我们身处的宇宙图像
毋庸置疑的是，我们每个人对宇宙会感到十分好奇，曾经就有一位十分著名的科学家举行过一次很著名的讲演，在那次演讲中，他十分详细地描述了我们居住的地球是怎样围绕着太阳而进行着公转的，也讲述了太阳是怎样围绕着被我们称之为银河系的一个巨大的恒星集团的中心进行着公转的。
也许大多数人都会觉得这样的一个说法十分荒谬：我们的宇宙就像是一个无限的乌龟塔那样。可是我们又能凭借什么自认为自己能知道得更好？而我们对这个宇宙究竟了解了多少？还有哪些是我们所不知道的？而我们了解宇宙的过程又是怎样的？到底宇宙是从何而来？它的未来又将向何处去？我们的宇宙存在着一个开端吗？如果有的话，那么在宇宙诞生之前的那些时间里又发生了些什么？时间是一种什么东西？时间会存在一个尽头吗？而最近物理学中的一些突破有可能就会为这样一些长久以来一直困扰着我们的问题提供正确的答案，也许在未来，这些问题的答案就会像是在今天我们知道的地球围绕着太阳公转那样的显而易见，也许也会变得和乌龟塔一样的荒谬，而这一切都只有在时间（不管其含义如何）的裁决下才会有最后的结果。
早在公元前340年，古希腊的哲学家亚里士多德就曾在他的著作《论天》一书中提到，他能够提出两个强而有力的论证来证明地球其实是一个圆球而并非人们所认为的一块平板。第一个论证，亚里士多德提出，由于月食是地球运行到太阳与月亮之间而产生的一种现象，而从月食中可以发现地球在月亮上的投影始终都是圆的，地球的投影是圆的，那么地球也就只能是圆的。再假设一下，如果地球是一块平坦的圆盘的话，那么除非月食总是碰巧发生在太阳正好位于地球这个圆盘中心的正下方的时刻，不然的话，地球的影子就会被拉长而在月球上成为椭圆形的投影。第二个论证，有古希腊人从旅行中得知，我们在南方地区观测到的北极星会比我们在较北地区观测到的北极星在天空中的位置相对来说较低一些。（正是由于北极星位于北极的正上方，所以它出现在北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者来说，北极星则刚好出现在地平线上。）
亚里士多德甚至曾根据北极星在埃及和在希腊这两个不同地方观测到的位置上的差别来进行估计，他得出的结论是地球这个大圆的长度为400000斯特迪亚。由于我们现在并不能准确地知道，在当时1斯特迪亚的长度究竟是多少，有人估计是200码（1码=0．9144米）左右，如果是这样的话，那么亚里士多德当时的估计大约是现在我们得到的数值的两倍。古希腊人甚至还为地球是球形的这一理论提供出了第三个论证：如果地球不是圆形的话，那为什么从远处地平线上驶来的船总是要先露出船帆，然后才能露出船身？
在亚里士多德的认知中，我们所处的地球并不是运动感的。亚里士多德相信地球就是宇宙的中心，太阳、月亮、行星和恒星等都以圆周为轨道围绕着地球进行公转，直到公元2世纪，托勒密依据这个思想将其精制，成为一个非常完整的宇宙学模型。在托勒密的模型中，地球处于正中心的位置，在它的外围有8个天球围绕着它，这8个天球分别是月亮、太阳、恒星和其他5个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。为了说明为什么我们在天空中观察到的这些行星具有着相当复杂的轨道，人们认为星体本身沿着附在相应天球上作更小的圆周运动。而最外层的天球携带着所谓的固定恒星，因此它们的相对位置虽然保持不变，但是总体都是在围绕着天空旋转。而最后一层天球之外为何物在当时没人清楚，但是当时的人们肯定那决不是人类所能够观测到的宇宙的部分。
这个模型的系统虽然可以用来相当精确地预言天体在天空之中的位置。但为了能够正确地预言好这些位置，托勒密不得不做出了一个假定：月亮所遵循的轨道有时会使其距离地球的距离是其他时候的一半。这一假定即表明月亮竟然在有时会显得要比在其他时候大一倍。就连托勒密自己都承认这是个瑕疵，可是尽管如此，托勒密的模型在当时虽然并不是普适的，但也被广泛地接受了。其模型甚至还被基督教会采纳，使其成为了与《圣经》相一致的宇宙图像，这是因为这个模型本身具有着巨大优势：它在固定的恒星天球之外为天堂和地狱留下了大量的空间，上帝会喜欢这个理论的。
然而，在1514年，一位波兰的传教士尼古拉·哥白尼却提出了一个更为简单的模型：太阳位于宇宙的中心并且静止，而地球和行星们则都围绕着其做圆周运动。尽管哥白尼的理论所预言的轨道还不能完全和人们的观测相吻合，但依然得到了两位天文学家约翰斯·开普勒和伽利略·伽利雷的支持。
1609年，亚里士多德和托勒密二人的理论正式被宣告死亡。与此同时，约翰斯·开普勒修正了哥白尼的理论，他提出，行星并不是按照圆周而是沿着椭圆（椭圆是拉长的圆）来运动的，从而最终使哥白尼理论的预言和人们的观测相互吻合。
约翰斯·开普勒提出的椭圆轨道在当时受到很多质疑，虽然椭圆轨道能够很好地使预言和观测相吻合，但却并不能和磁力是引起行星围绕太阳运动的原因相互调和起来。这个理论让开普勒本人很讨厌，但是他仍然相信是椭圆轨道而不是完美的圆形轨道。直到1687年，艾萨克·牛顿爵士出版了他的著作——《自然哲学的数学原理》，将这所有的一切问题都解释了。牛顿不但提出了物体是如何在空间和时间中运动的理论，并且还以此发展了为分析这些运动所要用到的复杂的数学。另外，牛顿还提出了著名的万有引力定律。根据这条定律，在宇宙中的任一物体都会被另外的物体所吸引。物体的质量越大，其相互之间距离越近，则吸引力也就会越大。也正是同样的一种力，使得物体是下落到地而不是漂浮到空中。（一个苹果落到牛顿的头上使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。牛顿自己说过的是，当他坐着陷入沉思的时候，一个苹果的下落使他获得了万有引力的思想。）牛顿接着加以证明了，依据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道围绕着地球运行，而地球和其他行星也是沿着椭圆的轨道围绕着太阳公转。
哥白尼的模型摒弃了托勒密模型中的天球以及与其相关的宇宙存在着自然边界的这些观念。因为除了地球围绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，“固定恒星”的位置显得固定不变，于是很自然地就会使人联想到固定恒星是一种和太阳相类似的物体，只不过比起太阳，它们离我们实在是太远了。
根据他本人所提出的引力理论，牛顿很快地意识到恒星应该是相互吸引的，在这样的情况下，它们似乎不能够保持着基本上不运动。在一封于1691年写给当时另一位最重要的思想家理查德·本特里的信中，牛顿论证道，如果只有有限数目的恒星分布在一个有限的空间区域里，这种情况确实是会发生的，于是他从另一方面推断说，如果存在着无限数目的恒星，并且大体均匀地分布于一个无限的空间中，对这些恒星而言，因为这时候并不存在着一个中心落点，因此就不会发生这种情况。
在20世纪之前，竟然从来没有人提出过宇宙是在膨胀或是在收缩，这一有趣的现象反映了当时的思维风气，一般都认为，宇宙要么就是以一种不变的状态存在了无限长的时间，要么以就正如我们今天所观察到的样子诞生在有限久的过去。而产生这种观念一部分的原因可能是因为人们倾向于相信永恒的真理，也有可能由于能够从下面的这个观念之中得到安慰：虽然他们自己就会生老病死，但宇宙却必须是不朽、不变的。
