變反應，將更氫轉變成氦，釋放出的熱和壓力抵抗引力，穩定為像太陽一樣的恒星，同時以熱和光的形式輻射出來。質量更大，核聚變反應越快，以至于將氫耗光。然后，進一步會收縮，變熱，將氦轉變成像碳和氧更重的元素。但是，這一過程沒有釋放出太多的能量，很可能坍縮成一個非常致密的狀態，譬如中子星或黑洞。恒星的外部區域有時會在超新星的巨大爆發中吹出來，恒星生命終點時一些重元素就被拋回到星系里，為下一代恒星提供一些原料。太陽是第二代或第三代恒星，大約50億年前由形成，大約包含2%這樣的重元素。云里的大部分氣體形成了太陽或者噴到外面去，但是少量的重元素聚集在一起，形成了像地球這樣的，現在作為行星圍繞太陽公轉的物體。
地球原先是非常熱的，并且沒有大氣。在時間的長河中它冷卻下來，并從巖石中散發氣體得到了大氣。
存在的四個疑問：
（1）為何早期宇宙如此之熱？
（2）為何宇宙在大尺度上如此均勻？除非某種不能解釋的原因，導致不同區域從同樣的溫度開始（另外宇宙爆炸是連光都無法同時傳到另外一個局，更何況溫度）
（3）為何宇宙以這么接近于區分坍縮和永遠膨脹模型的臨界膨脹率開始？如果膨脹速率稍微大一點，就早已坍塌。
（4）盡管宇宙在大尺度上是如此的一致和均勻，它卻包含有局部的無規性。那最初的無規則性是由什么決定的？
廣義相對論不能解釋或回答這些問題，因為它預言，宇宙是從在大爆炸奇點處的無限密度起始的。所有物理定律在奇點處都失效了：人們不能預言從奇點會出來什么。這表明我們可以從這理論中割除去大爆炸奇點和任何先于它的事件，因為它們對我們沒有任何觀測效應。時空會有一個邊界——大爆炸處的開端。
混沌邊界條件：含蓄地假定，要么宇宙是空間無限的，要么存在無限多宇宙。在混沌邊界條件下，在剛剛大爆炸之后，尋求任何空間區域在任意給定的結構的概率，在某種意義上，和它在任何其他結構的概率是一樣的：宇宙初始態的選擇純粹是隨機的。
如果宇宙確實是空間無限的，或者如果存在無限多宇宙。那我們所處光滑的宇宙就是許多概率中的一個，就像猴子亂打打字機敲出莎士比亞文章一樣，但是太稀罕了。
或許可以用人存原理來解釋：“我們看到的宇宙之所以如此，乃是因為我們的存在。”
弱人存原理：在一個大的或具有無限空間和/或時間的宇宙里，只有在某些時空有限的區域里，才存在智慧生命發展的必要條件。因此，在這些區域中，如果智慧生物觀察到他們在宇宙的位置滿足他們存在必要的條件，他們就不應感到驚訝。
強人存原理：要么存在許多不同的宇宙，要么單獨宇宙的許多不同的區域，每一個都有自己初始的結構和科學定律。只有在少數像我們的宇宙中，智慧生命才得以發展并能質疑：“為何宇宙是我們看到的這種樣子？”答案很簡單：如果它不是這個樣子，我們就不會在這里！
區別二者的關鍵：后者還有權力意志因素。
反對用強人存原理聲音：如果它們確實相互隔開，在其他宇宙中發生的事件在我們自己的宇宙中就沒有可觀測的后果。所以，我們應該用經濟原理，將它們從理論中割除掉。另一方面，它們若僅僅是一個單一宇宙的不同區域，則在每個區域里的科學定律必須是一樣的，否則人們就不能從一個區域連續地運動到另一區域。在這種情況下，不同區域之間的僅有的不同是它們的初始結構。這樣，強人存原理即歸結為弱人存原理。
對強人存原理的第二個異議是，它和整個科學史的潮流背道而馳。從我們星系本身只是可觀察到的宇宙中大約萬億個星系之一。然而強人存原理卻宣布，這整個龐大的構造僅僅是因我們的緣故而存在，這是非常令人難以置信的。
