第1章 通往實在性之路
空間、時間以及事物為什麼是那個樣子
我的父親並不介意別人碰他那佈滿灰塵的舊書架上的任何一本書。但從小到大，我從未見過任何人從中取下一本。那些書多半是大部頭——涉及方方面面的文明史、成套的西方文學巨著以及大量我已記不起來的其他書籍——它們看起來已經和因為數十年牢固的支撐工作而微微彎曲的架子融為一體了。但是在書架的最上一層，有一本薄薄的小書總能引起我的注意，因為它看起來如此不合時宜，就像大人國中的格列佛1一樣。現在回想起來，很奇怪我那時候竟然沒有早點讀一讀那些書。或許是因為年頭太久了，使得那些書不像是用來讀的，倒像是祖上流傳下來的傳家寶一樣，令人不敢碰觸。不過，這種敬畏之心還是敵不過十來歲孩子不安分的天性。我最終拿起了那本書，拂去表面的灰塵，翻開了第一頁。那最開始的幾行文字，即使退一步說，也令人非常吃驚。
“只有一個真正的哲學問題，那就是自殺”，這本書就是這樣開始的。我有點退縮了。“這個世界是三維空間嗎？意識有9種還是12種方式？”這本書提出諸如此類的問題，並解釋說這些問題是人類勇敢天性作用下的一部分，但是只有當那個真正的問題解決時這些問題才值得討論。這本書就是阿爾及利亞哲學家諾貝爾獎得主阿爾伯特·加繆所作的《西緒福斯神話》。後來的一段時間內，隨著對他所說的話的逐漸理解，我心中感到的那絲冰冷才慢慢融化。當然，我覺得你可以一直思考和分析這些問題，但是真正的問題卻在於你所有的思考和分析是否使你確信生命值得存在。那才是所有問題的癥結所在，其他事情都只是細節而已。
雖然我只是偶然讀到加繆的書，但他的話給我留下了極為深刻的印象，時常縈繞耳旁，這遠非我讀過的其他書所能比擬的。我一次又一次地想：我所遇到的、聽說過的或者在電視上看到的各種各樣的人會怎樣回答這一根本性的問題呢。回想起來，儘管他的第2個論斷——關於科學進步所起的作用——對我來說，更具有特殊意義的挑戰性。加繆認為理解宇宙結構確實有價值，但是據我所知，他並不認為這種理解可以改變我們對生命價值的評價。現在看來，十幾歲的我讀有關存在主義哲學的書就像巴特·辛普森2讀浪漫詩歌一樣，但是即便如此，加繆的論斷仍然帶給了我相當大的震撼。對於這個具有抱負的唯物論者而言，對生命作出明智的評價需要對生命舞台——宇宙有全面的理解。我忍不住想，如果人類居住在深埋在地下的岩石洞穴裡，我們就不會發現地球的表面、明媚的陽光、海洋的微風以及遠離我們的星球；假設人類沿著一個不同於現在的方向進化：如果人類不能獲得除觸覺以外的其他感覺，那麼我們所知道的一切事物將來自於對周圍環境的觸覺印象；如果人類大腦發育停止在兒童早期，那麼我們的情商和分析能力將不會超過一個5歲的孩子——簡而言之，如果我們的經歷僅僅是一些對實在性的瑣碎描繪——那麼我們對生命的評價將大打折扣。當我們最終尋找到通往地球表面的路，當我們具有了視覺、聽覺、嗅覺和味覺時，當我們的大腦能夠發育到正常水平時，我們對生命和宇宙的看法必然發生根本性的變化。這樣看來，我們現有的對實在性的理解將會對所有哲學問題的基礎產生非同小可的影響。
會產生什麼影響呢？或許你會這樣問。任何一位清醒冷靜的思考者都會得出這樣的結論：雖然我們不可能理解宇宙的每一樣東西——關於物質運轉和生命功能的方方面面——但是我們仍然可以在大自然的畫布上按照自己的意願添上粗糙的幾筆。確實正如加繆所暗示的那樣，物理學上的進步，比如對空間維度數目的理解；或者神經心理學的進步，比如對大腦的所有組織結構的理解；或者，就此而言，其他大量的科學進步都可以說是構成了重要的細節，但它們對我們理解生命和實在性的影響卻微乎其微。的確，實在性是我們對世界的認識；實在性是通過我們的經驗而展現在我們眼前的。
在某種程度上，我們當中的許多人對實在性都會有上述的看法，只是未明確表述出來而已。我發現自己在日常生活中常以這種方式思考；這樣我們就很容易被自然的表象所迷惑。但是，從我第一次讀到加繆的書以來的幾十年間，我發現現代科學給我們上了與眾不同的一課：20世紀以來的科學研究告訴我們，人類的經驗往往會對我們理解實在性的本質起誤導作用。隱藏在日常生活背後的是一個我們幾乎沒有多少瞭解的世界。神秘現象的追隨者、占星術的信徒以及那些宣揚超自然的宗教主義的人們，儘管其觀點各不相同，但都得到了類似的結論。但那並不是我要說的，我要說的是天才的創造者和孜孜不倦的科學家們的工作，如同剝洋蔥一樣，揭開了宇宙一層層的面紗，探索了一個又一個的難題，向我們展示了一個完全不同於平常人們所認識的宇宙，一個令人驚奇、興奮和優雅的宇宙。
但是這些科學進展也只是細節而已。自然科學的重大突破已經驅使並且有力量繼續驅使我們的宇宙觀發生戲劇性的變化。現在，我仍然像幾十年前一樣確信，加繆把生命的價值作為基本問題討論是正確的，但現代自然科學讓我相信，通過日常經驗來評價生命就像通過一個空可樂瓶來凝視凡·高一樣。作為先鋒的現代科學，向我們的基本感知發起了一輪又一輪的攻擊，使我們對我們存於其間的這個世界產生了很多概念性的迷惑。因此，即便加繆把物理問題分離出來並置於從屬地位，我仍然相信科學才是最根本的。在我看來，科學的實在性為反駁加繆的觀點提供了舞台和一些啟示。評價存在性問題而忽略了現代科學的洞察力就像在黑暗中與一名不知名的對手摔跤。加強對科學實在性的真正本質的理解，將有利於重塑我們的人生觀和宇宙觀。
這本書的核心在於闡釋對實在性的理解起最為關鍵作用的一些修正，主要集中在那些長期以來影響人類時空觀念的工作上。從亞里士多德到愛因斯坦，從羅盤到哈勃望遠鏡，從金字塔到山頂上的天文台，自從思想產生時，時空就為我們的思想確立了框架。隨著現代科學的到來，它們的重要性已大大提高。近3個世紀以來，物理學的發展表明，時空觀念已被看做最令人困惑且最引人注目的問題，但同時也是對宇宙進行科學分析的基礎；時空觀念已列於古老的科學概念之上，而這些古老的科學概念被邊緣研究改建得更加奇妙。
