第一章我们的宇宙图像
如果宇宙是无限而且静止的,则每一道光线都会终结于一个恒星上,使得夜空和太阳一样明亮。
似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以那时候宇宙的密度为无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。
哈勃的观测暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无限小,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崩溃了。如果在这个时刻之前有过一些事件,它们将不可能影响现在发生的东西。因为它们没有任何观测的后果,所以可不理睬其存在。由于更早的时间根本没有定义,所以在这个意义上,人们可以说,时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是,这个时间的开端和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中,时间的端点是必须由宇宙之埃德温·哈勃(1889~1953)在1924外的存在物赋予的某种东西;宇宙的开端年拍摄于威尔逊山天文台并没有物理的必然性。人们可以想象上帝是设想在大爆炸之前创生宇宙是没有意义的。大爆炸宇宙并没有排斥造物主,只宙,如果宇宙正在膨胀,那么何以宇宙有不过对他何时从事这工作加上限制而已!个开端似乎就有了物理的原因。上帝是在大爆炸的瞬间创生是否存在启始或终结的问题,你必须清楚宇宙,或者甚至在更晚的时刻,以使它看什么是科学理论。我将采用素朴的观点,起来就像发生过大爆炸似的方式创生,但即理论只不过是宇宙或它的受限制的部分的模型,以及一族把这模型中的量和我们做的观测相联系的规则。它只存在于我们的头脑中,不再具有任何其他(不管在任何意义上)的实在性。一个好的理论必须满足以下两个要求:首先,这个理论必须能准确地描述大量的观测——这些观测是根据只包含少数任选的元素的模型所做出的;其次,这个理论能对未来观测的结果作出明确的预言。例如,亚里士多德相信恩贝多克利的关于任何东西是由四元素土、气、火和水组成的理论,该理论是足够简单的了,但它没有做出任何明确的预言。另一方面,牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型,在此模型中两物体用一种力相互吸引,该力和被称为它们质量的量成正比,并和它们之间的距离的平方成反比。然而,它以很高的精确性预言了太阳、月亮和行星的运动。
在只是一个假设的意义上来讲,任何物理理论总是临时性的:你永远不可能证明它。不管多少回实验的结果和某个理论相一致,你永远不可能断定下一次结果不和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到个和理论预言不一致的观测事实,即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波普强调的,个好的理论的特征是,它能给出许多在原则上可以被观测否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就存活,并且增加了我们对它的信任度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论这被认为是迟早总会发生的事,但是…
你总可以质疑实现该观测的人员的能力。在现实中经常发生的是,设计出的新理论实际上是原先理论的一个扩展。例如,非常精确地观测水星,发现它的运动和牛顿引力理论预言之间有一个微小的差异。爱因斯坦的广义相对论预言了和牛顿理论略微不同的运动。爱因斯坦的预言和观测到的相符合,而牛顿理论做不到,这个事实是对这个新理论的一个关键的证实。然而在我们正常处理的隋形下,牛顿理论和广义相对论的预言之间差异非常小,所以为了所有实用的目的,我们仍然使用牛顿理论。(牛顿理论还有个巨大的优点,用它计算比用爱因斯坦理论简单多了!)
第二章空间时间