上述的熱大爆炸模型中，宇宙的初始態在每一處必須剛好有同樣的溫度，初始的膨脹率也要非常精確地選擇。這表明，如果熱大爆炸模型直到時間的開端都是正確的，則確實必須非常仔細地選擇宇宙的初始態。所以，除非作為上帝有意創造像我們這樣生命的行為，否則很難解釋，為何宇宙只用這種方式起始。
為了試圖尋找一個能從許多不同的初始結構演化到像現在這樣的宇宙的東西。阿倫·固斯提出：早期宇宙可能經歷過一個非常快速膨脹的時期，不像現在這樣以減少的，而是以增加的速率膨脹。按照固斯理論，在遠遠小于1秒的時間里，宇宙的半徑增大了100萬億億億（1后面跟30個0）倍。
宇宙是以一種非常熱而且相當混沌的狀態從大爆炸起始的。在這么高的溫度下，強和弱核力及電磁力都被統一成一個單獨的力。隨著宇宙膨脹變冷，粒子能量下降。最后出現了所謂的相變，并且力之間的對稱性被破壞了：強力變得和弱力以及電磁力不同。
在水的情形，可以使之“過冷”降低到冰點（0°C）以下而不結冰。固斯認為，宇宙也很相似：溫度可以降低到臨界值以下，而各種力之間的對稱沒有受到破壞，宇宙就處于一個不穩定狀態，其能量比對稱破缺時更大。這特殊的額外能量呈現出反引力的效應：其作用如同一個宇宙常數。
宇宙常數：愛因斯坦引進廣義相對論之中去的，使得宇宙以不斷增加的速度膨脹。即使在一些物質粒子更多的區域，宇宙常數的排斥作用超過引力吸引作用，導致也以加速暴脹的形式膨脹。最終，留下了一個幾乎不包含任何粒子，并處于過冷狀態的宇宙。這種膨脹抹平了宇宙中的任何不規則性。正如當你吹脹氣球，上邊的花紋被抹平。這樣，非均勻的初始狀態可以演化出光滑均勻的宇宙狀態。
宇宙常數導致光線就有足夠的時間從一個區域旅行到另一個區域。這就解答了早先提出的，為何在早期宇宙中的不同區域具有同樣性質的問題。不但如此，宇宙的膨脹率也自動變得非常接近由宇宙的能量密度決定的臨界值。這就能夠解釋，不需假設宇宙初始膨脹率曾被非常仔細地選擇過，為何現在的膨脹率仍然這么接近臨界值。
為何在宇宙中存在這么多物質。宇宙的總能量準確為零。宇宙中的物質是由正能量產生的。然而，物質本身由于引力總是吸引的。兩塊相互靠近的物質比兩塊分得很開的物質具有較少的能量，因為你必須消耗能量去克服把它們拉在一起的引力才能將其分開。這樣，在一定意義上，引力場具有負能量。這個負的引力能剛好抵消了物質所代表的正能量。這樣，宇宙的總能量為零。
暴脹時期，因為當宇宙膨脹時，過冷態的能量密度保持不變：當宇宙體積加倍時，正物質能和負引力能都加倍，這樣總能量保持為零。在暴脹相，宇宙的尺度增大了一個非常大的倍數。這樣，可用以制造粒子的總能量變得非常大。
今天宇宙不是以暴脹的方式膨脹。必須有一種機制，可以消去非常大的有效宇宙常數，使加速的狀態改變為由引力減慢的狀態。可以預料，在宇宙暴脹時各種力之間的對稱最終會破缺，未破缺的對稱態的額外能量就會釋放，并將宇宙重新加熱到剛好低于使各種力對稱的臨界溫度。以后，宇宙就以標準的大爆炸模式繼續膨脹并變冷。
現在我們可以解釋，為何宇宙剛好以臨界速率膨脹。如果宇宙在暴漲之后，在宇宙所有的地方同時對稱性被破壞。這就解釋了宇宙為何各個區域具有相同的溫度。
新暴脹模型：以緩慢對稱破缺的思想為基礎的（舊的暴脹模型：是指固斯關于形成泡泡后快速對稱破缺的原始設想）。它預言的微波背景輻射的溫度變化要比觀察到的大得多，現在氣數已盡。
混沌暴脹模型：一個自旋為0的場，由于它的量子漲落，在早期宇宙的某些區域有大的場值。在那些區域中，場的能量起到宇宙常數的作用，它具有排斥的引力效應，而使這些區域以暴脹的形式膨脹。隨著它們膨脹，它們中的場的能量慢慢地減小，直到暴脹改變到猶如熱大爆炸模型中的膨脹時為止。這些區域之一就成為可觀察的宇宙讓我們看到。此外，它給出微波背景輻射溫度起伏的合理幅度，這與觀測相符合。