對於艾薩克·牛頓而言，空間和時間只不過是一個永恆不變的、普適的宇宙舞台，以便宇宙中的事件能夠在此一幕幕地上演。對於同時代可與牛頓匹敵的戈特弗萊德·威廉·范·萊布尼茨而言，“空間”和“時間”只是與物體在哪裡和事件何時發生有關係的詞彙。換句話說，空間和時間對他們而言並不能代表什麼。但對於阿爾伯特·愛因斯坦而言，空間和時間是隱藏在實在性下面的原始材料。通過相對論，愛因斯坦震撼了我們的時空觀，向我們展示了它們在宇宙演化中所起的重要作用。從那時起，空間和時間就成為物理學界最耀眼的明珠。對我們而言，時間和空間是既熟悉又神秘的；徹底地理解時間和空間已成為最令物理學家膽怯的挑戰，而它同時也是受歡迎的獵物。
本書所講述的物理學進展主要是一些關於時空結構的不同理論。其中的一些理論挑戰了人類長久以來——即便沒有幾千年也有幾百年——的時空觀。另外一些理論則將試圖尋找我們對時空理論的理解和日常生活經驗之間的聯繫。而其他理論將質疑普通觀念限定範圍內所不能解釋的一些問題。
我們在本書中將盡可能少地涉及哲學問題（這裡當然不是指關於自殺和生命的意義的那些哲學）。但在探尋科學解釋空間和時間之奧妙的過程中，我們完全是不受任何限制的。從宇宙最小的微粒和最早的時刻到其所能達到的最遠的邊界和最遙遠的未來，我們將在熟悉和寬廣的環境中探索時間和空間，不停歇地去追求其真正性質。科學家們對空間和時間的探索還在繼續，此刻我們還無法作出最終的評價。我們將會介紹一系列的進展——有些非常奇怪，有些令人非常滿意，有些已被實驗證實，有些還只是空想——它們將向我們展示人類對宇宙結構的思考究竟到了何種地步，人類的指尖對實在性真正紋理的觸摸已到了何種深度。
經典意義上的實在性
關於現代科學從何時開始，歷史學家們眾說紛紜，尚無定論。但毫無疑問的是，從伽利略、笛卡兒、牛頓等人開始創造他們的學說時起，現代科學已經走上了正軌。在那個時代，新的科學意識體系正在穩步地建立起來，地球上和天文學上實驗數據的規律性使人們越來越清楚地看到，宇宙的過去和未來是有規律可循的，通過精密的推理和數學分析我們可以找到這些規律。富有現代科學思想的早期先驅們指出：回顧走過的科學之路，宇宙中發生的事件不僅可以解釋，而且也可以預測。科學所具有的預言未來方方面面的力量——持續而定量的——早已得到了證實。
早期的科學研究主要集中在我們日常生活中可以看到或體驗的各種事物。伽利略從斜塔上拋落重物（大約是人所共知的傳奇），或者觀察沿斜面滾落的小球的運動；牛頓研究樹上落下來的蘋果（又是一段傳奇）和月球軌道。這些研究的目的在於使新生的科學研究與大自然和諧一致。當然，物理學中的實在性是各種體驗的來源，但更富挑戰的是聆聽自然的和諧之聲並尋找隱藏在其背後的原因。許多著名學者和無名英雄都為早期科學的飛速發展作出了巨大貢獻，但最後只有牛頓成了舞台上的明星。通過對數學方程的運用，牛頓將地球和天空中的各種已知運動現象綜合了起來。就這樣，今日所謂的經典物理學誕生了。
在牛頓完成其工作之後的幾十年間，他的方程被發展出了詳盡精密的數學結構，大大豐富了原始理論，擴展了其實際用途。經典物理學逐漸成為一種深奧精妙而又成熟的科學體系。但是照亮科學之路的卻是牛頓富有創造性的洞察力。即使今天，300多年過去了，我們可以發現牛頓方程依然出現在世界各地的初級物理學課程中；在NASA（美國國家航空和宇宙航行局）的飛行計劃裡依然用牛頓方程來計算太空船的運行軌跡；在前沿研究的複雜計算中也常常有牛頓方程的一席之地。在一個單獨的理論體系下，牛頓帶來了豐富的物理學現象。
但在總結他的運動學定律時，牛頓遇到了一個棘手的問題，而這個問題對於我們所要講述的故事也很重要（第2章）。每個人都知道物體可以運動，但是這些運動發生在哪裡呢？空間，也許大家都會回答。但是，牛頓卻會問，空間又是什麼呢？空間是一個真正的物理實體？還是人們根據對宇宙的理解而得出的一個抽像概念呢？牛頓意識到這個關鍵問題必須得以解決，因為如果沒有對空間和時間的正確理解，他的公式將變得毫無意義。理解需要來龍去脈，思考需要正確的方向。
因此，在他的《數學原理》一書中，牛頓用簡明的語言闡述了空間和時間的概念，他認為空間和時間是絕對的、不可改變的實體，這就為宇宙提供了一個固定而不可改變的舞台。根據牛頓的理論，空間和時間為宇宙提供了一個不可見的框架從而形成了宇宙結構。
即使在當時，也並不是每個人都同意牛頓的說法。有些學者就指出把理論建立在你摸不到又看不著也無法影響的事物上是沒有意義的。但是牛頓的解釋和牛頓方程驚人的預言能力使這樣的觀點銷聲匿跡。在之後的200年裡，牛頓關於空間和時間的絕對性觀點成為鐵律。
相對論意義上的實在性
經典的牛頓世界觀之所以令人心悅誠服，並不僅僅是因為它能以驚人的精確度描述自然現象，更是由於這種對大自然的描述的細節之處——數學——是與經驗緊密相連的。你用力推一個物體，它就會加速。你擲出球時花的力氣越大，球撞牆時所發生的形變也就越大。當你擠壓某個物體時，你也會感覺到那個物體在擠壓你。一個物體的質量越大，它所具有的重力也就越大。所有這些都是自然世界的最基本性質。當你學習牛頓的力學體系時，你會發現所有的這一切都可由牛頓的方程清晰直觀地表示出來。不同於用水晶球占卜那一套完全無法瞭解的騙人伎倆，任何一個只受過很少數學訓練的人都可以掌握牛頓定律。經典力學為人類的直覺提供了堅實的基礎。
引力很早就被牛頓納入其方程之中。但直到19世紀60年代，電力和磁力才由蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋添加到經典物理體系中。麥克斯韋需要使用新的方程來描述電力和磁力，而他所用到的數學知識需要更高層次的訓練才能完全掌握。由麥克斯韋引入經典物理體系中的新的方程在描述電磁現象上恰如牛頓方程在描述運動上那樣成功。到了19世紀末，宇宙的奧秘顯然已不是人類智力的對手了。
事實上，隨著電與磁的成功統一，科學家們逐漸產生了一種認識：理論物理即將完善。有人提出，物理學正在飛速地發展為一門完善的學科，它的定律不久後就會被雕刻在石碑上。1894年，著名的實驗物理學家阿爾伯特·邁克爾遜評論道，“大多數重要的基本理論已牢固地建立起來”，他引用了一位著名的科學家的話——大多數人認為這句話是英國物理學家羅德·開爾文說的——物理學界剩下的工作只是確定小數點後的數字之類的問題。11900年，開爾文曾指出物理學界上空盤旋著兩朵烏雲，一個與光的運動性質有關，另一個則是物體被加熱時的輻射問題，2但在當時，大家都覺得這些也僅是一些細節問題，它們很快就會被解決。