亚里士多德的观点是物体的自然状态是静止的 。只有受力或冲击的推动时，才运动。而且他认为重物比轻物下落的快，人们可以依靠纯粹思维，即可找到所有制约宇宙的定律， 不必要用观测去检验之。但不甘心的伽利略，做了一个广为流传的实验，他从比萨斜塔上将重落下，虽然这个实验的真实性无从考证。但伽利略的确做过，让不同重量的小球沿光滑的斜面上滚下，结果无论重量多少，速度增加的速率一样。为此，航天员大为·斯格特在月球上，进行了羽毛和千锤实验，发现俩者同时落地。进一步验证了伽利略的理论。伽利略的实验得出结论：力总是改变物体的速度，若不受外力，则已同样的速度保持直线运动。牛顿于1687年发表了著名的《数学原理》，也就是《自然哲学的数学原理》。他的几个著名的定律包括：牛顿第一定律（惯性定律）：力是保持物体运动状态的原因。牛顿第二定律：F=ma它强调，力的作用效果。物体在被加速或改变其速度时，其改变率与所受的外力成正比，与质量成反比。牛顿第三定律：F1=F2两物体间作用力和反作用力，在同一直线，大小相等，方向相反。万有引力定律：F=（Gm1m2）╱r2亚里士多德相信一个优越的静止状态，可以给世界一个指定的绝对的空间位置，但科学家牛顿，是一位有怀疑精神的人，他从来都是用批判的眼光看待事物。他重新思考，认为运动和静止是相对的，不存在绝对的位置或绝对空间。因为牛顿的非理性的宗教信仰，即便他的定律隐含着绝对空间的不存在，虽然，这是超前的科学的思想，但受信仰的影响，他自己拒绝接受，即使这样，同样受到许多人的严厉批评。亚里士多德和牛顿都相信绝对时间，人们可以不含糊的测量两个事情之间的间隔时间，相对于空间是完全分离并且独立的，这个理论，可以处理慢动作，但对于光速可是行不通的。
1676年，丹麦天文学家，欧·克里斯琴森·罗默，光是以有限，但非常高的速度旅行，他观察到，我们离木星越远，木星的月食出现的越晚，这说明，木星的卫星不是以等时间相隔，从木星背后出来。在牛顿的著作面世11年后，他测量了光速为140000英里每秒，可谓卓越的成就！1865年，英国物理学家，詹姆士·克拉克·麦克斯韦，研究出光传播的正确理论——电力和磁力统一起来。麦克斯韦方程：在合并的电磁场中，可以存在波动的微扰，并以固定的速度进行。假设光以固定的速度旅行，人们就必须说清，这个固定的速度是相对于何物来测量的。人们提出，可能存在着一种无所不在的为“以太”的物质。1887年，阿尔伯特·迈克耳孙和爱德华·莫雷做实验，将沿地球运动方向以及垂直于方向的光速，进行比较，光速完全一致。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦，当时还是瑞士专利局的职员的他跨时代的提出，如果抛弃时间绝对时间，整个“以太”观念是多余的 。科学家庞加莱，也曾以数学问题的角度，加以论证，即便现在将最新理论归功于爱因斯坦，人们也不会忘记他。 爱因斯坦方程：E=m2c(E能量 m质量 c光速)由于质量和能量的等价原理，当一个物体速度接近于光速时，质量也随之变得无限大，能量也无限大。所以，任何正常的物体永远以低于光速的速度运行。只有光或其他没有内稟质量的波，才能以光速运动。
对于光的定义，光在以铯原子钟测量的0.000000003335640952秒内进行的距离，(现保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离)我们常用三点描述空间位置，比如纬度、经度、海拔。如果一光脉冲从一个特定的空间点在一特定时刻发出，在时间的进程中，它会作为一个光球面发散开来，而光球面的形状、大小和源的速度无关。假如太阳会熄灭，那时候，我们看到这一瞬间，已经是在八分钟之前就发生了的事了。我们现今看到的最远的物体，是在大约80亿年前的宇宙，其实我们在看他的过去。狭义相对论中，爱因斯坦和庞加莱的实验，验证了没有任何东西进行得比光更快，并且描述了，物体接近光速时会发生的情况。
广义相对论认为，时空不是平坦的，在时空中的质量和能量的分布，使它“弯曲”或“翘曲”。太阳的质量畸变了它附近的时空，从一个远处的恒星b来的，通过太阳附近的光被折射了，这样在地球c看来，它似乎来自另外一个方向d。
实际观察这种情形非常难，因为太阳的强光不可能让人们看到它附近的恒星，但日食时，太阳光线完全被月亮遮住，爱因斯坦认为地球并非由于被称为引力的力使之沿弯曲轨道运动，相反，它沿着弯曲空间中接近于直线路径的东西——测地线。 地线是大圆上两点间最短程，飞行员飞行的航线便是测地线。飞机沿山脉飞行，在三维空间沿直线飞，在地面上的二维空间，影子为一条直线。水星离太阳最近，受引力效应最强，轨道被拉得格外长。广义相对论预言，其轨道椭圆的长轴围绕着太阳大约每一万年度的速率进动，尽管如此小的效应，在1915年前就被注意到，作为爱因斯坦理论的验证。由于第一次世界大战，爱因斯坦的光偏折理论，不能在1915年得到验证，直到1915年，一个英国探险队，从西非观测日食时，证明该了理论。广义相对论的另一个预言，像地球这样大质量物体附近，时间显得流逝的慢一些。光在脱离地球引力场自下而上，失去能量，频率降低，光能量和它的频率关系:能量升高、频率升高。所以导致，在天上的某人看来，下面发生的每一件事都显得需要更长时间。 中国神话当中所说的“天上一日地下一年” 看来不无道理。1962年有一个水塔实验，发现底部时钟走得慢。 目前，基于卫星信号非常精确的导航系统，也必须重视广义相对论，否则计算位置会错几英里。