暴脹模型的這個研究指出：宇宙現在的狀態可以從相當大量的不同初始結構引起。然而，絕不是任何一種初始結構都會產生像我們觀察到的宇宙。
按照奇點定理，仍然存在一個大爆炸奇點。如果你在時間前進方向上按照科學定律演化這樣的宇宙，你就會得到你從其開始的那個成團的無規則的態。必定存在不會產生像我們今天觀察到的宇宙的初始結構。所以，就連暴脹模型也沒有告訴我們，為何初始結構不是那種態，從它演化成和我們觀測到的非常不同的宇宙。
奇點定理真正揭示的是，引力場變得如此之強，使量子引力效應變得十分重要：經典理論已經不能很好地描述宇宙。在量子力學中，通常的科學定律有可能在任何地方都有效，包括時間開端這一點在內：不必針對奇點提出新的定律，因為在量子理論中不必存在任何奇點。
我們仍然沒有一套完備而協調的理論將量子力學和引力結合在一起。然而，這樣一套統一理論應該具備的某些特征：
其中一個就是它必須和費恩曼提出的按照對歷史求和的量子力學表述相合并。這些粒子被認為通過時空里的任何可能的路徑，每一個都有一對相關的數，一個代表波的幅度，另一個代表它在循環中的位置（相位）。粒子通過某一特定點的概率是將通過此點的所有可能歷史的波疊加求得。
以避免在進行費恩曼對歷史求和的技術上的困難，采用歐幾里得時空計算時間：用虛數來表示時間（縱坐標），用實數來表示空間（橫坐標）。時間方向和在空間中的方向沒有不同之處。
我們相信，作為任何終極理論的一部分而不可或缺的第二個特征是愛因斯坦的思想，即引力場由彎曲的時空來代表：粒子在彎曲空間中試圖沿著最接近于直線的某種路徑走。但是因為時空不是平坦的，它們的路徑看起來似乎被引力場折彎了。
在量子引力論中，因為人們采用歐幾里得時空，在這里時間方向和空間方向具有相同的地位，所以時空有可能在范圍上是有限的，卻沒有形成邊界或邊緣的奇點。時空就像是地球的表面，只不過多了兩維（只是一個設想）。
人們從“無邊界”假定得知，宇宙遵循大多數歷史的機會是可以忽略不計的，但是有一族特別的歷史比其他的歷史有多得多的機會。這些歷史可以描繪得像地球的表面。在那里與北極的距離代表虛的時間，并且離北極等距離的圓周長代表宇宙的空間尺度。宇宙作為單獨一點從北極起始。隨著人們往南走，離開北極等距離的緯度圈變大，這和宇宙隨虛時間的膨脹相對應（圖8.1）。宇宙在赤道處會達到最大的尺度，并且隨著虛時間的繼續增加而收縮，最后在南極收縮成一點。盡管宇宙在南北二極的尺度為零，但是這些點不是奇點，它們并不比地球上的北南二極更奇異。科學定律在它們那里有效，正如同它們在地球上的南北二極有效一樣。
第九章 時間箭頭
當人們試圖統一引力和量子力學時，必須引入“虛”時間的概念。虛時間是不能和空間方向區分的。如果一個人能往北走，他就能轉過頭并朝南走；同樣的，如果一個人能在虛時間里向前走，他應該能夠轉過來并往后走。這表明在虛時間里，往前和往后之間不可能有重要的差別。另一方面，當人們考察“實”時間時，正如眾所周知的，在前進和后退方向存在著非常巨大的差別。過去和將來之間的這種差別從何而來？為何我們記住過去而不是將來？
科學定律并不區別過去和將來。更精確地講，正如前面解釋的，科學定律在稱作C、P和T的聯合作用（或對稱）下不變。（C是指用反粒子替代粒子。P的意思是取鏡像，這樣左和右就相互交換了。而T是指顛倒所有粒子的運動方向：事實上，是使運動倒退回去。）在所有正常情形下，制約物體行為的科學定律在CP聯合對稱下獨自不變。換言之，對于其他行星上的居民，若他們是我們的鏡像并且由反物質而不是物質構成，則生活會剛好和我們一樣。