在隨後的10年間，一切都改變了。雖然正如人們所預料的那樣，開爾文提出的這兩個問題很快被解決了，但是它們的解決卻帶來了更多的故事。每個問題的解決都導致了一場革命，都需要改寫基本自然定律。空間、時間和實在性——幾百年來它們不僅有效運轉，而且精確地表達了我們對世界的直覺——將不得不被丟棄了。
1905～1915年，阿爾伯特·愛因斯坦完成了狹義相對論和廣義相對論，掀起了一場解決開爾文第一朵“烏雲”的革命（第3章）。在電、磁和光的運動的謎團中掙扎時，愛因斯坦意識到，經典物理學的基石——牛頓的空間和時間概念出現了狀況。通過1905年春季幾個星期的努力，愛因斯坦提出：空間和時間並不像牛頓認為的那樣具有獨立且絕對的存在性；兩者實際上以一種與日常經驗相反的形式相互聯繫。10年之後，愛因斯坦重寫了引力定律，為牛頓定律的棺木敲上了最後一顆釘。這次，愛因斯坦指出空間和時間不僅是一個統一整體的一部分，而且通過自身的蜷曲參與了宇宙演化。空間和時間遠非如牛頓所想像的那樣具有穩固且不可改變的結構；在愛因斯坦的理論中，它們富有彈性並且可以不斷變化。
狹義與廣義相對論是人類最寶貴的成就，愛因斯坦正是利用它超越了牛頓體系中實在性的概念。即使牛頓的經典物理學在數學上看起來與我們所能感知的物理世界相符合，但它所描述的實在性並不是我們世界的實在性。我們生活於其中的乃是一個具有相對論意義上的實在性的世界。但是，由於經典物理與相對論物理的實在性之間的偏離只有在極端的情況下（如在速度和引力非常大時）才非常明顯，因此在大多數情況下，牛頓理論作為一種近似，仍然具有一定的精確性及有效性。但功用性和實在性是完全不同的標準。我們將會看到，我們習以為常的空間和時間的性質只不過是錯誤的牛頓式臆想而已。
量子世界中的實在性
羅德·開爾文提出的第二種反常為我們帶來了量子革命，它是現代人類在對宇宙的認知上不得不承受的一場劇變。當這場劇變煙消雲散、經典物理學的飾面被燒焦後，浮現出了新鮮的量子實在性的理論框架。
經典物理學的一個關鍵特性在於，如果你知道某一時刻所有物體的位置和速度，那麼根據牛頓方程和麥克斯韋添加的新方程，你就可以推算出任意其他時刻（包括過去和未來）所有物體的位置和速度。毋庸置疑，在經典物理學體系下，過去和未來都可以與現在準確地聯繫起來。而狹義相對論和廣義相對論也有此一說。雖然在相對論框架下，過去和現在的概念比我們所熟知的經典物理中的過去和現在（第3章和第5章）的概念要微妙一些，但只要有了相對論方程以及現在的現在這一時刻的所有物理條件，我們還是能夠推導出有關過去和未來的一切。
而到了20世紀30年代，物理學家們被迫引進一種全新的理論體系——量子力學。令人意想不到的是，人們逐漸發現只有依靠量子定律才可以解開大量謎團，並為其時剛剛從原子和亞原子層次測得的各種數據找到合理的解釋。但是根據量子定律，即使你對現在的事物的狀態做出最完善的測量，你最多也只能預言物體在未來或過去某個時刻的運動路徑的概率。根據量子力學，宇宙並不能從現在完全推演出，我們所能得到的只是概率。
雖然對於如何解釋這些進展仍存在著爭議，但大多數科學家都認同概率的概念與量子意義上的實在性是密不可分的。人類直覺及其在經典物理中的表現形式會勾畫出一幅有關實在性的圖像，在這幅圖像中，物體總會明確地朝著這個或那個方向運動；但量子力學則不然，它所描繪的只是物體徘徊在各種運動狀態之間的實在性。只有當某種觀測事件強迫物體放棄量子概率時，我們才會得到確定的結果。而儘管我們不能預言這最終的結果，但我們卻可以預言物體處於或這或那的運動狀態的概率。
坦白地說，這聽起來的確有點不可思議。我們並不習慣這種在具體的觀測之前一直保持模糊的實在性。但是量子力學的奇異性並未到此為止。1935年，愛因斯坦和兩個年輕同事內森·羅森和鮑裡斯·波多斯基寫的一篇論文令人又一次震驚於量子力學的奇妙，在這篇論文中，作者們試圖發起一次對量子理論的攻擊。3基於科學發展的螺旋式上升說法，我們可以將愛因斯坦的論文看做是第一篇指出了量子力學——從表面意義上來說——隱含著某種可能性的文章。這種可能性即在此地發生的事情可以瞬時地與彼地發生的事情聯繫起來而不用考慮距離的問題。愛因斯坦認為這種瞬時聯繫荒謬可笑，並將這種來自於量子理論的數學結果視作證明量子理論仍有待發展的明證。但是到了20世紀80年代，理論和工程技術的極大發展使得用實驗來檢驗這種假想的量子謬論成為現實，研究者們證實了相距甚遠的兩個不同位置間發生瞬時聯繫的可能性。在早期實驗條件下令愛因斯坦感到荒謬可笑的事情真的發生了（第4章）。
關於量子力學特性對實在性圖像的影響是一個正在進行中的研究課題。許多科學家，包括我自己，將它們看做是關於空間意義與性質的激進的量子升級中的一部分。正常看來，空間間隔意味著物理上的獨立性。如果你想要控制足球場那邊發生的事情，你不得不去那兒，或者，至少，你不得不送某人或某物（助理教練，可以傳播聲音的空氣分子，或能引起注意的閃光，等等）穿越球場以施加你的影響。如果你什麼都不做——如果你保持原地不動——你將不會對球場的那邊產生任何影響，因為球場中間的大片空間將阻斷任何物理聯繫。而量子力學，至少在某些情況下，通過展現超越空間的能力對這種觀點提出了挑戰；大範圍的量子關聯可以避開空間間隔。兩個物體在空間可以相隔很遠，但從量子力學的角度考慮，它們似乎就可看做一個整體。而且，由於愛因斯坦所發現的空間和時間之間的緊密聯繫，量子關聯對時間也有影響。我們將在後面的章節中介紹一些巧妙又真正神奇的實驗，這些實驗最近探測到量子力學中一些令人非常吃驚的時空關聯，正如我們所看到的，它們非常有力地挑戰了經典的、我們大多數人所持的直覺性觀點。
除了上述的那些令人印象深刻的觀念，還有一個有關時間的基本特性——它的方向是從過去指向未來的——相對論和量子力學都沒法給出解釋。關於這一問題，唯一令人信服的進展來自於物理學領域名為宇宙學的研究。
宇宙學裡的實在性