就连那些意识到牛顿提出引力理论会导致宇宙不可能静止的人们也都没有想到提出宇宙有可能正在膨胀。相反地，他们还试图去修正牛顿的理论，使引力在非常大距离之下变成一种斥力，这并没有影响他们对于行星运动的预言，然而却允许恒星的无限分布保持平衡状态——邻近恒星之间的吸引力被远距离外的恒星来的斥力平衡。但是，现在我们相信，这样的平衡其实是非常不稳定的，如果在某一区域内的恒星相互稍微地靠近了一些，它们之间的引力就会增强，并且超过斥力的作用，这些恒星因此而落到一起。相反地，如果在某一区域内的恒星相互稍微地远离了一些，那么斥力就会起到主导作用，并继续驱使它们离得更加遥远。
而通常将另一个反对无限静止宇宙的异见归功于一位德国的哲学家亨利希·奥勃斯，他在1823年撰写了这个理论。事实上，和牛顿同一时代的人也有些已经提出过这个问题。其实，第一篇看起来有理地反驳了这个模型的文章并不是奥勃斯的文章。这个问题的困难在于，在一个无限静止的宇宙之中，几乎所有的视线都必须终结于某一颗恒星的表面。根据这个，人们可以预料，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那样的明亮。奥勃斯的反驳显得十分苍白，他曾说，远处恒星的光线会被它穿越过的物质吸收而减弱。可是如果真的是这样的话，介于这中间的物质最终也会被加热到发出和恒星一样强的光为止，而唯一可以避免整个天空都会像太阳那么明亮的结论的方法就是，假定恒星是在有限的过去才开始发光的，其并不是永远都那么明亮的。在上述的情况下，吸光物质都还没有加热，或者远处恒星的散发互光线还没有到达我们这里。可这个假定就又使我们面临着一个问题：是什么首次引起了恒星的发光？
关于宇宙开端的这个问题在这很久之前就曾被热烈地讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太教、基督教、穆斯林等宗教的看法，宇宙是于过去的某个时刻启始的，而那个时刻是有限的，并且不是非常的遥远。对于这样的一个起点，有一种论证感到必须要有一种“第一推动”来解释宇宙的存在。圣·奥古斯丁曾在他的著作《上帝之城》中提出过另一种论证。奥古斯丁指出，文明在进步，而我们将会记住创造出这些功绩或不懈地在发展技术的人们。这样，人和宇宙都不可能存在非常长的时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书提出，公元前5000年就是宇宙诞生的时刻。（有趣的是，这和大约公元前10000年的最近一个冰河时代的结束相距并不遥远，而考古学家告诉我们，我们的文明实际正是从那时候开始的。）
1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了一部里程碑般的（同时也是非常晦涩难懂）的著作——《纯粹理性批判》。在《纯粹理性批判》中，康德深入地思索了关于宇宙在时间上是不是有开端、在空间上是不是存在界限的问题。他将这些问题称为纯粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因为康德察觉到同时存在着都能够令人信服的论据来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的反命题。康德对于正命题所提出的论证是：假如宇宙并没有一个开端，那么任何事件在发生之前都必定存在了无限的时间，康德觉得这无疑是十分荒谬的。而康德对反命题所提出的论证则是：假如宇宙有一个开端，那么在它之前必定存在着无限的时间，为什么宇宙必须要在某一个特定的时刻开始呢？事实上，康德对正命题和反命题都采用了同样的论证来辩护，这都是基于他隐含的假设，即不管宇宙是否拥有一个开端，时间都可以被我们无限地倒溯回去。而在下面我们将会看到，时间这一概念在宇宙开端之前是没有任何意义的。这一点首先是由圣·奥古斯丁指出的。当在被问及：“上帝在他创造宇宙之前做什么？”时，奥古斯丁没有回答“他正为诘问这类问题的人准备地狱”。而是说明时间也是上帝创造的宇宙的一个性质，因此时间在宇宙开端之前并不存在。
其实，当大部分人都深信我们所处的宇宙本质上是静止不变的宇宙的时候，关于宇宙有没有一个开端的问题，实际上就是一个形而上学或神学的问题。不管是按照宇宙存在无限久的理论，抑或宇宙是以它似乎已经存在了无限久的样子而在某一个有限时刻起始的理论，其实都可以很好地解释到我们所观察到的事实。但在1929年，埃德温·哈勃做出了一个里程碑式的观测，即不管我们往哪个方向观测，远处的星系都正急速地飞离我们而去。换言之，就是宇宙正在膨胀。而这就意味着，在更早的时候，星体们其实更加靠近。而事实上，似乎是至今大约100亿至200亿年之间的某一时刻，所有的星体们刚好都处在相同的地方，因而在那时候，宇宙的密度为无限大，而体积则为无限小。哈勃的这一个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国之中。
而这个关于时间的开端的想法和之前早先所有的考虑都显得非常不同。如果我们是在一个一成不变的宇宙之中，那么时间的端点就是必须由存在宇宙之外的事物赋予的，那么宇宙的开端就没有任何物理的必然性，且人们可以在脑海中想象上帝是在过去的任何时刻创造出了宇宙，但如果宇宙正在膨胀的话，那么为什么会拥有一个开端就似乎拥有了物理的原因？可是人们仍然可以在脑海中想象，上帝是在大爆炸发生的瞬间创造了宇宙，还有可能是在更晚的时刻，以至于是宇宙看起来就像是以发生过大爆炸的方式诞生而设想在大爆炸之前创造了宇宙都是没有意义的。大爆炸宇宙其实并没有排斥造物主的存在，只不过对其何时从事自己的工作加了一点儿限制罢了。
为了能继续谈论关于宇宙的性质和诸如宇宙是否存在着起始或终结的问题，我们必须清楚地知道什么是科学理论。下面我们采用的是素朴的观点，即理论不过只是宇宙或宇宙受到限制的部分的模型，以及相关的一套将这个模型中的量和我们做的观测相联系起来的规则，它只需要存在于我们的脑海里，并不要求再具有任何其他（不管在任何意义上）的实在性。而好的理论一定要满足下面这两点：首先，这个理论要能准确地描述大量的观测，要求这些观测还要都是根据那些只包含了少数的任选元素的模型而做出的；其次，这个理论要能够对未来所观测到的结果作出明确的预言。在一方面上，牛顿的引力理论是基于这样的一种模型，两物体用一种力相互吸引，这个力的大小和两个物体的质量成正比，并和物体之间的距离的平方成反比，同时，它还以很高的精准性正确地预言了太阳、月亮和行星的运动。
从一个只是假设的意义上来讲，任何的物理理论都是存在着临时性的，我们永远不可能证明它，不管有过多少次实验的结果和某个理论相一致，我们永远不可能断定下一次结果就一定不和该理论矛盾。正如科学哲学家卡尔·波普所强调的那样，一个好的理论所具有的特征是：许多在原则上就可以被观测否定和证伪的预言它都能够给出。每当我们观察到有新的实验和这个预言相符，那么这个理论就存在，同时我们还增加了对它的信任度；而若是有一个新的实验和预言不符，那么我们只能选择抛弃或去修正这一理论。