無序度或熵隨著時間增加是所謂的時間箭頭的一個例子。時間箭頭將過去和將來區別開來，使時間有了方向。至少有三種不同的時間箭頭：第一個，是熱力學時間箭頭，即是在這個時間方向上無序度或熵增加；然后是心理學時間箭頭，這就是我們感覺時間流逝的方向，在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來；最后，是宇宙學時間箭頭，宇宙在這個方向上膨脹，而不是收縮。
首先，我要討論熱力學時間箭頭。
如果生活在無序度隨時間減小的宇宙中，他們會記住將來的事件，而不是過去的事件。當杯子被打碎時，他們會記住它在桌子上的情形；但是當它在桌子上時，他們不會記住它在地面上的情景。
我們對時間方向的主觀感覺或心理學時間箭頭，是在我們頭腦中由熱力學時間箭頭決定的。無序度隨時間的增加乃是因為我們是在無序度增加的方向上測量時間。
但是究竟熱力學時間箭頭為何必須存在呢？過去的時間一端，宇宙為何處于高度有序的狀態呢？為何無序度增加的時間方向和宇宙膨脹的方向相同？
當時空曲率變大時，量子引力效應變得重要，而經典理論不再能很好地描述宇宙。人們必須用量子引力論去理解宇宙是如何開始的。
在量子引力論中，必須說清楚宇宙在時空邊界那一邊的情況，只有宇宙不存在邊界的，才沒有這個困難。在這種情形下，時間的開端就會是規則的光滑的時空的點，并且宇宙在一個非常光滑和有序的狀態下開始它的膨脹。由于不確定性原理它不可能是完全均勻的，必然存在粒子密度和速度的微小起伏，然而，這些起伏又是在與不確定性原理相一致的條件下盡可能的小。
宇宙開始時處于一個光滑有序的狀態，而隨時間演化成波浪起伏的無序的狀態。這就解釋了熱力學時間箭頭的存在。如果宇宙停止膨脹，并且開始收縮，將會發生什么呢？熱力學箭頭會不會倒轉過來，而無序度開始隨時間減少呢？這樣：人們將以倒退的方式生活：他們在出生之前即已死去，并且隨著宇宙收縮變得更年輕。
有一種更快的辦法去查明：跳到黑洞里面去，恒星坍縮形成黑洞的過程和整個宇宙坍縮的后期相當類似（其實也沒辦法，人跳進去以后就被撕裂了，同時也是在視界邊界以內）。
（讓所說被自己的研究誤導了）無邊界條件意味著，事實上在收縮相時無序度繼續增加。當宇宙開始收縮時或在黑洞中，熱力學和心理學時間箭頭不會反向。
回歸問題：為何無序度增加的時間方向正是宇宙膨脹的時間方向？為何我們應在膨脹相中而不是在收縮相中？
人們可以在弱人存原理的基礎上回答這個問題。宇宙早期必須以非常接近為恰好避免坍縮所需要的臨界速率膨脹。最后，恒星燒盡，其中的質子和中子可能會衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無序的狀態，不會有強的熱力學時間箭頭。為了生存下去，人類必須消耗能量的一種有序形式——食物，并將其轉化成能量的一種無序形式——熱量，這樣智慧生命不能在宇宙的收縮相中存在。
總之，科學定律并不能區分前進和后退的時間方向。然而，至少存在三個時間箭頭，將過去和將來區分開來。它們是熱力學箭頭，這就是無序度增加的時間方向；心理學箭頭，即是在這個時間方向上，我們能記住過去而不是將來；還有宇宙學箭頭，也即宇宙膨脹而不是收縮的方向。我指出了心理學箭頭本質上應和熱力學箭頭相同。宇宙的無邊界設想預言了存在定義得很好的熱力學時間箭頭，因為宇宙必須從光滑的有序的狀態開始。并且我們看到，熱力學箭頭和宇宙學箭頭的一致，乃是由于智慧生命只能在膨脹相中存在。因為在收縮相那里沒有強的熱力學時間箭頭，所以不適合智慧生命的存在。
第十章 蟲洞和時間旅行
哥德爾的時空具有一個古怪的性質：整個宇宙都在旋轉。