睜大你的雙眼尋求宇宙的真正本質一直是物理學的最基本目的之一。很難想像有什麼經歷會比認識到——如我們20世紀做到的那樣——我們所感受到的實在性只不過是實在性的一縷而已，更能令人覺得不可思議的了。但物理學的另一個同等重要的目標就是解釋我們在實際生活中所感受到的實在性。回顧一下物理學史，似乎這個目標已經達到了，似乎普通的生活感受已經被20世紀前的物理學解決了。從某種程度來看，這是正確的。但即使是那些日常之事，我們也遠遠沒有完全理解。我們日常感受到的很多事情都仍未被解釋清楚，其中之一即是現代物理學界最深奧的秘密——偉大的英國物理學家阿瑟·愛丁頓爵士把它稱為時間之箭。4
我們理所當然地認為萬物都有一個時間上的發展方向。雞蛋一旦打碎就不再完整了；蠟燭一旦融化就不能再重塑起來了；記憶一旦成為過去就不再屬於未來；人們一旦年老就不再年輕了。這些不對稱性主宰了我們的生活；過去和未來的區別是檢驗實在性的主要因素。如果過去和未來表現出來的對稱性與我們所見證過的左與右，後與前的對稱性一樣，那麼這個世界將變得無法認知。每當雞蛋打碎時，碎片很快就可連接起來；每當蠟燭融化時，蠟油很快就可重塑；我們會記起很多未來的事情就像我們回憶過去一樣；每當人們變得年老時很快就會再變得年輕。顯然，這種時間上的對稱性並不具有實在性。但是時間的不對稱性來自哪裡呢？是什麼決定了時間所有的最基本的特點呢？
事實上，一些被廣泛接受的著名物理定律並未顯示出這樣的不對稱性（第6章）：時間的每個方向，向前或向後，在定律中都是沒有區別的。而這是一個巨大謎團的起源。基礎物理學的方程中並無時間方向的區別，這與我們的日常生活經驗是不一致的。5
令人驚奇的是，儘管我們的注意力集中於熟悉的日常生活，但要想令人信服地解決基礎物理與基本體驗之間的不相容，我們就得思考最不熟悉的事情——宇宙的起源。這種認識植根於19世紀物理學家路德維格·玻爾茲曼的工作，許多研究者對此進行過詳盡的說明，其中最著名的有英國數學家羅傑·彭羅斯。我們將會看到，宇宙開端時的特殊物理環境（在宇宙大爆炸之時或之後的高度有序的環境）可能已經為時間選擇了一個方向，正如將一個時鐘的發條擰緊，使之處於高度有序的初始狀態，然後它就會滴滴答答轉起來。因此，從某種意義上講，雞蛋破碎——而不是破碎的雞蛋重新完整——見證的是140億年前宇宙誕生時即已設定的條件。
日常經驗與早期宇宙之間出乎意料的聯繫使我們認識到為什麼事物總是向時間軸的一個方向發展下去而不能反過來進行，但是這並未完全解決時間之箭的神秘性。相反，它把謎團擴大至整個宇宙學——針對宇宙起源與整個宇宙的演化的研究——它促使我們尋找宇宙是否有高度有序的開端，而這正是解釋時間之箭的關鍵所在。
宇宙學是令我們人類感到困惑的最古老學科。這一點都不奇怪。我們是講故事的人，什麼故事能比有關創生的故事更偉大呢？過去的幾千年間，世界範圍內的宗教和哲學教義對萬物——宇宙——的起源提出過種種不同版本的詮釋。科學，在其漫長的歷史中，也早已染指宇宙學。但直到愛因斯坦的廣義相對論出現之後，現代科學宇宙學才真的誕生。
在愛因斯坦發表他的廣義相對論之後不久，許多科學家，包括他自己，都曾將廣義相對論應用於整個宇宙。十幾年後，他們的研究導致了試探性的理論體系即所謂大爆炸理論的誕生，該理論成功地解釋了許多天文學觀測現象（第8章）。20世紀60年代中期，支持大爆炸理論的證據進一步增多，通過觀測，人們發現空間中存在著近似均勻的微波輻射——雖然肉眼不可見但很容易就能被微波探測器檢測到——而這是大爆炸理論預言過的。到20世紀70年代，經過更為細緻的研究，人們取得了實質性進展，已經能夠確定不同時期熱量與溫度上的改變與宇宙的基本組成之間的對應關係，大爆炸理論穩固了其在宇宙學理論中的領先地位（第9章）。
儘管其成功毋庸置疑，但大爆炸理論也有非常明顯的缺陷。它無法解釋太空中為什麼會有天文學觀測所發現的整體形狀，也無法解釋為什麼微波輻射的溫度在整個天空中各向同性——自打微波背景輻射被發現起人們就一直在研究的問題。而且，從我們研究的最初目的來看，大爆炸理論並未提供令人信服的理由來解釋宇宙在最初時刻高度有序的原因，而這正是解釋時間之箭的關鍵所在。
20世紀70～80年代，各種各樣未被解決的問題引發了一場重大突破，導致了所謂的暴漲宇宙學（第10章）的誕生。暴漲宇宙學修改了大爆炸理論，在宇宙最初時刻插入了一場以令人難以置信的速度急劇膨脹的極短暫的爆炸時期（在該理論中，宇宙在不到百萬億億億分之一秒的時間內，其大小增加了百萬億億億倍）。年輕的宇宙的瘋狂增長填補了大爆炸模型所留下的空隙——從而解釋了宇宙形狀和微波輻射的均勻性，也暗示了早期宇宙高度有序的原因——於是也就在解釋天文學觀測和我們所體驗到的時間之箭方面取得了實質性進展。
然而，儘管取得了以上成功，但發展了20年的暴漲宇宙論一直隱匿著它令人遺憾的一面。與其所修正的標準大爆炸理論一樣，暴漲宇宙論需要借助於愛因斯坦所發現的廣義相對論方程。雖然大量的研究文章證明了愛因斯坦方程在精確描述大型重量級物體上確實有效，但是長久以來物理學家們都知道有關小物體的精確理論分析——比如所觀測宇宙的年齡還不到1秒時——需要使用量子力學。問題是當廣義相對論的方程與量子力學的方程混合在一起時，將發生災難性的結果。方程完全破產了，這將阻礙我們確定宇宙的誕生過程，以及其在誕生之初時的條件是否能用來解釋時間之箭。
將這種情況描述成理論學家的夢魘並非誇張：分析一個實驗上無法涉及的重要領域時卻找不到數學工具的幫助。因為空間和時間與這一特別的難以企及的領域——宇宙起源——有著千絲萬縷的聯繫，所以要理解空間和時間，我們就得找到這樣一種方程——它得能應付早期宇宙高密度、高能量、高溫度的極端條件。這絕對是一個具有本質意義的目標，許多物理學家相信，要解決這個問題需要發展所謂的統一理論。
統一理論的實在性