在现实世界中，经常发生的事是，往往设计出的新理论实际上就是原先存在的某理论的一个扩展。爱因斯坦的预言能够和观测到的相符合，而牛顿的理论却做不到这一点，对着一个新理论，一个关键的证实便是这个事实。但是，在我们所处的通常的情形下，牛顿的理论和爱因斯坦的广义相对论的预言之间的差异是非常小的，所以，因为实用的原因，我们至今仍然在使用牛顿理论。（使用牛顿理论还有一个巨大的优点：用其来进行计算要比用爱因斯坦的简单得多了）
科学的终极目的就是提供一个能够描述整个宇宙的单一的理论。可将这一问题分割成两部分来看待却是目前现在大多数的科学家们所遵循的方法。首先，存在着一些定律，这些定律能解释宇宙是如何随时间变化的；其次，存在着宇宙初始状态的问题。有些人觉得科学应该只关心第一部分，这些人将初始状态的问题归结于玄学或宗教。他们会说，无所不能的上帝可以随心所欲地启始宇宙。也许他们是对的，但是，如果真的是那样，上帝也可以将宇宙以他想要的任意的方式去演化，可是他似乎选择了使宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。这样看来，也可以同样合理地假定，同时也存在着制约初始状态的定律。
一蹴而就地设计一种能描述整个宇宙的理论无疑是非常困难的。但是相反地，如果我们将这个问题分成了许多小块并发明许多部分的理论，每一部分理论描述和预言都具有一定的有限范围，同时忽略其他量的效应，并用简单的一组数来代表，这样的方法也可能会全错。如果宇宙中的每一件东西都能以非常基本的方式去依赖于其他任何一件东西，那么使用隔离法来研究问题的一部分也许永远都不可能逼近其完全的答案。但尽管如此，这肯定是一种让我们在过去取得过进展的方法，一个经典的例子便是牛顿的引力理论，这告诉了我们两个物体之间的引力只取决于与每个物体相关的一个数——它的质量，而与物体由何物组成无关。
在今天，科学家们描述着宇宙都是按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学。这两个理论都是本世纪上半叶的伟大的物理成就。其中，广义相对论描述的是引力和宇宙的大尺度结构，也就是从只有几英里一直到大至1亿亿亿（1后面跟24个0）英里（1英里=1．609千米），即可观测到的宇宙的尺度的结构。而在一方面，极小的尺度则由量子力学来处理，例如万亿分之1英寸（1英寸=2．54厘米）的现象。但是遗憾的是，这两个理论并不是相互协调的——它们不可能都同时成立。而当代物理学的一个主要的努力方向以及我们本书的主题就是寻求能将其合并在一起的一个新理论——量子引力论。目前，我们并没有这样的理论，并且想要获得这个理论，我们可能还要走上相当长的一段路，可是现在我们已经知道了这个理论应该所应具备的许多性质。在以下几章里面，其实可以看到，对于量子引力论所应有的预言，我们已经知道得非常多。
对于为何要探索出这样的一个理论，下面的回答是基于达尔文的自然选择原理。自然选择原理说明，在任何自有繁殖的群体之中总是存在着有差异的不同个体。这些差异表明，某些个体会比其他的个体对于周围的世界更能去适应它，因此这些个体就更有可能存活、繁殖下去，而它们的行为和思维的模式将越来越会在群体中起到主导作用。智慧和科学所发现的东西的确给我们带来了存活的好处，这点是毋庸置疑的。同时，我们拥有的科学发现在现在可以轻易地毁灭掉我们拥有的一切，这个显然是十分清楚的。就算不是这样，在对于我们能否存活下来的机会上，一个完整的统一理论是不是也有着影响也是值得怀疑的。但是，假如整个宇宙都已经用一种规则的方式演化到了现在，那么可以预期的便是：在探索完整统一理论的时候，自然选择所赋予我们人类的推理能力仍然在发挥着效用，同时，并因此不会导致我们最后得到错误的结论。
但是，除了少数的最极端的情况之外，我们现有的这一部分理论已经足以对所有的一切都能作出精确的预言，于是，想要为探索宇宙的终极理论来寻找到一个实用的理由，在现在看来就是非常困难的。可是，虽然能否发现一个完整的统一理论可能对我们种族的存活毫无帮助，甚至也不会对我们的生活方式产生任何影响，但是今天我们仍然想知道，我们是因为什么而在这里？我们因何而来？人类最深切的意愿——求知，已经足够为我们现在所进行的积极探索提供了充足的理由，只是我们现在的目标恰好就是对我们生存在其中的宇宙作出一个完整的描述罢了。
空间和时间
现在，关于物体运动的所有观念都来自于伽利略和牛顿。而在他们之前，人们则是相信亚里士多德，亚里士多德说物体的自然状态是静止的，只有在受到力或冲击的推动时才会发生运动。依据亚里士多德的说法，很明显，质量较重的物体比质量较轻的物体下落得会更快，因为它受到的将其拉向地球的力比质量较轻的物体所受到的力要大。
而亚里士多德的传统观点还认为，人们是能够依靠纯粹的思维就可以找出所有制约宇宙的定律的，并没有必要用观测去检验。据说，为了证明亚里士多德的信念是错的，伽利略曾在比萨斜塔上做过将重物落下的实验。这个故事当然不足以为信，不过伽利略的确做过一些类似的实验——让质量不同的球分别沿着光滑的斜面滚下。这种情况很类似于重物的垂直下落，只不过相对来说，这样的速度更小，因而更加容易被我们所观察。而伽利略的测量指出，不管物体本身的重量多少，其速度增加的速率是一样的。例如，我们在一个沿水平方向每10米即下降1米的斜面上释放1个球，则1秒钟后球的速度就为每秒1米，2秒钟后为每秒2米……而这些和这个球自身有多重并没有关系。当然，在生活中，一个铅锤当然比一片羽毛下落得要更快些，不过那只是因为空气阻力将羽毛的速度降低了。如果我们能够释放两个不受任何空气阻力作用的物体，那么它们就会以同样的速度下降。
伽利略的测量是基于牛顿的运动定律的基础上。在伽利略的实验中，当一个物体从斜坡上滚下时，它一直在受到不变外力（它的重量）的作用，而这个外力产生的效应就是使它恒定地加速，这说明了力的真正效应是改变物体的速度，而非像原先为人们所想象的那样，仅仅是使其发生了运动。这一思想首次出现于牛顿在1687年出版的《数学原理》（即《自然哲学的数学原理》，下同——编者注）一书中，并被人们称之为牛顿第一定律。而牛顿第二定律则给出物体在受力时发生的现象：物体在被加速或改变其速度时，其改变率与所受的外力成比例。（例如，如果力加倍，则加速度也将加倍。）物体的质量（或物质的量）越大，则其加速度就会越小（以同样的力作用于具有两倍质量的物体时只产生一半的加速度）。我们可以提供一个熟知的例子——小汽车。小汽车上发动机的功率越大，则其加速度越大，但是一旦增加小汽车的重量，使用相同的发动机，则产生的加速度就会变小。而除了运动定律之外，牛顿还发现了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的质量成比例，于是，如果其中一个物体（例如A）的质量加倍，那么这两个物体之间的引力加倍，这是很简单就能够预料得到的，因为新的物体A可以被分割成两个和原先质量相同的物体，并且每一个都会产生和原先一样的力来吸引住物体B，所以A和B之间的合力就会加倍。而如果其中一个物体的质量增大到原先的2倍，而另一个物体的质量则增大到3倍，那么引力就会增大到6倍。所以现在的人们能够看到落体以同样的速率下降，是因为具有两倍重量的物体将会受到原先向下拉的力两倍大小的引力，但与此同时，它的质量也大两倍，因此根据牛顿第二定律，这两个效应刚好能够被相互抵消掉，所以在所有情形下，我们看到的物体的加速度都是相同的。