從廣義相對論找到一些時空，它們允許旅行到過去。其中之一即是旋轉黑洞的內部。另外一種是包含兩根快速相互穿越的宇宙弦的時空。宇宙弦是弦狀的物體，它具有長度，但是截面很微小。實際上，它們更像在巨大張力下的橡皮筋，其張力大約為1億億億噸。可由對稱性破壞原理形成。
哥德爾解和宇宙弦時空一開始就這么扭曲，使得總能旅行到過去。
但：微波背景和輕元素豐度的觀測表明，早期宇宙并沒有允許時間旅行的曲率。如果無邊界設想是正確的，從理論的基礎上也能導出這個結論。這樣問題就變成：如果宇宙初始就沒有時間旅行必需的曲率，我們能否隨后把時空的局部區域卷曲到這種程度，直至允許時間旅行？
如果我們向我們最近鄰的恒星——半人馬座α——發送航天飛船，由于它大約在4光年那么遠，所以我們預料至少要8年才能等到旅行者們回來報告他們的發現。如果要去銀河系中心探險，至少要10萬年才能返回。因為時間不存在唯一的標準，而每一位觀察者都擁有他自己的時間。這種時間是用他攜帶的時鐘來測量的，這樣航程對于空間旅行者比對于留在地球上的人顯得更短暫是可能的。
如果你能運動得比光還快，相對論意味著，你就能向時間的過去運動。然而我們的速度不可能超過光速。然而，人們也許可以把時空卷曲起來，使得A和B之間有一近路。在A和B之間創生一個蟲洞就是一個法子。顧名思義，蟲洞就是一個時空細管，它能把兩個相隔遙遠的幾乎平坦的區域連接起來。蟲洞兩個端點之間在幾乎平坦的背景里的分離和通過蟲洞本身的距離之間沒必要有什么關系。
愛因斯坦-羅森橋不能維持得足夠久，使得航天飛船來得及穿越：蟲洞會縮緊，而飛船會撞到奇點上去。然而，有人提出，一個先進的文明可能使蟲洞維持開放。可以這樣做，或者把時空以其他方式卷曲，使它允許時間旅行，人們可以證明，這需要一個負曲率的時空區域，如同一個馬鞍面。通常的物質具有正能量密度，賦予時空以正曲率，如同一個球面。這樣，為了使時空卷曲成允許逆時旅行的樣子，人們需要負能量密度的物質。
補充，正曲率和負曲率：球面是正曲率，因為一個人要想把球面平鋪在水平面上，就要把球面撕開，因為球形相對于沒有曲率的平面是“緊繃繃”的。"鞍形"則相反，"鞍形"是“松塌塌”的，它要是想平鋪在平面上，就要有一些部分是重疊的，或者剪掉一些部分。
經典定律：能量不能透支。不確定性原理為基礎的量子定律已：只要你總的余額是正的，你就允許從一個或兩個賬號透支。換言之，量子理論允許在一些地方的能量密度為負，只要它可由在其他地方的正的能量密度所補償，使得總能量保持為正的。
量子理論允許負能量密度的一個例子是所謂的卡西米爾效應：我們認為是“空虛的”空間也充滿了虛的粒子和反粒子對，它們一起出現相互分離，再返回一起，并且相互湮滅。現在，假定人們有兩片距離很近的平行金屬板，且金屬板對于虛光子或光的粒子起著類似鏡子的作用。事實上，在它們之間形成了一個空腔，它有點像風琴管，只對指定的音階共鳴。這意味著，只有當平板間的距離是虛光子波長（相鄰波峰之間的距離）的整數倍時，這些虛光子才會發生在平板之中的空間。如果空腔的寬度是波長的整數倍再加上部分波長，那么在前后反射多次后，一個波的波峰就會和另一個的波谷重合，這樣波動就被抵消了。
因為平板之間的虛光子只能具有共振的波長，所以虛光子的數目比在平板之外的區域要略少些，在平板之外的虛光子可以具有任意波長。這樣，撞擊在平板內表面的虛光子比外表面的略少一些。因此，人們可以預料到這兩片平板遭受到把它們往里擠的力。實際上已經測量到這種力，并且和預言的值相符。這樣，我們得到了虛粒子存在并具有實在效應的實驗證據。