過去的幾個世紀裡，物理學家們通過說明各種各樣千變萬化的或者在表面上看來全無聯繫的現象實際上可歸結於單獨一組物理定律，來肯定我們對自然界的理解。對於愛因斯坦而言，這樣統一的目標——用最少的物理原則來解釋最廣泛的現象——成了他延續一生的激情。借助於他的兩個相對論，愛因斯坦統一了空間、時間和引力。但是這種成功只能起到鼓舞他，令他思考得更加深遠的作用。他夢想著能找到一個獨立的，能涵蓋所有自然定律的理論體系；他將這樣的理論體系稱為統一理論。雖然時不時地有謠傳說愛因斯坦已經發現了統一理論，但是所有的傳言都毫無根據；愛因斯坦的夢想還沒有實現。
在愛因斯坦一生的後30年中，他集中精力研究統一理論而使他脫離了當時的主流物理學。在許多年輕科學家看來，對於一位像愛因斯坦這樣的偉人而言，一意孤行的研究統一理論是走錯了方向。但是在愛因斯坦逝世後的幾十年裡，越來越多的科學家接過愛因斯坦的接力棒，繼續他未完成的事業。今天，發展統一理論已成為理論物理學界最重要的問題。
許多年來，物理學家們發現實現統一理論的關鍵障礙在於20世紀物理學界的兩個重大突破——廣義相對論和量子力學——之間的矛盾。雖然這兩個體系應用於不同的領域——廣義相對論應用於宏觀物體如星球和星系，而量子力學應用於諸如分子原子之類的微觀物體——但是它們各自都宣稱自己具有普適性，可以應用於所有的領域。不管怎樣，正如前面所說，一旦將這兩個理論結合起來，所得到的方程就會產生毫無意義的答案。比如，當用量子力學結合廣義相對論來計算某個過程或與引力有關的事件發生的概率時，答案不是24%、63%、91%之類；相反，所得到的數學結果居然是無限大。但這並不意味著某事發生的可能性如此之大，必勝無疑，以至於你應該把所有的錢都賭進去。大於100%的概率是沒有意義的。計算得出無限大的概率只能說明將廣義相對論和量子力學結合起來所得到的方程是有問題的。
科學家們意識到相對論和量子力學之間存在矛盾已有半個多世紀了，但在相當長的時間內，很少有人感到有必要去解決這個問題。相反，大多數研究者用廣義相對論來分析大而笨重的物體，而用量子力學來分析小而輕的物體，他們小心翼翼地在每個理論的安全範圍內使用它們，防止了相互矛盾的產生。許多年來，這種綏靖政策使得這兩種理論分別在各自的領域取得了相當大的成就，但這並不能帶來永久的和平。
很少的一些領域——既具有大質量又具有小尺度的極端物理條件下——即那些需要廣義相對論和量子力學同時有效的領域徹底淪為軍事禁區。舉兩個最為人所熟悉的例子：在黑洞中心，一個完整的星球由於自身重力可被壓縮成一個微小的點；大爆炸理論假想整個可觀測宇宙被壓縮成比一個原子還要小很多的核。沒有廣義相對論和量子力學的成功結合，塌縮星球和宇宙起源將永遠是未解之謎。但許多科學家寧願把這些領域擱置一邊，或至少把其他易解決的問題解決之後再來考慮這個問題。
但是有些科學家卻無法等待。公認的物理定律之間的矛盾意味著掌握深層次真理的失敗，這已經足以使這些科學家無法安心了。儘管路途艱辛，但那些不斷探索的科學家們卻發現了更加深不見底的水域和更為洶湧的波濤。然而隨著時間的慢慢逝去，研究卻無多大的進展；一切看起來仍是那麼虛無縹緲。儘管如此，那些堅定決心探索這個領域並不斷追尋著統一廣義相對論和量子力學的科學家們仍然值得嘉獎。科學家們現在正沿著被先驅們照亮的道路繼續前進，已經快要實現這兩個理論的完美結合。大多數人認為最有競爭實力的理論是“超弦理論”（第12章）。
我們將會看到，超弦理論發軔於為一個老問題給出的新答案：最小的，不可再分的物質是什麼？幾十年來，傳統答案是物質是由粒子組成——電子和夸克——它們被模型化為不可再分，沒有大小也沒有內部結構的點。傳統的理論認為——並有實驗證實——這些粒子以各種不同的方式結合起來產生質子、中子和各種各樣的原子和分子，進而組成我們平常肉眼所見的各種物體。超弦理論是一個與眾不同的理論。它並未否認電子、夸克和實驗所發現的其他粒子所起的重要作用，但它聲明這些粒子並非是點。相反，根據超弦理論，每種粒子都是由極小的能量絲組成，它們比單個原子核還要小萬億億倍（遠非我們目前所能探測的長度），這種能量絲形成一種形似弦的東西。就像小提琴的弦能按不同的模式振動，而每種振動模式都能產生不同的音調一樣，超弦理論中的能量絲也有多種振動模式。這些弦的振動儘管不會產生不同的音調；但根據該理論，它們卻會產生不同的粒子性質。按某種模式振動的細小的弦有電子的質量和電荷；據該理論，這就是我們傳統意義上的電子。按不同模式的振動著的另一根小小的弦將會是夸克、中子或其他類型的粒子。所有不同類型的粒子都可以在超弦理論中得到統一，因為每種粒子都是由相同基本實體的不同模式的振動產生的。
表面看來，從點演變到極小以至於看起來像點的弦似乎並不具有重大意義。但事實並非如此。從這樣微小的開始，超弦理論把廣義相對論和量子力學整合為一個獨立、連貫的理論，從而消除了以前嘗試統一所得出的無限大的概率。如果那還不夠的話，超弦理論已經展現出了將自然界中所有的力和所有的物質都統一於同一理論的必然性。簡而言之，超弦理論是愛因斯坦統一理論的重要候選者。
這些偉大的主張，如果正確，將意味著里程碑式的進步。但是超弦理論最激動人心的特徵——毫無疑問，這也將使愛因斯坦激動——在於其對我們理解宇宙結構上所產生的重大影響。我們將會看到，根據超弦理論，我們的時空觀必須來一次巨變，才有可能在數學上合理地將廣義相對論和量子力學結合起來。超弦理論要求有9個空間維度和1個時間維度存在，而不是常識中的三維空間和一維時間。在超弦理論更加複雜的化身所謂的M理論中，統一需要十維空間和一維時間——宇宙在根本上有11個時空維度。由於我們看不見這些額外的維度，超弦理論相當於告訴我們，我們迄今為止所瞥到的實在性只有那麼一點點。
當然，沒有額外維度的觀測證據也可能意味著它們並不存在以及超弦理論是錯誤的。然而就這樣得出結論是十分草率的。在發現超弦理論的幾十年前，一些富有前瞻性的科學家，包括愛因斯坦，曾經思考過這個問題，或許空間維度遠遠不止我們所看到的那麼多，額外的維度可能隱藏起來了。研究弦論的科學家們充分精煉了這些思想並發現額外維度很難取得突破性進展，因為它們太小以至於無法用現有的設備看到（第12章），也可能它們很大但是我們探索宇宙的方式無法將其發現（第13章）。每一種猜想都會帶來豐富的內涵。通過其弦的振動的影響，微小且有褶皺維度的幾何形狀在回答大多數基本問題（如為什麼我們的宇宙中存在著恆星和行星）上起著關鍵性的作用。大的額外空間維度所留有的想像餘地允許更不可思議的想法：或許存在著其他的，我們至今完全沒有察覺到的周邊——不是普通空間意義上的周邊，而是額外維度上的周邊——世界。