牛顿运动定律使绝对位置观念寿终正寝。相对论摆脱了绝对时间。著名的双生子佯谬：一对双胞胎，一个去山顶生活，另一个在海平面生活，多年后再次相会。山顶的会比海平面的人显得年轻。但这种差别极其不易察觉。但假如一个在太空 长途旅行，这种差异变会很大，1915年之前 空间和时间被认为是事件在其中发生的固定舞台，并不受影响的延伸着。而在广义相对论，被人们所接受后，空间和时间变成动力量，当物体运动受力作用时，影响了空间和时间的曲率。所以在宇宙界限之外，讲时空和时间是无意义的。
第三章膨胀的宇宙
离我们最近的恒星叫做比邻星，距离我们四光年，大约二十三万英里。(太阳的距离仅八公分)。恒星集中在银河系，也叫螺旋星系。这一点在，公元1750年天文家威廉·赫歇尔爵士，对恒星进行编目得到证实，但该思想在20世纪才被人接受。1924年现代宇宙图像才被奠定。
美国天文家，埃德温·哈勃证明，我们的星系不是唯一的星系，由许多星系组成。哈勃通过间接的手段，测量它们的距离——视亮度。视亮度包括两个方面：光度和距离。太阳是银河系的1000亿个恒星之一，局部集团只是形成我们宇宙中最大已知结构的几千个集团和星系团之一。
我们生活在一个宽度约为10万光年并慢慢旋转的星系中；在它的螺旋臂上的恒星周围绕着它的中心转一圈大约花费几亿年。恒星距离我们如此遥远，绝大多数恒星只有一个特征可观测，光的颜色。
牛顿发现太阳光通过棱镜的三角形状的玻璃就会被分解成彩虹一样的光。用一台望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上，便可观测到不同的光谱。任何不透明的炙热的物体发出的光，有一个只依赖于它的温度的特征光谱，也就是热谱，可从恒星的光得知其温度。每一种化学元素可以吸收非常独特的颜色族系，将它们和恒星光谱中失去的颜色相比较。通过恒星热谱中，某些特定颜色的丢失，就可以来确定恒星大气中存在哪些元素，哪种化学元素。
20世纪20年代，天文学家在开始观察其他星系中的恒星光谱时，发现奇异的现象：它们和我们的银河系一样，具有吸收的特征线族，只是所有这些线族都向光谱的红端移动了同样的相对量。
多普勒效应可以解释这一现象，光是电磁场的起伏和波动构成的。按照波长从短至长可以分为：伽马射线、ｘ射线、紫外线、可见光波段、红外线、微波、无线电波。例如，一个恒星，以固定的波长发出光波，本应该我们接受到的波长和发射波长一致(星系的引力场没有强到影响它的波长)。
假定该恒星光源开始向我们移动，当光源发出第二个波峰时，他就会离我们近一些。这两个波峰之间的距离比恒星静止时，我们接收到波长会较短(光谱向蓝端移动)。假定光源离开我们运动，我们接收波的波长将较长(光谱向红端移动)。这是多普勒效应的频率和速度变化规律，同样适用于声波和电磁波。
交通警察利用多普勒效应的原理，测量电波脉冲车上反射回来的波长，来测车速。
爱因斯坦一九一五年发表广义相对论时，还在为宇宙是静止的，引入常数来修正自己的理论。哈勃为星系距离进行观察编目，观察它们的光谱。1929年发表结论，星系离开我们的速度和距离成正比。星系越远，他离开我们运动的越快。宇宙星系不是静止，而是在膨胀！这是20世纪最伟大的智力革命之一。我们的科学就是这样不断发展进步的！
1965年，美国贝尔电话实验室，物理学家，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊用微波探测器接收到比预想还要大的噪声——来自宇宙。1992年，宇宙背景探险者（COBE），在不同方向探测宇宙，都有微小变化。
普林斯顿大学，罗伯特·狄克、詹姆士·皮帕尔斯，研究乔治·伽莫夫，二人的一个见解认为，早期宇宙一定是非常密集的白热的。现在仍然能看见宇宙的白热，因为从它的非常的部分来的光，刚好现在才到我们这，然而宇宙的膨胀，把红光移得如此厉害。现在只能做微波辐射被我们观察到。同时彭齐亚斯和威尔逊听到他们的工作，并意识到自己已经找到了它，为此1978年被授予诺贝尔奖。
弗里德曼的第二个假设：所有星系都相互直接离开，就如在气球上画上好多斑点，被吹胀。任何两个星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比，这也预言了哈勃的观测。