在平板之間存在更少虛光子的事實意味著，它們的能量密度比他處更小。但是在遠離平板的“空虛的”空間的總能量密度必須為零，因為否則的話，能量密度會把空間卷曲起來，而不能保持幾乎平坦。這樣，如果平板間的能量密度比遠處的能量密度更小，它就必須為負的。
我們對以下兩種現象都獲得了實驗的證據。第一，從日食時的光線偏折得知時空可以被卷曲。第二，從卡西米爾效應得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。
未曾有過對來自未來的訪客，這可以用以下方法解釋，因為我們觀察了過去，并且發現它并沒有允許從未來旅行返回必需的那類卷曲，所以過去是固定的。另一方面，未來是未知的開放的，所以也可能有需要的曲率。這意味著，任何時間旅行都被限制于未來。此時此刻，柯克船長和探險號星際飛船沒有機會來臨。
回到過去時空旅行的矛盾：假定你回到過去并且將你的曾曾祖父在他仍為孩童時殺死。如果一個人可以自由地改變過去，則他就會遇到矛盾。
有兩種方法解決由時間旅行導致的佯謬。我把一種稱為協調歷史方法：當時空被卷曲得可能旅行到過去時，在時空中發生的必須是物理定律的協調。根據這個觀點，除非歷史表明，你曾經到達過去，并且當時并沒有殺死你的曾曾祖父或者沒有干過任何事和你的現狀相沖突，你才能在時間中回到過去。此外，當你回到過去，你不能改變記載的歷史。那表明你并沒有自由意志為所欲為。
解決時間旅行的其他可能的方法可稱為選擇歷史假說。其思想是，當時間旅行者回到過去，他就進入和記載的歷史不同的另外歷史中去。選擇歷史假說和理查德·費恩曼把量子理論表達成歷史求和的方法相類似，這是說宇宙不僅僅有一個單獨歷史，它有所有可能的歷史，每一個歷史都有自己的概率。然而，費恩曼求和中，每一個歷史都是由完整的時空和其中的每一件東西組成的。時空可以被卷曲成可能乘火箭旅行到過去。但是火箭要留在同一時空即同一歷史中，因而歷史必須是協調的。
費恩曼歷史求和確實允許在微觀的尺度下旅行到過去。因此產生這樣的問題：量子理論在宏觀尺度上允許時間旅行嗎？看起來，它應該是能夠的。費恩曼歷史求和的設想是指對所有的歷史進行的。
為什么我們并沒有受到歷史的騷擾？
霍金時序防衛猜測：（未被證明，但是有理由相信它是成立的）。當時空被卷曲得可以旅行到過去時，在時空中的閉合圈環上運動的虛粒子，能夠變成在時間前進的方向上以等于或者低于光速的速度運動的實粒子。由于這些粒子可以任意多次地圍繞著圈環運動，它們通過路途中的每一點許多次。這樣，它們的能量被再三地計入，使能量密度變得非常大。這也許賦予時空以正的曲率，因而不允許旅行到過去。
第十一章 物理學的統一
廣義相對論和制約弱力、強力和電磁力的部分理論，結合為大統一理論（GUT），沒有包括引力，并且包含不能從理論預言，而必須人為選擇以和觀測符合的一些量，譬如不同粒子的相對質量等。主要困難在于廣義相對論是一個“經典”理論；沒有將量子力學的不確定性原理結合進去。另一方面，其他的部分理論卻以非常基本的形式依賴于量子力學。因此，第一步必須將廣義相對論和量子力學結合在一起。
這能產生一些顯著的推論，例如黑洞不是黑的，宇宙沒有任何奇點，是完全自足的并且沒有邊界。麻煩在于，不確定性原理意味著甚至“空虛的”空間也充滿了虛的粒子和反粒子對，似應具有無限的能量，從而這些粒子似應具有無限的質量，它們的引力的吸引就會將宇宙卷曲到無限小的尺度。
在其他部分理論中也發生似乎荒謬的無限大。但都可重正化消除掉——引入其他的無限大去消除這些無限大。然而，不能從理論中預言，為了適合觀測，必須選擇質量和力的強度的實際值，因此重正化確實具有一個嚴重的缺陷。