雖然只是一個大膽的想法，但額外維度的存在並不只是理論上天馬行空的想法。它也許很快就會得到驗證。如果額外維度真的存在，我們就有可能在下一代原子對撞機上得到意想不到的結果，比如說人類將有可能第一次人工合成微觀黑洞，或是產生一大批新的、從未被發現的粒子（第13章）。各種各樣的奇異結果可能為平常不可見的額外維度提供第一手證據，並使超弦理論離人們長久尋求的統一理論更進一步。
如果超弦理論被證明是正確的，那麼我們將不得不接受我們所知道的實在性不過是厚重又紋理豐富的宇宙織物的精美花邊而已。儘管據加繆看來，確定空間維度的數目——特別有意義的是，如果真的發現空間維數並不只是3個——所提供的遠不只是一些科學上很有趣但卻最終無多大意義的細節。但額外維度的發現將使我們認識到，全部的人類經驗還不足以幫助我們完全知曉宇宙在基本層面上實質性的東西。這將不容辯駁的證明，我們過去以為通過人類感官即可輕易明瞭的宇宙特性也不一定就如我們認為的那樣。
過去和未來的實在性
隨著超弦理論的發展，科學家們非常樂觀地認為我們已經建立起了一個任何情況下——無論情況多麼極端——都將成立的理論體系；而有了這個理論，我們就可以在未來的某一天，在這個理論方程的幫助下，搞清楚宇宙起源的那一刻究竟發生了些什麼。迄今為止，還沒有人有辦法將該理論合理地應用於大爆炸理論，但是從超弦理論的角度來理解宇宙已經成為當代研究的首選之一。過去的一些年裡，有關超弦理論的世界範圍內的研究計劃已經為我們帶來了新穎的宇宙學體系（第13章），使我們可以用天文學觀測來驗證超弦理論（第14章），並使我們有機會初窺超弦理論在解釋時間之箭中應起的作用。
時間之箭，因其在我們日常生活中所扮演的重要角色及其與宇宙起源之間的密切聯繫，而處在我們所感知的實在性與前沿科學試圖追尋的更為精確的實在性之間的交匯地帶。如上所說，時間之箭的問題串起了我們將要討論的許多科學的進展，有關時間之箭的問題將會在後面的章節中反覆討論，這樣才是恰當的。在影響我們生活的許多因素中，時間佔有最重要的地位。當我們能熟練掌握超弦理論及其擴充——M理論時，我們對宇宙學的理解將會更加深刻，對時間起源與時間之箭的理解也將更為銳利。如果我們能讓想像自由馳騁，我們甚至能預想到我們理解的深度終有一天能讓我們自由地探索時空，進而探索那些遠非我們現在的能力所能達到的領域（第15章）。
當然，我們可能永遠都沒辦法擁有這種力量。但即使我們從來都沒有控制時間和空間的能力，深刻的理解也會使我們有自己的力量。我們對時間和空間本性的理解將是人類智力的證明。我們最終會瞭解空間和時間——這一悄然矗立著的限定人類感知範圍的界碑。
空間和時間的下一個時代
許多年前，當我翻到《西緒福斯神話》的最後一頁時，我就對文中所體現出的無上的樂觀情緒感到驚奇。一個人被詛咒，當他把一塊大石頭推上山時，這塊石頭將會滾下來，於是他又不得不再次將石頭推上山，這畢竟是那種注定不會有幸福結局的故事。但是加繆卻在他身上找到了真正的希望，西緒福斯追求自由的意志，勇敢地面對不可逾越的障礙，英勇地選擇了生存，即使他因被詛咒而不得不在冷漠的宇宙裡做一項十分荒謬的工作也不放棄。西緒福斯放棄除即時體驗外的一切，不去尋找任何一種更深刻的理解或更深刻的意義；在某種意義上，加繆認為，西緒福斯勝利了。
對於在別人看來只有絕望的事情，加繆卻有能力發現其中的希望，我對此感到十分震驚。但是作為一個少年，即使在幾十年後的今天依然如此，因為我無法同意加繆的觀點——對宇宙的更深刻的理解將不會使生活更有意義。西緒福斯是加繆心目中的英雄，而我心中的英雄卻是最偉大的科學家——牛頓、愛因斯坦、尼爾斯·玻爾和理查德·費曼。我讀過費曼對於玫瑰的描述——他解釋他如何感受到玫瑰的芳香和美麗，就像其他人做的那樣，而他的物理知識大大豐富了人類的體驗，因為他也能理解基本的分子、原子和亞原子過程中的奇跡和壯麗——我被他深深地迷住了。我推崇費曼描述的：在所有可能的層面上體驗生活、感知宇宙，而不僅僅停留在那些恰好符合人類感知能力的層面上。尋求對宇宙的深層次理解已經成為我活力的源泉。
作為一名物理學教授，長久以來我認識到我高中時在對物理的沉迷中存在一些天真的想法。物理學家們一般不會懷著對宇宙的敬畏和幻想把時間花在思考花兒上。相反，我們把許多時間花在研究爬滿黑板的複雜數學公式上。進展是如此的緩慢。即使富有希望的想法也往往毫無所得。那就是科學研究的本質。但是，即使在只有微小進展的時期，我也會發現在猜測和計算上的努力使我同宇宙之間的聯繫變得更加緊密了。我覺得一個人開始瞭解宇宙，並非只能通過解釋宇宙的神秘之處瞭解，也可以通過令自己沉浸在研究宇宙的樂趣之中來瞭解。獲得答案很了不起，獲得被實驗驗證的答案就更了不起。但即便最終被證明是錯誤的答案，也代表著與宇宙的聯繫加深了一步——這種聯繫為我們的問題帶來了更多的光亮，進而使我們對宇宙瞭解更近了一步。即使與特定的科學探索有關的巨石依然滾回原地，我們還是會學到一些東西並豐富我們對宇宙的體驗。
當然，科學史向我們揭示，人類集體科學探索這塊巨石——幾個世紀以來各個大陸的無數科學家們所作出的貢獻——不會從山上滾下來。不像西緒福斯，我們不用一次又一次從頭再來。每一代科學家們從先輩手中接過接力棒，對先人的艱苦工作、洞察力、創造性表示敬意，並把它們再向前推進一點。新的理論和更為精準的測量是科學進步的標誌，而這樣的進步又建立在以前科學成就的基礎上。正是由於這樣的原因，我們的任務並非荒唐而無意義的。在把巨石推向山頂時，我們承擔的是最精細、最高貴的工作：揭開我們稱之為家園的這片地方的奧秘，在我們發現的奇境中暢遊，把我們的知識傳授給我們的跟隨者。
作為一個能直立行走的物種，我們所面臨的挑戰是艱難的。在過去的300年中，我們取得了巨大的進步，從經典物理學到相對論，再到量子的實在性，直到今天對統一實在性的探索，我們的思想和工具都經歷了時間和空間上的巨大跨越，使得我們離這個偽裝得如此之巧妙的世界更近了。我們正在逐步揭開宇宙的面紗，一步步接近真理。雖然我們的探索之路還很長，但很多人相信，人類已經快要結束童年時期了。