直到1935年，为响应哈勃的宇宙均匀膨胀的发现。美国，物理学家霍瓦德·罗伯逊，英国的数学家，阿瑟·瓦尔克，发现了类似的模型。弗的工作才被西方普遍知道。
满足弗的两个假设共有三种模型：第一，是弗找到的，宇宙膨胀的足够慢，不同星系之间的吸引力使膨胀减慢，并最终停止，然后，星系开始相互靠近，而宇宙收缩。
第二类模型：宇宙膨胀的如此之快，引力虽能使之缓慢却永远不能使之停止。第三种模型：宇宙的膨胀快到足以刚好避免坍缩。
宇宙在每年10亿年里膨胀5％~10％，然而在我们以及其他星系里应该包含大量的暗物质，那是我们不能直接看到的，但由于它的引力对星系中轨道的影响，我们知道它必定存在，所以对宇宙的平均密度测量的更准确。
宇宙已经至少膨胀了100亿年，即便宇宙将要坍缩，至少要再过这么久才有可能。这不是我们过度忧虑，到那时，除我们已到太阳系以外开拓了殖民地，否则人类早就随着太阳消灭而死亡殆尽！
约100至200亿年前，宇宙中邻近星系间距离为０，大爆炸那一刻之前，密度和空间曲率无限大，这就是数学中的一个奇点例子。
1948年奥地利赫曼·邦迪和托马斯·戈尔德，还有英国的弗雷德·霍伊尔，当星系相互离开时，由正在连续产生的新物质在他们中间，不断形成新的星系，即使产生率极低(大约每年每立方千米个粒子)，这就是稳态理论。
20世纪50到60年代马丁·赖尔、邦迪、戈尔德、霍伊尔研究从空间来的射电源，得出弱源比强源多。有两个解释，第一、单位空间体积内普通的源，似乎在近处比远处稀少，我们处于宇宙的一个巨大区域的中心。第二、宇宙在射电波向我们发射的过去的那一刻，具有比现在更密集的源。
关于奇点理论的几个观点。
第一、弗里德曼认为，约100至200亿年前，宇宙中邻近星系间距离为０，大爆炸那一刻之前，密度和空间曲率无限大。
第二、1948年赫曼·邦迪、托马斯·戈尔德、弗雷德·霍伊尔星系相互离开时，由正在连续产生的新物质在他们中的间隙不断形成新的星系。
第三、马丁·赖尔领导研究从外太空来的射电源，弱源比强源多。
第四、1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射，宇宙在过去必定密集得多。
第五、1963年欧格尼·利弗席兹，艾萨克·哈拉尼可夫，宇宙不仅直接相互离开，还有一定斜向速度，星系从来没有必要恰好在同一处，只不过非常靠近而已。宇宙不是来自于大爆炸奇点，而是来自于更早的收缩相。
第六、1965年英国数学家、物理家罗杰彭罗斯，坍缩的恒星在自己的引力作用下，陷入到一个区域之中，恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里，密度和曲率得到一个奇点，包含在一个叫做黑洞的时空区域中。
第六章黑洞
为了理解黑洞是如何形成的,我们首先需要理解恒星的生命周期。起初大量的气体(绝大部分为氢)受自身的引力吸引,而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时,气体原子越来越频繁地以越来越大的速度相互碰撞——气体的温度上升。最后,气体变得如此之热,以至于当氢原子碰撞时,它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸,反应中释放出来的热使得恒星发光。这附加的热又使气体的压力升高,直到它足以平衡引力的吸引,这时气体停止收缩。这有一点像气球—一内部气压试图使气球膨胀,橡皮的张力试图使气球收缩,它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡,使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而,恒星最终会耗尽它的氢和其他核燃料。貌似大谬,其实不然的是,恒星初始的燃料越多,它则被越快燃尽。这是因为恒星的质量越大,它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热,它的燃料就被耗得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年,但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内耗尽其燃料,这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料,它开始变冷并收缩。随后发生的情况只有等到20世纪20年末才首次被人理解。