牛顿的引力定律还告诉了我们，两个物体之间的距离越远，则产生的引力就会越小。牛顿的引力定律里说，一个恒星产生的引力只是一个类恒星在将距离减小一半后所产生的引力的1/4.这个定律还极其精确地预言了地球、月亮及其他行星的轨道。如果这一定律中的恒星的万有引力随距离减小而增大得再快一些的话，那么行星轨道就不会再是椭圆的了，它们要么以螺旋线的形状盘旋到太阳上去，要么从太阳中逃逸。
伽利略、牛顿的观念和亚里士多德观念之间的巨大分歧就在于：亚里士多德认同的是一个优越的静止状态，物体在没有任何外力和冲击的情况下都会取这种状态。但是我们可以从牛顿定律中推断出，事实上并不存在着唯一的静止标准。举个例子来说，下面有两种说法：物体A静止而物体B以不变的速度相对于物体A运动和物体B静止而物体A运动，而其实这两种讲法都是等价的。如果有人在有轨电车上做运动物体的实验的话，就会发现所有的牛顿定律仍然都成立。例如，在有轨电车上打乒乓球，我们会发现，就和在铁轨边上的台桌上打球一样，两者并没有什么不同，因为乒乓球遵循牛顿的运动定律，所以我们无法得知究竟是火车在运动还是地球在运动。
没有绝对标准上的静止意味着我们将不能够确定在不同的时间上发生的两个事件是否都发生在空间的相同位置上。例如，假定在有轨电车上，我们的乒乓球直上直下地弹跳，在有轨电车上的人们看来，在这1秒钟前后，兵乓球两次都是撞到桌面上的同一处。可是在位于铁轨上的人来看，这两次弹跳是发生在相距大约13米的两个完全不同的位置上，产生这种差异是因为在这两次弹跳的时间间隔里，有轨电车已经在铁轨上走了这么远。
于是，不存在着绝对静止意味着我们并不能够像亚里士多德所相信的那样，能够给事件指定出一个绝对的空间位置。对于分别位于有轨电车上和铁轨上的人来讲，事件发生的位置以及它们之间的距离都是不同的，所以并没有任何理由去确定某个人的立场要比别人的更加优越。
对不存在绝对的位置，即绝对空间，牛顿本人也是非常忧虑的，因为这和他脑海里的绝对上帝的观念并不一致。而在事实上，就因为这个非理性的信仰，牛顿受到了许多人严厉的批评，而在这其中，最有名的应该是贝克莱主教了。贝克莱主教是一位相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。
亚里士多德和牛顿还是存在着相同点的，两者都相信绝对时间的存在。也就是说，亚里士多德和牛顿都相信人们可以毫不含糊地测量出两个事件发生之间的时间间隔，只要用一个好的钟，不管是谁去测量，这个时间都会是一样的。他们认为，时间相对于空间是完全分离且独立的。这种显而易见的常识虽然可以被很好地用来对付那些运动很慢的诸如苹果、行星的问题，但是一旦遇上以光速或接近光速运动的物体时，这个常识却根本无效。
早在1676年，丹麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗默就第一次发现了光是以有限但非常快的速度在履行这一事实。罗默观察到，木星的卫星并不是以相等的时间间隔从木星背后出来，而木星的卫星会以相等的时间间隔从木星背后出来的这个结论却是人们在假定了卫星一直都在以不变的速度围绕木星运动后所做出的预料。当地球和木星都在围绕着太阳公转之时，它们两者之间的距离也在慢慢地变化着。而罗默注意到，在我们离木星越远的时候，木星的月食就会出现得越晚。因此，他提出了这样的观点：当我们离木星较远的时候，光要花更长的时间才能从木星的卫星那里到达我们这里。但是，罗默测得的木星和地球之间的距离变化并不是十分准确，与现在我们已知的光速为每秒186000英里的值相比较，依据他的结果所测出的光速仅为每秒140000英里。尽管有着小小的缺憾，但是罗默不仅证明了光以有限速度行进，还测量了那个速度，并且这一切都是在牛顿发表《数学原理》之前11年做出的，罗默所取得的成就无疑是十分卓越的。
而一直到1865年，英国的物理学家詹姆斯·麦克斯韦成功地将直到现在仍然在用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后，才出现了关于光的传播正确的理论。麦克斯韦的方程中预言，在合并的电磁场中可以存在波动的微扰，它们都是以固定的速度，就像是池塘水面上的涟漪那样的行进着。如果这些波的波长（两个相邻波峰之间的距离）为1米或更长一些，那么它们就是我们今天所谓的射电波。而更短波长的波现在则被称做微波（几厘米）或红外线（长于万分之一厘米）。而可以被我们所能看到的可见光的波长在一百万分之四十至一百万分之八十厘米之间。比这还要更短的波长则被称为紫外线、X射线和伽马射线。
麦克斯韦的理论还预言了射电波或光波应该是以某一固定的速度行进着。但是由于牛顿理论已经让我们摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光以固定的速度行进，我们就必须要说清这固定的速度是相对于哪个物来测量的。据此，就有人提出，宇宙中存在着一种无所不在的物质——以太，甚至在“真空的”空间中也是如此。正如声波在空气中行进一样，光波也应该是通过以太在行进着，所以它们的速度都是相对于以太而言的。而在相对于以太运动的不同观察者之间就分别会看到光正以不同的速度向他们而来，但是光相对于以太的速度是一直保持不变的，特别是当地球在它围绕太阳的轨道穿过以太时，在地球通过以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔伯特·迈克耳孙（他后来成为美国第一位诺贝尔物理学奖获得者）和爱德华·莫雷两人合力进行了一个非常仔细的实验，他们将测量到的沿地球运动方向的光速和垂直于此方向的光速两者进行了比较，结果使他们大为惊奇，这两个光速竟然是完全一样的。
1905年，阿尔伯特·爱因斯坦还只是一位默默无名的瑞士专利局的职员，那时的他就曾在一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时间这个观念的话，那么整个以太的观念就会显得十分多余。
这个在现在被称之为相对论的基本原理是，不管观察者是以怎样的速度在做自由运动，相对于他们而言，所有的科学定律都应该是一样的。这其中可能最著名的莫过于质量和能量的等价定律，这个定律可运用一个著名的方程式——E=mc2来表达（E是能量，m是质量，c是光速），以及没有任何东西的速度能够比光速还快的这个定律。由于能量和质量等价，物体因为它的运动而具有的能量应该都被加诸到了它的质量之上。也就是说，要想让原本速度就很快的物体再次加速将会更加困难。这个效应只有在当物体接近于光速的速度运动时才显得更有实际意义。当一个物体以10％的光速运动的时候，其质量不过只比原先增加了0．5％，可是当物体在以90％的光速运动时，其质量变会得比正常质量的两倍而且还多。并且当一个物体越接近光速的时候，它的质量就会上升得越快，因此它就会需要越来越多的能量才能使速度进一步提升。正是由于这个原因，所以相对论限制了物体运动的速度：任何正常的物体永远是以低于光速的速度在运动，只有光或其他没有内禀质量的波才能够以光速在运动。