可以肯定的是，我們對銀河系6的探索已經醞釀了相當長的一段時間。我們以這樣或那樣的方式探索這個世界、思考整個宇宙已經有幾千年了。大多數時候，我們只簡單地探索未知之物，每一次儘管稍有收穫但大體沒有多大的變化。自從牛頓倉促地樹起現代科學的旗幟，科學就勇往直前了。跟從前相比，我們正朝著更高的目標前進。而我們的探索之路將從一個簡單的問題開始。
什麼是空間？
第2章 宇宙與桶
空間究竟是人為的抽像，還是物理實體呢
一桶水能夠成為一場長達300年之久的論戰的核心問題的機會並不多。但是伊薩克·牛頓爵士的這桶水並不尋常。爵士在1689年記述了一個小小的實驗。自那以後，這個實驗對世界上最偉大的一些物理學家產生了意義深遠的影響。這個實驗說的是：將一隻水桶裝滿水，然後用繩子吊起來；將繩子緊緊地擰起來，使得鬆手後桶能夠旋轉起來；擰緊後鬆手。起初，桶開始旋轉，而其中的水處於靜止狀態；水的表面光潔平坦。慢慢地，隨著桶的速度越來越快，其運動就會通過摩擦力緩緩地傳遞給桶中的水，從而使得水也開始旋轉。這個時候，水的表面變成凹狀，邊緣高中心低，如圖2.1所示。
這就是我們要討論的實驗——並不是那種使人心跳加速的問題。但是我們稍微思考一下，就會發現這桶旋轉的水令人困惑不解。接下來我們就好像300年來並沒有人研究過它一樣，緊緊地抓住旋轉的水桶這一問題，將其視為通向瞭解宇宙奧秘之路的關鍵幾步。當然，理解這個問題需要一些背景知識，但是在這方面下點工夫將會是值得的。
圖2.1 水面開始是平的。桶剛開始旋轉的時候，水面保持平穩。接下來，水也隨之旋轉，從而導致水面下凹。在水旋轉的過程中，水面將一直下凹，即使桶減速並停止旋轉的時候依然如此。
愛因斯坦之前的相對論
我們總是將“相對論”這個詞與愛因斯坦聯繫起來，但事實上這一概念可以追溯到更為久遠的年代。伽利略、牛頓以及其他的很多人都深知速度——物體運動的速率與方向——具有相對性。使用現代術語，我們可以這麼解釋：在擊球手看來，投得不錯的快球以差不多100千米/小時的速度飛來。但從棒球的角度看，是擊球手以差不多100千米/小時的速度接近。這兩種說法都是準確的，只是立場不同而已。運動只有在相對的條件下才有意義：一個物體的速度究竟如何，只有通過與另一個物體的關係才能說明。或許你曾有過這樣的經驗：坐在火車中，窗外的另一輛火車與你乘坐的這輛火車相對運動。這時，你不能立刻說出究竟是哪一輛火車真的在動。伽利略在描述這一問題時使用的是他那個時代的交通工具——船。在平穩行駛的船上自然地鬆開一枚硬幣，如同在陸地上的情況一樣，硬幣會落到你的腳上。從你的角度來看，你處於靜止狀態而水流從船邊流過。這樣的話，由於你並沒有運動，硬幣相對於你的腳的運動將與你在陸地上的情形一模一樣。
當然，在某些情況下運動似乎具有某種內在性，你可以在沒有外界事物作參考的情況下就可以感受並且宣稱你肯定在運動。這就是加速運動，一種你的運動速度或運動方向發生改變的運動。如果你所乘坐的船突然向某一邊傾斜，掉轉船頭，突然加速或減速，又或者是在漩渦中團團轉的時候，你就會知道你正在運動。這個時候你並不需要選好某個參考點就可以知道自己在運動。即使你閉著眼睛也是如此，因為你能感覺到它。但是如果你處於速度大小和方向都不變的運動狀態——勻速直線運動——你就沒法知道自己是否處於運動狀態。所以，你所感覺到的是運動的改變。
但是細想一下，這事有點怪。為什麼運動的改變那麼特別，具有某種內在的意義呢？如果運動是某種只有在比較下——通過與另一個物體對比來說明這個物體處於運動狀態——才有意義的概念，那麼為什麼運動的改變就不是這樣呢？為什麼它不需要對比就有意義？事實上，它是否也是需要在對比下才有意義呢？有沒有可能在我們每次提到或感受到加速運動的時候，都有某種隱含的對比在起作用呢？或許你會感到有點不可思議，但這個就是我們要追尋的核心問題，因為這個問題觸及了與空間和時間的意義有關的一些深刻問題。
伽利略對運動的深刻洞察力使他確信地球本身就處於運動之中，而這卻遭到宗教裁判所的憎恨。更加謹慎的笛卡兒為了避免相同的命運，在他的《哲學原理》裡採用了一種模稜兩可的說法來表述他對運動的認識，不過這樣顯然無法躲過30年後的牛頓的審慎檢查。笛卡兒認為物體對於自身運動狀態的改變會自然的抗拒：靜止的物體將保持靜止狀態直到有外力迫使其改變；以勻速沿直線運動的物體將保持勻速直線運動狀態直到有外力迫使其改變。就這一說法，牛頓質疑道：“靜止”或者“勻速直線運動”這樣的概念究竟是什麼意思？靜止或勻速是相對於誰來說的？靜止或勻速是從誰的角度看？如果不是處於勻速運動，那麼究竟是相對於誰或者說從誰的角度看不勻速？笛卡兒理順了有關運動意義的幾個方面；牛頓卻發現了笛卡兒遺漏的一個關鍵問題。
牛頓，這個執著追求真理的人，曾經為了研究眼部解剖結構而在自己的眼眶與眼睛之間插上一根鈍針；後期，在他擔任造幣局局長時制定了最為嚴酷的措施懲罰那些製造假幣的人，為此超過100人被送上了絞刑架。一個像他這樣的人絕不能容忍謬誤或者不完備的推理。他要更進一步，於是他想到了水桶。1
桶
當我們放開水桶的時候，桶和其中的水會一起旋轉起來，水的表面成凹狀。牛頓提出的問題是：水的表面為什麼會形成這樣的形狀？你也許會說：因為它在旋轉呀，就像突然一個急轉彎時，坐在汽車中的我們也會感受到汽車的壓力。桶中的水也是如此，旋轉的時候，水會受到來自於桶壁的壓力，在這種壓力下，桶壁處的水就只能向上延伸。這種解釋當然說得通，但卻沒能抓住牛頓問題的根本意圖。牛頓想要問的是水在旋轉究竟是什麼意思：水相對於什麼旋轉？牛頓那時仍在思索運動的基礎，還遠未來得及想明白諸如旋轉這樣的加速運動為何不需要與外部物體做比較這樣的事情。3
自然而然的選擇當然是將水桶當成參照物。但是經過論證，牛頓認識到這樣行不通。試想一下，在桶最初開始旋轉的時候，桶和水之間一定會有相對運動，這是因為桶動起來的時候水不可能立即就動。即使水動起來了，水的表面也會保持平的狀態。過了一小會後，水旋轉起來了，這時水和桶之間沒有相對運動了，水的表面卻凹了下去。所以，如果我們將桶作為參照物的話，我們就將得到與我們所期望的完全相反的結論：有相對運動的時候，水面是平的；而沒有相對運動的時候，水面卻凹下去了。