在恒星引力坍缩形成黑洞时,运动会快得多,这样携带走能量的速率就会高得多。因此不用太长的时间就会达到不变的状态。这最终的状态将会是怎样的呢?人们会以为,它将依赖于形成黑洞的恒星的所有复杂特征—不仅它的质量和转动速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。而如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端那么一般来讲,对黑洞作任何预言都会非常困难。
【黑洞】宇宙中一种特殊区域 一切物体，包括可见光和其它射线，一旦进入便无法逃逸的绝对黑体，因而无法直接观测到，故称为黑洞。
A,拉普拉斯黑洞：拉普拉斯根据牛顿力学算出，一个密度与地球相当，直径为太阳250倍的恒星，其引力之大连光也无法辐射出来，成为黑天体。
B,史瓦西黑洞：一种无自转、球对称的黑洞。它是1916年史瓦西求得的爱因斯坦引力场方程的一个解。其临界半径与拉普拉斯算出结果完全相同。但他是以星球质量为出发点，而不是星球密度。例如一个太阳质量的黑洞，黑洞半径小于1厘米。黑洞界面称为视界，，在史瓦西黑洞时视界与无限红移面重合。按此理论，所有位于视界半径内的物质，都将落向其几何中心——奇点上。
C,克尔黑洞：1963年新西兰物理学家罗伊·克尔推出的黑洞，有自转，呈轴对称。事实上，如果恒星坍缩而成为黑洞，一般应成为克尔黑洞。它的无限红移面位于视界之外，视界半径与史瓦西公式相同。界于视界与无限红移面之间的区域称为能层，能层中的物质可以通过无限红移面向外辐射。而能层内的任何物质都将被克尔黑洞拖曳着一起转动，越近内部转动越快，视界上各点的角速度相同，视界以外时间迟滞，视界之内时空倒置。
D,霍金黑洞：当恒星坍缩成极致密星体时，物质粒子距离非常近，量子效应起主导作用，按照泡利不相容原理，位置精确，速度应很大（极限是光速），所以使得粒子互相散开，并企图使恒星膨胀，当引力与不相容原理引起的排斥力达到平衡时星体半径保持不变。印度物理学家薩·钱德拉塞卡计算出一个大约小于太阳质量1·5倍的恒星的不相容原理力不能抵抗自身引力，继续坍缩，最终变成一颗半径约为几千英里，密度为每立方英寸几百吨的白矮星。此质量（1·5太阳质量）现在称为钱德拉塞卡质量。【苏联物理学家朗道几乎同时得到此结果。朗道并指出，恒星可能还存在其它终态，这些恒星不是由于电子的泡利不相容原理力，而是中子、质子之间的不相容原理力所支持，所以称为中子星。半径只有十英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。此预言已被证实。】质量大于钱德拉塞卡质量的恒星在耗尽其燃料时，可能会爆炸抛出足够的物质，使其质量减小到极限之下，形成中子星。如果质量仍大于极限质量，引力将大于泡利排斥力，而继续收缩，当收缩到某一临界半径（视界）时变成黑洞。霍金认为，黑洞的奇点是不稳定的，最小的干扰就会导致奇点消失，或者躲到视界后面去，加速运动的重物会辐射引力波，从而带走能量。霍金和罗杰·彭罗斯认为，黑洞视界是由刚好不能从黑洞逃逸，而永远只在边缘上徘徊的光线在时空里的路径所形成的。这些光线永不相交，只能平行或散开。只要物质或辐射落入黑洞，视界面积就会增大，如果两个黑洞膨胀合并成一个黑洞，此黑洞的视界面就会大于或等于原两个黑洞视界面的和。这有点像热力学第二定律的熵增加原理。雅可布·柏肯斯坦认为如果把视界面看作熵，则黑洞也遵从热力学第二定律。然而如果黑洞具有熵，那它应该也有温度，但众所周知，具有特定温度的物体必须以一定的速率发出辐射。苏联物理学家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基认为按照量子力学不确定性原理，旋转黑洞应该产生并辐射粒子。霍金发现，黑洞辐射谱与热体辐射谱相同，其温度只依赖于黑洞的质量，质量越大，温度越低。辐射越小。一个具有几个太阳质量的黑洞，只有一千万分之一的绝对温度，比宇宙背景微波辐射的2·7～3K低的多，所以黑洞吸收的比辐射的多。
霍金认为，在大爆炸宇宙模型极早期，由于微小涨落引起的坍缩而形成的质量极小的太初黑洞，会有高得多的温度，并以大得多的速率辐射。一个具有10亿吨质量的太初黑洞，其寿命与宇宙的年龄相同。比它小的黑洞早已蒸发完毕。比它大的太初黑洞，仍在辐射X射线及伽马射线。因它波长比可见光短得多，实质上温度很高，应是白炽的，正以大约一万兆瓦的功率发射能量。
虫洞和时间旅行
1.哥德尔不完备性定理粉碎了大数学家希尔伯特对“严谨数学”的宏伟计划。
2.虫洞（又叫为爱因斯坦-罗森桥）只能维持很短的时间。
3.根据费恩曼的对历史求和，粒子顺时运动等效于反粒子逆时运动。