相对论还使我们对于空间和时间的概念产生了变革。在牛顿的理论中，如果有一光脉冲从一处发到另一处，由于时间是绝对的，所以不同的观测者对这个行程所花的时间不会有异议，但空间并不是绝对，所以观测者们在光行进的距离上不会总能取得一致的意见。而由于速度就等于路程上的时间，因此不同的观察者就会测量到不同的光速。而在相对论中，所有的观察者都必须在光的速度这一个问题上取得一致的意见，但是，在光行进过多远的距离上，他们就跟在牛顿的理论中一样并不能取得一致的意见，换言之，相对论将绝对时间这一观念给终结了。看来，每一个观察者都一定会有自己的时间测度，这是用他们自己所携带的钟记录的，不同的观察者即使携带着同样的钟，其读数也不一定会一致。
而每个观察者都可以利用雷达发出光或射电波脉冲来说明一个事件在何处、何时发生。一部分脉冲在事件反射回来后，观察者就可以在接收到回波的时候测量出时间。事件的时间可被认为是在脉冲被发出和反射被接收的两个时刻的中点，那么相应地，这一事件的距离便可以用来回行程的时间的1/2乘以光速，这个思想被显示在（下图）上，这是时空图的一个例子。利用这个步骤，作相互运动的观察者对同一事件可赋予不同的时间和位置，并且没有任何观察者的测量能够比其他人的测量更正确，同时，所有的这些测量都是相关的，有着相应的联系的。因此，如果一位观察者此时能够知道其他观察者的相对速度，那么他就能够准确地预测出其他人测算出的这一事件的时间和位置。
在今天，我们测量距离的方法依旧是这种，不过其测量的结果会比之前的更加准确，而这只是因为现在的我们对时间长度的测量更为准确罢了。而事实上，我们现在采用的计量单位——米，就是被定义成为光在以铯原子钟来测量的0．000000003335640952秒的时间内所行进的距离（取这个特别数字的原因是，因为它对应于历史上的米的定义——按照保存在巴黎的特定铂棒上的两个刻度之间的距离）。因此，我们还可以定义一种叫做光秒的更加方便、用处更大的新长度单位，光秒就是简单地被定义成光在1秒的时间内所行进的距离。在今天，因为我们都是按照相对论中对于时间和光速来定义距离的，于是自然而然地，每个单独的观察者所测量出光的速度都是一样的（按照定义为每0．000000003335640952秒之一米）。因此，其实并没有引入以太这样一个观念的必要，而也正如迈克耳孙——莫雷实验所显示出来的那样，我们无论如何都不会检测到以太的存在。虽然相对论有许多的优点，但是相应地，它也迫使了我们从根本上改变了对于时间和空间的观念。现在我们必须要接受的是，时间并不是完全意义上的脱离和独立于空间之外，而必须是要和空间在一起结合，这就形成了一种所谓的时空的客体。
观察者在空间和时间里的路径用左边的垂线表示，到事件去和从事件来的光线的路径用对角线表示。
日常生活中的经验告诉我们，我们是可以只用3个数或坐标就能够准确地描述存在于空间中的任意一点的位置的。譬如，我们可以说这屋子里的一点是离开一堵墙7英尺（1英尺=0．3048米），离开另一堵墙3英尺，同时还比地面高5英尺，同时，我们还可以利用相应的纬度、经度和海拔来指定这相同的一个点。所以，我们是可以自由地选用任何3个合适的坐标的，虽然它们都只是在有限的范围内才会有效。人们也可用离太阳的距离、离行星轨道面的距离以及月亮与太阳的连线和太阳和任意一个临近的恒星，例如半人马座α——连线之夹角来准确地描述它的位置。可是这些坐标对于描述太阳在我们星系中的位置、我们的星系在星系群中所处的位置其实也并没有什么太大的用处。事实上，人们完全可以用一组相互交叠的坐标碎片来描写整个宇宙。而在每一片不同的碎片中，我们都可以用不相同的3个坐标的集合来指明某个点的准确位置。
而现在，我们显然更进一步，可以用4个数或坐标来指定点的位置。在这里我们要重申一遍，坐标系其实是可以任意的选择的；我们可以任意使用3个已经定义好的空间坐标和任何的时间测度。在相对论的理念之中，时间和空间这两者的坐标之间其实并没有真正意义上的差别，就好像在任意的两个空间坐标之间其实是没有差别一样，我们完全可以重新选择一组新的坐标，那么我们就可以说，新得到的空间坐标是旧的第一空间和第二空间坐标的组合。举个例子，我们在测量地球上某一点的位置不用是使其在伦敦皮卡迪里广场以北和以西这两个方向上的里数，而是采用在其东北和西北的这两个方向上的里数，得到的结果也许是不同的，可是它们的意义却是一样的。而相类似地，我们也可以在相对论中用一种新的时间坐标，它是旧的时间（以秒做单位）加上往北离开皮卡迪里的距离（以光秒为单位）。
当我们想要指定一个事件在所谓的时空的四维空间中的位置的时候，使用四维坐标的手段经常是有助的。四维空间其实是不可想象的。
由此我们推出，如果有一个光脉冲在一个特定的空间点和一个特定时刻发出，那么在时间的进程之中，它就会作为一个光球面发散开来，而光球面的形状和大小和它发出的速度并没有关系。百万分之一秒后，光就会散开形成一个半径为300米的球面；而百万分之二秒后，所形成的球面半径就会扩展到600米，等等，这就好比我们将一块石头扔到池塘里，水面上的涟漪向四周散开的现象一样，涟漪是作为一个圆周在散开并随时间越变越大。而如果我们把不同时刻内涟漪的快照逐个堆叠起来，逐步扩大的水波圆周就会形成一个圆锥，而圆锥的顶点正是那个石块击打到水面的时刻和地点。相应地，作为一个事件而散开的光在（四维的）时空中的运动也是如此。
对于给定的事件P，我们可以将宇宙中的其他事件分成3类。从事件P出发的由一个粒子或者波以等于或小于光速的速度行进而且能到达的事件，我们称之为属于P的将来。这些事件处于从事件P发射的膨胀的光球面之内或之上。这样，在时空图中，它们的位置就是处于P的将来光锥的里面或上面。同时，因为并没有任何东西能比光行进得更快，所以在P所发生的东西只能够是影响在P的将来的事件。
相对应地，P的过去就被我们这样定义：以可能等于或小于光速的速度而行进到达事件P的所有事件的集合，就是P的过去。这样一来，它刚好就是所有能够影响发生在P的事件的事件集合，而不处于P的将来、P的过去的事件被称之为处于P的他处。
在这种他处所发生的事件和所发生在P的事件之间是互不影响的。就好像如果我们假定太阳就在此刻立即停止了发光，那么它就不会对此刻发生的地球上的事情产生任何影响，因为现在在地球上的事情是在太阳突然熄灭的这一事件的他处。
而我们只能在8分钟之后才得以知道这一事件，8分钟就是光从太阳到达地球所需要花费的时间。也只有到那个时候，发生在地球上的事件才得以存在在太阳熄灭这一个事件的将来光锥之内。反过来说，也就是我们其实也并不知道在这一时刻中发生在宇宙中更遥远深处的事，因为我们现在所看到的光不过是遥远的星系在几百万年之前发出的，而目前我们所看到的最远的物体，它的光是在大约80亿年前的时候所发出的。因此，其实当我们抬头仰望宇宙的时候，我们就是在看它的过去。
而如果我们忽略引力效应的话，就像1905年的爱因斯坦和庞加莱，那么我们就得到了一种被称之为狭义相对论的理论。对于发生时空中的每一个事件，我们都可以做成一个光锥（所有从该事件发出的光的可能路径的集合），由于在每一个事件所处在任一方向上的光的速度都是一样的，所以所有的光锥都是全等的，并且都是朝着同一方向。而这就意味着，通过空间和时间的任何物体的轨迹必须要由一根线来表示，且这根线落在它上面的每一个事件的光锥之内。