將不確定性原理結合到廣義相對論時，人們只有兩個可以調整的量：引力強度和宇宙常數的值。但是調整它們不足以消除所有的無限大。因此，人們得到一個理論，它似乎預言了諸如時空的曲率的某些量真的無限大，但是觀察和測量表明它們地地道道是有限的！
“超引力”：是將攜帶引力的自旋為2稱為引力子的粒子和某些其他具有自旋為3/2、1、1/2和0的新粒子結合在一起。在某種意義上，所有這些粒子可認為是同一“超粒子”的不同側面。這樣就將自旋為1/2和3/2的物質粒子和自旋為0、1和2的攜帶力的粒子統一起來了。自旋1/2和3/2的虛的粒子反粒子對具有負能量，因此抵消了自旋為2、1和0的虛的粒子對的正能量。這就使得許多可能的無限大被抵消掉，但是人們懷疑，可能仍然保留了某些無限大。
1984年弦理論：基本的對象是只有長度而沒有其他維，像是一根無限細的弦這樣的東西。這些弦可以有端點（所謂的開弦），或首尾相接成閉合的圈子（閉弦）。在弦理論中，原先以為是粒子的東西，現在被描繪成在弦里旅行的波動，如同振動著的風箏的弦上的波動。一個粒子從另一個粒子發射出來或者被吸收，對應于弦的分解和合并。
弦理論新形式：它們在一些像雜化弦的形式中會被消除掉（雖然這一點還沒被確認）。然而，弦理論有更大的問題：似乎時空是十維或二十六維，而不是通常的四維時它們才是協調的。其思想是穿過更高的維抄近路：想像一個錨圈或環的表面（圖11.7），在這環內一邊，到另一側去，必須沿著內邊緣上直到目標點。然而，你如果允許在第三維空問里旅行，你可以直接穿過去。
如果存在，為何我們只看到三個空間維和一個時間維呢？
人們的看法是，其他的維被彎卷到非常小的尺度——大約為一百萬億億億分之一英寸的空間，人們根本無從覺察這么小的尺度：我們只能看到一個時間維和三個空間維，在這些維中時空是相當平坦的。為何一些而非所有的維都被卷曲成一個小球？也許在宇宙的極早期，所有的維都曾經非常彎曲過。為何一維時間和三維空間被攤平開來，而且他維仍然緊緊地卷曲著？
人存原理可能提供一個答案。二維空間似乎不足以允許像我們這樣復雜生命的發展。兩個物體之間的引力將隨距離衰減得比在三維空間中更快。意味著，太陽不可能存在于壓力和引力相平衡的穩定的狀態下，它要么被四分五裂，要么坍縮形成一個黑洞。原子里使電子圍繞著原子核運動的電力行為正和引力一樣。電子要么全部從原子逃逸出去，要么沿螺旋的軌道落到原子核上去。我們所知，生命只能存在于一維時間和三維空間沒被卷曲得很小的時空區域里。
這表明，只要人們可以證明弦理論至少允許宇宙存在這樣的區域——似乎弦理論確實能做到這一點，則我們可以求助弱人存原理。同樣，也會存在宇宙的其他區域或其他宇宙（不管那是什么含意），那里所有的維都被卷曲得很小，或者多于四維幾乎是平坦的，但是在這樣的區域里，不會有智慧生物去觀察這不同數目的有效維數。
另一個問題是至少存在四種不同的弦理論（開弦和三種不同的閉弦理論），以及由弦理論預言的額外維的極其繁多的卷曲方式。為何自然只挑選一種弦理論和一種卷曲方式？
大約從1994年開始，人們開始發現所謂的對偶性：不同的弦理論以及額外維的不同卷曲方式會導致四維時空中的同樣結果。不僅如此，正如在空間中占據單獨一點的粒子，也像空間中線狀的弦，還存在另外稱作p膜的東西，它在空間中占據二維或更高維的體積。（粒子可認為是0膜，而弦為1膜，但是還存在p從2到9的p膜）。這似乎表明，在超引力、弦以及p膜理論中存在某種民主：它們似乎和平相處，沒有一種比另一種更基本。人們探索了這個基本理論，但是迄今毫無成就。
確實存在一個這樣的統一理論嗎？或者我們也許僅僅是在追求海市蜃樓。似乎存在三種可能性：