其實，我們還可以將牛頓的水桶實驗更進一步。桶再轉一會，繩子又扭在一起（方向不同），於是桶就會慢慢減速並且最終靜止下來，但是桶裡的水還會繼續旋轉。這時，水與桶之間的相對運動與實驗開始時的狀況是一樣的（除了順時針旋轉和逆時針旋轉這一區別）。但是，水面的形狀卻不一樣（實驗開始時水面是平的，現在是凹下去的）；這正好說明了相對運動不能解釋表面形狀。
將桶作為水的運動的參照物這種可能性排除之後，牛頓繼續大膽思考。他進一步論證道：試想一下，我們在一個深冷、完全虛無的空間——真空——中繼續我們的轉桶實驗。這時我們不能重複完全一樣的實驗了，因為水的表面形狀是部分依賴於地球引力的，在現在的這個實驗條件下根本沒有地球存在。為使我們的例子更具可操作性，我們需要一個漂浮在真空中的巨桶——就像遊樂場裡的摩天輪一樣巨大；再想像一下，一位勇敢的宇航員，霍默，被捆在巨桶的內壁（牛頓用的並不是這個例子，他想到的是用一個繩子將兩塊石頭綁在一起來說明問題，但要點都是一樣的）。有證據表明巨桶在旋轉。與桶中的水會形成凹面類似的是，霍默將會感受到被壓在桶的內壁上。他面部緊張，腹部縮緊，頭髮向著桶壁拉伸過去。現在問題來了：在一個完全虛無的空間——沒有太陽，沒有地球，沒有空氣，沒有油炸圈餅，什麼都沒有——究竟什麼東西有可能作為巨桶旋轉的參照物？因為我們想像的空間是完全虛無的，除了巨桶本身什麼都沒有，所以看起來可能沒有任何東西可以作為巨桶旋轉的參照物。但牛頓並不這麼認為。
他的回答是選定終極容器作為參照物，而這個終極容器就是：空間本身。牛頓提出，我們所有人都存在於並且所有的運動都發生於一個透明的、虛無的舞台之中，而這個舞台本身就是一個真正的物理實在，他將其稱之為絕對空間。2我們既抓不到摸不著絕對空間，也聞不到聽不著絕對空間。但是牛頓宣稱絕對空間的確存在。牛頓提出絕對空間是描述運動最真實的參照物。如果一個物體相對於絕對空間靜止，那它就是真正的靜止；一個物體相對於絕對空間運動，那它就是真正的運動。而且最重要的是，牛頓總結道，一個物體相對於絕對空間有加速度，那它就是處於真正的加速狀態。
牛頓就這樣以如下的方式解釋了陸地上的水桶實驗。實驗開始的時候，桶相對於絕對空間旋轉，而水相對於絕對空間靜止，因此水的表面是平的。隨著水的速度漸漸地接近於桶的速度，水也相對於絕對空間旋轉起來了，於是水的表面就成了凹狀。繩子擰緊的時候，桶開始逐漸減速，而水繼續旋轉——相對於絕對空間旋轉——所以其表面仍然是凹的。因此，儘管水與桶之間的相對運動解釋不了實驗現象，但是水與絕對空間之間的相對運動就解釋了這一點。空間本身就為定義運動提供了參照系。
桶只不過是個例子，論證過程本身當然是具有一般性的。根據牛頓的觀點，當你繫上安全帶坐在車裡時，你之所以能夠感覺到你在運動是因為你相對於絕對空間運動；當你乘坐的飛機加速起飛時，你感到被壓向座椅是因為你正在相對於絕對空間加速；當你在溜冰場中旋轉起來時，感覺雙臂被甩出去了是因為你相對於絕對空間加速。從另一個角度看，如果整個溜冰場旋轉起來而你保持不動（假定你處於理想的無摩擦滑動狀態）——那你和溜冰場之間仍然有相對運動——但是你不會感覺自己的胳膊被甩出去，因為你與絕對空間沒有相對加速度。我們一直用人來打比方，為了不被一些無關緊要的細節誤導，我們現在再來看看牛頓的例子。牛頓舉的例子是用一根繩子拴在一起的兩塊石頭，這兩塊石頭組成的系統在真空中旋轉。因為石頭相對於絕對空間有加速度，所以繩子會拉緊。總之，絕對空間對於運動的概念有決定性的意義。
但絕對空間究竟是什麼？在這個問題上，牛頓的回應是含混不清加武斷。他首先在《原理》中寫道“我並不定義時間、空間、位置與運動，因為（這些）是眾所周知的”，3從而迴避了嚴格精確地定義這些概念。然後他又寫出了那句著名的話“絕對空間，只取決於其本身性質，不需要任何外部事物為其做參考，永遠保持不變並且不可移動”，也就是說，絕對空間就是永恆。這就是他的回答。但是我們也可以隱約感覺到，牛頓對簡單的斷言某種你不能直接看到、測量或者作用於其上的事物真的存在並肯定其重要性並不滿意。他寫道：
事實上，發現並且有效的區分某個特別物體的真實運動並不是一件容易的事情，因為運動發生於其中的那個不可變動的空間並不能被我們感知。4
這樣一來，牛頓就把我們留在了一個有些尷尬的處境中。在描述物理學中最根本最重要的元素——運動時，他把絕對空間這樣一個概念放在首要及核心的地位，卻沒有清楚地說明其定義，並且承認對於將這樣重要的雞蛋放在那麼含糊的籃子裡感到不快。很多其他人也都感到了這種不快。
空間困境
愛因斯坦曾經說過，要是某人用了諸如“紅”，“困難”或者“失望”這樣的詞，我們都知道這是什麼意思。但是到了“空間”這個詞的時候，“它與心理體驗缺乏直接的聯繫，在加以解釋時存在著很大的不確定性”，5這種不確定可以追溯到久遠的年代，人們為瞭解空間的意義而進行了不懈的努力。德謨克利特，伊壁鳩魯，盧克萊修，畢達哥拉斯，柏拉圖，亞里士多德，及其眾多的追隨者們多少個世紀以來在“空間”的意義上來來回回的斟酌。空間與物質之間的區別是什麼？空間是否為可以脫離物質而獨立存在的客體？是否有真正虛無的空間存在呢？空間與物質彼此對立嗎？空間是有限的還是無限的？
幾千年來，人們對空間的哲學分析同神學的質疑不可分割。依照某些人的看法，神是無所不在的。這樣的思想賦予了空間神聖的特徵。這樣的思想歷程起源於17世紀的神學家、哲學家亨利·摩爾，有的學者認為摩爾是牛頓的導師之一。6摩爾相信完全虛無的空間並不存在，不過這是個完全無關緊要的觀測事實。因為按照他的看法，即使空間中的物質全部被清空，空間中仍然充滿著精神，因此空間永遠不可能真正的空。牛頓的觀點稍有不同，他認為空間中除了有實體物質外，還存在著“精神物質”。出於謹慎，牛頓認為這些精神的東西“不能阻擋實體物質的運動，就好像什麼都沒有一樣”。7牛頓宣稱，絕對空間，是神的感覺中樞。