狭义相对论非常成功地解释了为什么对所有观察者而言，光速都是一样的（正如迈克尔孙-莫雷实验所展示的那样）这个问题，并且成功地描述了当物体在以接近于光速运动的时候会发生怎样有趣的事情。但是狭义相对论和牛顿的引力理论显得很不协调，两者之间存在着差异。牛顿的引力理论中说到，两个物体之间的相互吸引，其产生的吸引力依赖于它们之间的距离。换言之，引力效应应该是在以无限的速度行进着，而并不是像狭义相对论所要求的那样，只能以等于或低于光速的速度行进。从1908年至1914年的6年间，爱因斯坦进行了许多次不成功的尝试，他试图找到一个能和狭义相对论的理论协调一致的引力理论。而在1915年，他成功了，这就是在今天被我们称之为广义相对论的理论。
爱因斯坦提出了一个革命性的思想：引力不像其他种类的力，它只是补足时空并不是平坦的这一事实的结果，而早先的人们都假定时空是平坦的。爱因斯坦指出，在时空中的质量和能量的分布都会使时空本身产生弯曲或“翘曲”。像地球这样的物体并不是由于被称之为引力的力才会沿着弯曲的轨道运动着，相反地，地球其实是沿着弯曲的空间之中那条最接近于直线的路径在运动着，这条路径被称之为测地线。一根测地线总是邻近的两点之间最短（或最长）的路径。在爱因斯坦所提出的广义相对论中，物体其实总是在沿着四维时空的直线运动的。
因为太阳的质量以这样的方式将时空给弯曲了，所以，虽然在四维的时空中，地球是一直沿着直线的路径在行进着的，可是在我们看起来，它却在沿着三维空间中的一个圆周轨道而运动。广义相对论还预言了地球轨道椭圆的长轴应围绕着太阳，以大约每1万年1度的速度运动。尽管其预言的这个效应是如此微小，可是还是在1915年前就被人们注意到了，同时还被作为是广义相对论的第一个验证。光线在时空之中也必须遵循测地线。时空是弯曲的这一事实意味着光线在空间中看起来并不是沿着直线行进的。譬如，广义相对论的理论曾预言，由于太阳的质量的原因，在太阳近处的点的光锥会向内稍微地弯折。当然，如果从恒星而来的光线总是能在靠太阳很近的地方穿过的话，那么我们就无从分辨到底是光线被偏折了，还是那颗恒星实际上就在我们所看到的地方。相较于其他的恒星而言，只是改变了表观的位置。
在正常状况下，想要观察到这个效应无疑是很困难的，因为太阳刺眼的光线可以使得我们不可能直接地就能观看到出现在太阳附近的恒星。1919年，一个英国的探险队从西非观测日食，证明光线确实像广义相对论理论所预言的那样被太阳偏折。但可笑的是，后来的人们检查这支探险所拍下的照片后，发现其中的误差十分巨大。这支探险队的测量纯粹是靠运气，也可能是他们已知所要得的结果，这在科学史上并不是件罕见的事情。而在此之后的许多次观测都准确地证实了光偏折。
广义相对论的另一个著名的预言是，在像地球这样的大质量的物体的附近，时间就会流逝得更慢一些，这是因为光所具有的能量和其所具有的频率（光在每秒钟里波动的次数）有这样一种关系：能量越高，其频率越高。当光从地球的引力场向上行进的时候会失去能量，因而它的频率就会下降（这表明两个相邻波峰之间的时间间隔变大）。在当下，基于卫星信号而诞生的精确的导航系统的出现，使地球上在不同高度上的钟产生的速度上的差异在实用上具有相当的重要性。如果我们无视广义相对论的预言的话，那么我们计算位置的误差甚至会达到几英里。
早在1915年之前，空间和时间都被认为是事件在发生的固定的一个舞台，同时它们还不会受到在这个舞台上所发生的所有事件的影响。而现在，空间和时间便成了一种动力量：当物体发生了运动，或者产生了力的作用时，它就影响了空间和时间的曲率；反过来，时空的结构也会改变物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅影响，而且被发生在宇宙中的每一件事影响。就好比我们一旦没有了空间和时间的概念，不能谈论宇宙的事件一样，相同地，在广义相对论中，只有在宇宙界限之内讲空间和时间才是有意义的。
宇宙大爆炸理论
第一个真正证实宇宙存在开端的科学证据是在20世纪20年代的时候被发现的。1929年，哈勃发表了一个将退行速度和它们离开我们的距离相关的定律，并且以此得出一个结论，即宇宙是正在膨胀的。并且，如果我们将目光延伸到足够遥远的过去，宇宙中所有的物质和能量应该是集中在一个体积无限小而质量无限大的点上，因此就会存在着一个一切起始的瞬间，现在这个事件被我们称之为大爆炸。
哈勃的结论遭到了众人的质疑。剑桥大学天文学家阿瑟·爱丁顿于1931年把宇宙想象成一个膨胀的气球的表面，所有星系为那个表面上的点。也就是说，两个星系在某一时刻的距离为1英寸，那么1小时后，它们的距离就会变成2英寸，以此类推，星系越远，它离开我们运动得越快，这也正是哈勃的发现。
星系受了引力的束缚，空间的膨胀并不会影响到诸如星系、恒星、原子或其他由于某种力而被束缚在一起的物体的尺度，所以，当气球膨胀时，圆圈和在其中的星系会保持尺度和外形。只有当我们测量的工具具有固定尺寸时，我们才能够检查膨胀。可是如果万物都是在自由膨胀的话，一切就都会按着比例在膨胀，就不会觉察到有什么不同了。
1922年，俄国物理学家兼数学家亚历山大·弗里德曼研究了基于两个可使数学极度简化的假定之上的一个宇宙模型：宇宙在任何方向都显得相同，以及从所有观察点看也是这样。我们知道弗里德曼第一假定不完全真实，还好宇宙并非处处一致。然而，在1927年，一位名为乔治·勒梅特的物理学教授和罗马天主教牧师提出了类似的思想：如果你沿着宇宙历史回溯到过去，它会变得越来越小，直到一个创生时刻，那就是今天我们称做大爆炸的时刻。
“大爆炸”这一术语是剑桥天体物理学家弗雷德·霍伊尔于1949年创造的，然而一直等到了1965年，人们发现了在整个太空中存在着暗淡的微波背景，成为支持这一观点的最早的直接观测。
这个宇宙微波背景辐射，而CMBR是从大爆炸后曾短暂存在过的温度非常高且密度非常大的早期宇宙所遗留的辐射。伴随着宇宙不断地膨胀，CMBR逐渐地冷却、辐射下来，直至现在被剩下了的我们所观察到的这些暗淡的残余。
为大爆炸图像提供了令人信服的有利证据就是氦丰度以及CMBR的测量，而根据爱因斯坦广义相对论的方程和我们对天空的观测去获悉极年轻时代的宇宙，那时，宇宙温度、密度和曲率都是无限的，这是数学家称之为奇点的情形。不能用之预言宇宙为何起始，只能用之预言之后它如何演化，而大爆炸图像一直延伸至起始却是不正确的。
我们将会很快就会再次回到关于宇宙诞生的问题，但在此之间，我们首先要讲一下有关膨胀的第一相，即被物理学家称之为暴胀的东西。根据相对保守的估计，在宇宙暴胀的期间，宇宙在0．000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01秒的时间膨胀了1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000倍，这就好像是直径1厘米的硬币忽然变成银河系宽度的1000万倍。我们都知道相对论要求没有任何东西比光运动得更快，然而这个速度极限其实并不能够适用在空间本身的膨胀上。
暴胀成为重要概念的一个原因就是CMBR温度的均匀性，只有存在着比光速快得多的膨胀时期才可以纠正这个问题，因为在极其微小的前暴胀早期，宇宙才会有足够的时间来使均匀化发生。
暴胀至少能够在一个意义上解释大爆炸中的爆炸，即其至少能够说明在它所代表的膨胀中会比广义相对论产生的传统的大爆炸在暴胀的时间段里的膨胀远为极端。可问题在于，为了保证我们的暴胀理论模型能有效地运行，我们就要用一种非常特殊的以及高度不可信的方式来设定一个宇宙的初始态。这样，传统的暴胀理论虽然解决了一些问题，可是同时也产生了另一个问题——它需要一个非常特别的初始态。而下面即将要描述的宇宙诞生理论将会消除掉这个零时间的问题。