（1）確實存在一個完備的統一理論（或者一族交疊的表述），如果我們足夠聰明的話，總有一天會找到它。
（2）并不存在宇宙的最終理論，僅僅存在一個越來越精確地描述宇宙的無限的理論序列。
（3）并不存在宇宙的理論：不可能在一定程度之外預言事件，事件僅以一種隨機或任意的方式發生。
隨著量子力學的發現，我們認識到，由于總存在一定程度的不確定性，因此，不可能完全精確地預言事件。如果有人愿意，他可以將此隨意性歸結為上帝的干涉。
第十二章 結論
最早在理論上描述和解釋宇宙的企圖牽涉到這樣一種思想：具備人類情感的靈魂控制著事件和自然現象，它們的行為和人類非常相像，并且是不可預言的。這些靈魂棲息在自然物體，諸如河流、山岳以及包括太陽和月亮這樣的天體之中。我們必須向它們祈禱并供奉，以保證土壤肥沃和四季循環。
拉普拉斯在19世紀初提出科學的決定論；也就是他提議的，有一族定律存在，只要給定宇宙在某一時刻的狀態，這些定律就能精確決定宇宙的演化。
拉普拉斯的決定論在兩個方面是不完整的：它沒講應該如何選擇定律，也沒指定宇宙的初始狀態。這些都留給了上帝。上帝會選擇讓宇宙如何開始并要服從什么定律，但是一旦開始之后，他將不再干涉宇宙。事實上，上帝被局限于19世紀科學不能理解的領域里。
我們現在知道，拉普拉斯對決定論的希望，至少按照他所想的方式，是不能實現的。量子力學的不確定性原理意味著，某些成對的量，比如粒子的位置和速度，不能同時被完全精確地預言。量子力學通過一類量子理論來處理這種情形，在這些理論中粒子沒有精確定義的位置和速度，而是由一個波來代表。這些量子理論給出了波隨時間演化的定律，在這種意義上，它們是宿命的。于是，如果我們知道某一時刻的波，我們便可以將它在任一時刻推算出。只是當我們試圖按照粒子的位置和速度對波做解釋的時候，不可預見性的隨機的要素才出現。但這也許是我們的錯誤：也許不存在粒子的位置和速度，只有波。只不過是我們企圖將波硬套到我們關于位置和速度的先人為主的觀念之上而已。由此導致的不協調乃是表面上不可預見性的原因。
事實上，我們已經將科學的任務重新定義為，發現能使我們在由不確定性原理設定的界限內預言事件的定律。然而，還存在如下問題：如何或者為何選取宇宙的定律和初始狀態？
引力使宇宙的大尺度結構成形，即使它是四類力中最弱的一種。引力總是吸引，這一事實意味著，宇宙的演化方式兩者必居其一，要么正在膨脹，要么正在收縮。照廣義相對論，宇宙在過去某一時刻肯定有一個具有無限密度的狀態，亦即大爆炸，這是時間的有效起始。即使整個宇宙不坍縮，在任何坍縮形成黑洞的局部區域里都會有奇點。這些奇點正是任何落進黑洞的人的時間終點。
當我們將量子力學和廣義相對論結合，似乎產生了前所未有的新的可能性：空間和時間一起可以形成一個有限的四維的沒有奇點或邊界的空間，這正如地球的表面，但具有更多的維。看來這種思想能夠解釋宇宙間已觀察到的許多特征，諸如它的大尺度一致性，還有包括星系、恒星甚至人類等在小尺度上對此均勻性的偏離。
如果無邊界假設是正確的，上帝就根本沒有選擇初始條件的自由。當然，上帝仍有選擇宇宙所服從的定律的自由。然而，這也許實在并沒有那么多選擇性；很可能只有一個或數目很少的完備的統一理論，例如弦論，它們是自洽的，并且允許像人類那樣復雜結構的存在，這些結構能夠研究宇宙定律并詢問上帝的本性。
即使只有一種可能的統一理論，那也只不過是一組規則和方程而已。是什么賦予這些方程以活力去制造一個為它們所描述的宇宙呢？迄今為止，大部分科學家太忙于發展描述宇宙為何物的理論，以至于沒工夫過問為什么。另一方面，以尋根究底為己任的哲學家跟不上科學理論的進步