如果把膨胀的宇宙认为是泡泡的表面，那么宇宙中自发量子诞生的图像有点儿像在我们生活中水烧开的时候看到的蒸汽泡：许多微小气泡出现，然后再次消失，这些代表了在微观尺度时就坍缩了的微小宇宙。这里面很可能存在着另外的宇宙，但是因为它们没有能够维持的足够久而使得星系和恒星，更不用说智慧生命这些得以发展，所以它们其实并不是十分有趣。但是这些小泡泡中的一部分会长得足够大，从而会使得它们避免坍缩，并且它们还将以不断增加的速度继续膨胀，最后就形成了我们肉眼能看到的蒸汽泡。这个过程对应于在开始不断增加的速度膨胀的宇宙，即正在处于暴胀状态的宇宙。
而这个观念就导致了一种和我们传统的概念十分不同的宇宙观，要求我们要做出思索宇宙历史的方式的改变。为了能在宇宙学中作出预言，我们还需要计算出在此刻整个宇宙的所有在不同状态下的概率。在物理学中，人们通常都会对一个系统假定某一个初始状态，然后再利用有关的数学方程将其向时间的前方进行演化，从而给定该系统在某一个时刻的一个状态，人们还试图计算在此后的一个时刻内，该系统分别处于不同状态下的概率。在宇宙学中，通常都是假定了宇宙是具有一个单独、明确的历史，并且我们可以利用相关的物理学定律去计算这个历史是如何随着时间而发展的，我们将这种方法称之为“从底到顶”。但是，由于我们还必须要考虑到就好像费恩曼历史求和表达而成的宇宙量子性质，因此想要获得宇宙现在所处于一个特别的态的概率的这个幅度的话，我们要将来自于所有满足无边界条件下和结束在问题中的态的历史进行叠加。换言之，在宇宙学中，我们不应该是从底往上遵循着宇宙的历史，因为这样就假定了存在一个单独的历史，同时该历史还具有明确的、被定义的起点和演化。相反地，我们要从顶到底地去跟随历史，从现在开始回溯。由于某些历史比其他的历史发生的可能性更大，因而求和的结果通常就是被一个单独的历史所支配着，这个历史开始于宇宙的诞生，完成于宇宙的未来。然而，由于宇宙在现在时刻的不同的可能的态存在着不同的历史，这就导致了宇宙以及因果之间的关系的根本不同的观点。对于费恩曼求和贡献的历史来说，它并不是独立地存在着，而是依赖于一些物质从而正在被我们测量。简单来说，就是我们是在用自己的观测来创造历史，而并不是历史创造了我们。
如果我们从底向上去建立其宇宙的历史，那么我们就没有理由将我们实际观测到的粒子相互作用对应于宇宙的终止，即（基本粒子相互作用）标准模型的内空间。而在从顶到底的方法中，我们接受具有所有可能内空间的宇宙存在这一想法，所以在一些宇宙中，电子能够具有高尔夫球的质量，或者引力会比磁力更强。标准模型及其所有参数都十分适用于我们的宇宙，我们可以计算出在无边界的条件上导致标准模型的内空间的概率幅度，就像存在着具有三个大空间维度的宇宙的概率一样，因为我们已经观察到了标准模型描述我们的宇宙，所以这个概率相对于其他的可能性，幅度是多小都没有关系了。
在几百年前，那时候的人们都是认为地球是唯一的，并且还位于宇宙的中心。今天我们知道，在我们的星系中存在几千亿颗恒星，而其中的许多都拥有着行星系统，同时，在宇宙中还存在着几千亿个星系。本章描述的结果指出，我们所在的宇宙本身其实也只是众多的宇宙中的一个罢了，而且这个宇宙的表观定律还不是被唯一确定的，对于那些希望终极理论，即万物理论能预言日常的物理的性质的人来说，这个结论一定会让他们非常扫兴。我们其实不能够预言诸如大的空间里的内空间，也不能够预言那些确定我们观察的物理量（例如，电子和其他基本粒子的质量和荷）的维数之类的各别特征，而实际上我们反而使用了那些数去选择哪种历史对费恩曼求和的贡献。
现在的我们似乎正处于科学史的一个临界点上，在这里必须要变更我们有关的目标以及什么使物理理论可被接受的观念。现在看来，自然表观定律的基本的数，甚至形式都并非是由逻辑或物理原则所要求的。其参数可自由地采用许多不同的值，以及定律也可以采用任何一个能够自洽的数学理论的形式，同时，在不同的宇宙中，它们的确是采用了不同的值和不同的形式。这可能不满足我们人类的一个欲求，即我们是特殊的，或者也有悖于我们所想发现的容纳所有物理定律的优雅集合。但是，这也许就正好是自然的方式。
正在膨胀的宇宙
随着地球的公转，某些看上去固定的恒星相互之间的位置在我们看来确实起了一些非常微小的变化，并不是完全的固定不动的。而这是因为它们距离我们较近一些的缘故。当地球围绕着太阳公转时，相对于更远处的恒星背景，我们在不同的位置上去观测着它们。这是幸运的，因为这样能让我们直接地测量这些恒星与我们之间的距离，恒星离我们越近，它就越会显得移动得多。离我们最近的一颗恒星叫做比邻星，它离我们大概只有4光年那么远（这意味着光从它那儿来到地球，要用上4年的时间），换算下来也就是大约23万亿英里的距离。而其他的大部分肉眼可见的恒星和地球的距离都是在几百光年之内。和它的同类相比，太阳仅仅距离地球8光分那么远，实在是相当的接近。可见的恒星散布于整个夜空，但是特别集中在一条我们称之为银河的带上。早在公元1750年，就曾有天文学家提出，如果大部分可见的恒星都是处在一个单独的碟状的结构中的话，那么银河的外观可以得到解释，这个结构便是今天被我们称为螺旋星系的概念的雏形。而这之后不过几十年，就有一位天文学家——威廉·赫歇尔爵士通过对大量恒星的位置和距离进行过细的编目分类，证实了这个观念。但是，这一思想一直在本世纪初才完全被人们所接受。
直到1924年，我们现代的宇宙图像才被基本奠定。就是在那一年，美国天文学家埃德温·哈勃证明了我们的星系并不是唯一的星系，宇宙中还存在着其他的许多星系，而在它们之间的则是更为巨大、空虚的太空。为了要证明这些，哈勃就必须确定这些星系之间的距离，而这些星系是如此之遥远，并且不像邻近的恒星那样，显得是固定不动的，所以哈勃被迫采用间接的手段去测量这些星系的距离。由于恒星的视亮度取决于它辐射出来多少光（它的光度）和它离我们有多远这两个因素。对于处在近处的恒星，我们可以通过测量其视亮度和距离，这样就可以算出它的光度。反之，如果我们能够知道在其他星系中的恒星的光度，我们也就可以用测量它们的视亮度从而来算出它们的距离。哈勃还注意到，当某些类型的恒星近到足以被我们测量时，它们都有相同的光度，所以他提出，如果我们在其他星系找出了这样的恒星，我们同样可以假定它们有同样的光度，这样我们就可以计算出那个星系的距离。而我们如果能够对同一星系中的许多恒星都重复这一过程，并且最后计算出来的结果总是能够给出相同的距离的话，那么我们就可以相当地信赖这一估计。
哈勃用上述方法计算出了9个不同星系的距离。我们都知道，我们的星系都只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个，而每个星系本身都包含有几千亿颗恒星。下图所示的便是一个螺旋星系的图，生活在其他星系上的人们看我们的星系想必也是一样。我们所生活的星系是在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的，而在它的螺旋臂上的恒星围绕着其中心公转一圈，大概要花费几亿年的时间，而太阳只不过是一颗平常的恒星，它位于一个螺旋臂的内边缘附近。我们离开亚里士多德和托勒密那时候的想法肯定相当远了，在那时，人们可都是认为地球是宇宙的中心。
多数的恒星离我们是如此遥远，使我们都只能够看到一些极小的光点，而看不到它们的大小和形状，这样的话，我们怎么能区分不同种类的恒星呢？对绝大多数的恒星来说，它们只有一个特征可供我们观测——光的颜色。牛顿发现，如果使太阳光通过一个称为棱镜的三角形状的玻璃块，其就会被分解成像在彩虹中一样的分颜色（它的光谱）。类似地，将一台望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上的话，我们也就可以观察到这恒星或星系的光谱。
而不同种类的恒星具有不同的光谱，而不同颜色的相对亮度总是和人们所期望的从一个红热的物体中发出的光的光谱完全一致。此外，我们还发现，某些非常特定的颜色会在恒星光谱中丢失，而这些失去的颜色可根据恒星的不同而不同。由于每一个化学元素都会吸收一些非常独特的颜色族系，而通过将这些颜色和恒星的光谱中失去的颜色比较，我们就可以准确地推断出该恒星在大气中存在哪些元素。
早在20世纪20年代，当天文学家开始观察其他星系中的恒星所具有的光谱时，他们就发现了某些最奇异的现象：这些光谱和我们的银河系一样具有吸收的特征线族，只不过所有这些线族都在向光谱的红端移动了一样的相对量。为了能够理解这其中的含义，我们首先必须理解一下多普勒效应。就像我们看到的一样，可见光是由电磁场的起伏或波动构成的。光的波长（或者相邻波峰之间的距离）极其微小，为0．0000004米至0．0000008米。不同的波长正是其被人眼分成不同颜色的原因，最长的波长出现在光谱的红端，而最短的波长则在光谱的蓝端。现在想象一下，在某个和我们有固定的距离的地方有一个光源，它正在以固定的波长发射出光波。很显然，在我们接收到光波的时候，其波长和发射时的波长应该是一样（星系的引力场并没有足以强到对它产生明显的效应）。而现在假定这个光源正开始向着我们运动，因此当光源发出第二个波峰时，它就会比第一次的时候离我们更近一些，而这样两个波峰之间的距离显然要比在光源静止的时候要小。
从现在看来，所有关于宇宙在任何方向看起来都一样的证据似乎是在暗示着我们在宇宙中的位置有点儿特殊。特别的是，如果我们看到了所有其他的星系都远离我们而去，那我们似乎必须要处在宇宙的中心。但是这其实还存在另外的解释：在任何其他星系上看宇宙，在任何方向上也都一样，而这就是弗里德曼的第二个假设。我们现在并没有任何科学的证据能够让我们去相信或反驳这个假设。我们选择相信它只是基于一种谦虚：如果宇宙只是围绕我们而在的所有方向上显得相同，而在宇宙中的其他点却并非如此，这无疑是非常令人惊奇的事情。在弗里德曼的模型中，所有的星系都互相直接的原理。这种情形就像是一个被画上许多黑的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任意两个黑点之间的距离必然会加大，但是没有一个黑点可被认为是膨胀的中心。此外，黑点相离得越远，则它们相互的速度就会更快。而类似地，在弗里德曼的模型中，两个星系之间互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以他预言，星系的位移应该与离开我们的距离成正比，而这正是哈勃所发现的。尽管弗里德曼的模型取得了成功，并准确地预言了哈勃的观测，但是一直到1935年，为了响应哈勃的宇宙均匀膨胀这一发现，美国物理学家霍瓦德·罗伯逊和英国数学家阿瑟·瓦尔克发现了与其类似的模型后，弗里德曼的工作被人们普遍认可。
弗里德曼模型的一个特点是：宇宙在空间上并不是无限的，可是也同样的没有边界。引力是如此的强大，能够将空间折弯之后再使之绕回到自身，使之相当像地球的表面。如果有人在地球的表面上朝一定的方向不停地旅行，他将永远不会遇到一个不可超越的障碍或从边缘掉下去，反而会最终回到他出发的那一点。第一类弗里德曼模型中的空间和这个非常相像，只不过地球表面是二维的，而它则是三维的。虽然第四维的时间在范围上也是有限的，但是它就像一根有两个端点，即开端和终端的线。在以后我们就会看到，在当人们将广义相对论和量子力学的不确定性原理相互结合在一起的时候，就可能使空间和时间都成为有限的，并且不存在任何边缘或边界。
一个人可以绕宇宙一周最终回到出发点的这个思想是一个很好的科学幻想题材，但在实际并没有多大意义。因为我们可以证明，当那个人还没来得及绕完一圈的时候，宇宙就已经坍缩到了零尺度。只有旅行得比光还快，才能够在宇宙终结之前让你回到你的出发点，而这是显然不被允许的。
但是想要描述我们的宇宙，究竟要应用到什么样的弗里德曼模型呢？宇宙是最终会停止膨胀并开始收缩，还是将一直永远地这样膨胀下去？要回答上面的这个问题，我们不仅要知道现在宇宙的膨胀速度，还要知道其现在的平均密度。如果其密度是比一个由膨胀率决定的临界值还小的话，那么引力太弱，从而不足以继续将膨胀停止；而相反地，如果密度比这个临界值还要大的话，那么引力就会在未来的某一时刻将膨胀给停止，并且使宇宙坍缩。
利用多普勒效应，我们可以由测量星系离开我们的速度来确定宇宙现在的膨胀速度，这在现在可以很精确地实现。然而，因为我们只能间接地来测量星系的距离，所以对它们的距离，我们知道得还不是很清楚。现在我们所知道的不过是宇宙在每10亿年里膨胀5％～10％。因此，我们对现在宇宙的平均密度测量就显得更加不准确了。
所有的弗里德曼解释都具有这样的一个特点，即在过去的某一时刻（约100至200亿年之前），邻近星系之间的距离一定为零。在那一时刻，宇宙的密度和时空曲率都是无限大。而实际上，我们现在的科学理论都是基于时空是光滑的、几乎平坦的基础上从而进行表述的，所以我们现有的科学在时空曲率为无限大的大爆炸奇点处完全崩溃，而这就意味着，即使在大爆炸前存在着事件，我们也不能够用现有的科学去确定在其之后所要发生的事件，因为可预见性在大爆炸处就直接地崩溃了。
而在1963年，两位苏联科学家——欧格尼·利弗席兹和艾萨克·哈拉尼科夫做了另外一个尝试，设法回避掉大爆炸并因其而引起时间起点的问题。他们两人提出，大爆炸很可能只是存在于弗里德曼模型中的一个特性，而毕竟这个模型只是真实宇宙的近似。利弗席兹和哈拉尼科夫的工作无疑是有价值的，因为这表明了，如果广义相对论是正确的，那么宇宙就可以有过奇点，一个大爆炸。
哈勃对于宇宙膨胀这一现象的发现以及对于我们自己所生活的行星在茫茫宇宙中微不足道的这些认识，统统都不过只是一个起点罢了。随着越来越多的实验和理论证据的积累，我们得以越来越清楚地认识到，这个宇宙在时间上必须一定有一个开端。而直到1970年，在原先爱因斯坦广义相对论的基础上，彭罗斯和霍金两人才证明了这点。他们二者的证明显示，广义相对论只不过是一个不完全的理论，因为它不能够解释宇宙是如何开始的，因为广义相对论预言了所有的包括它自己在内的物理理论都会在宇宙的开端失效。当然，广义相对论既然宣称自己只不过是一个部分的理论，那么奇点定理真正显示的就是，在极早期的宇宙中一定存在着一个时刻，那时宇宙是如此的小。我们必须要开始理会20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应了。在20世纪70年代初期，当我们被迫的从极其巨大范围的理论内理解宇宙转变到从极其微小范围的理论上理解宇宙。
