一位著名的科學家（據說是伯特蘭·羅素）曾經作過一次天文學講演。他描述了地球如何圍繞著太陽公轉，而太陽又是如何圍繞著稱之為我們星系的巨大的恆星集團的中心公轉。演講結束之際，坐在房間後排的一位小個老婦人起立說道：「你講的是一派胡言。實際上，世界是馱在一隻巨大烏龜背上的平板。」這位科學家露出高傲的微笑，然後答道：「那麼這只烏龜站在什麼上面的呢？」「你很聰明，年輕人，的確很聰明」，老婦人說，「不過，這是一隻馱著一隻，一直馱下去的烏龜塔啊！」
大多數人會覺得，把我們的宇宙喻為一個無限的烏龜塔相當荒謬。但是我們憑什麼就自認為知道得更好呢？我們對宇宙瞭解了多少？而我們又是如何知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在開端之前發生了什麼？時間的本質是什麼？它會有一個終結嗎？物理學中最近的突破，使我們有可能為其中一些長期以來懸而未決的問題提供答案，而奇妙的新技術是實現這些突破的部分原因。對我們而言，這些答案也許有朝一日會變得和地球圍繞著太陽公轉那麼顯而易見——或許也會變得和烏龜塔一樣荒謬，只有時間（不管其含義如何）才能裁決。
早在公元前340年，希臘哲學家亞里士多德在他的《論天》一書中，就能夠對於地球是一個圓球而不是一塊平板這個信念提出兩個有力的論證。第一，他意識到，月食是由於地球運行到太陽與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發生在太陽正好位於這個圓盤中心的正下方的時刻，否則地球的影子就會被拉長而成為橢圓形。第二，希臘人從旅行中知道，在南方地區觀測北極星，比在較北地區，北極星在天空中顯得較低。（由於北極星位於北極的正上方，所以它出現在北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的某觀察者，北極星剛好出現在地平線上。）
根據北極星在埃及和在希臘表觀位置的差別，亞里士多德甚至估計出地球大圓長度為400000斯特迪亞。現在不能準確地知道，1斯特迪亞的長度究竟是多少，但也許是200碼（1碼=0.9144米）左右，這樣就使得亞里士多德的估計大約為現在接受數值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個論證，否則何以從地平線駛來的船總是先露出船帆，然後才露出船身？
亞里士多德認為地球是不動的，太陽、月亮、行星和恆星都以圓周為軌道圍繞著地球公轉。他相信這些，是因為他認為地球是宇宙的中心，而圓周運動是最完美的；他的這種看法是基於某些神秘的原因。公元2世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙學模型。地球處於正中心，8個天球包圍著它，這8個天球分別負載著月亮、太陽、恆星和5個當時已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（圖1.1）。為了說明在天空中觀察到的這些行星的相當複雜的軌道，人們認為它們本身沿著附在相應天球上的更小的圓周運動。最外層的天球攜帶著所謂的固定恆星，它們的相對位置總是保持不變，但是總體圍繞著天空旋轉。最後一層天球之外為何物一直不很清楚，但是它肯定不是人類所能觀測到的宇宙部分。
圖1.1 從最裡面往外面順序為月亮球、水星球、金星球、太陽球、火星球、木星球、土星球和固定恆星球。最中心為地球。
托勒密模型的系統可以相當精密地預言天體在天空中的位置。但是為了正確地預言這些位置，托勒密不得不假定，月亮遵循的軌道有時使它離地球的距離是其他時候的一半。這意味著月亮有時顯得要比其他時候大一倍！托勒密承認這個瑕疵，但是儘管如此，他的模型被廣泛地，雖然不是普適地接受。它被基督教會接納為與《聖經》相一致的宇宙圖像。這是因為它具有巨大優勢，即在固定恆星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。
然而，1514年波蘭教士尼古拉·哥白尼提出了一個更簡單的模型。（起初，也許哥白尼害怕被教會譴責為異端，所以將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽靜止地位於中心，而地球和行星們圍繞著太陽作圓周運動。將近一個世紀以後，人們才認真接受他的觀念。後來，兩位天文學家——德國人約翰斯·開普勒和意大利人伽利略·伽利雷開始公開支持哥白尼理論，儘管它所預言的軌道還不能完全與觀測相符合。直到1609年，亞里士多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星或月亮圍繞著它轉動，這表明不像亞里士多德和托勒密設想的那樣，並非所有東西都必須直接地圍繞著地球轉動（當然，仍然可能相信地球是靜止地處於宇宙的中心，而木星的衛星沿著一種極其複雜的軌道圍繞地球運動，表觀上看來它們是圍繞著木星轉動。然而，哥白尼理論卻簡單得多了）。同時，約翰斯·開普勒修正了哥白尼理論，提出行星不是沿著圓周而是沿著橢圓（橢圓是拉長的圓）運動，從而最終使預言和觀察相互一致了。
就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當然的，並且是相當討厭的假設，因為橢圓顯然不如正圓那麼完美。雖然他幾乎偶然地發現橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的磁力引起行星圍繞太陽運動的思想相互調和起來。只有到更晚得多的1687年，這一切才得到解釋。這一年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的《自然哲學的數學原理》，這部也許是物理科學中有史以來最重要的著作。在這部著作中，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，並且發展了為分析這些運動所需的複雜的數學。此外，牛頓還提出了萬有引力定律。根據這條定律，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。正是這同一種力，使物體下落到地面。（一個蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說過的不過是，當他坐著陷入沉思之時，一個蘋果的下落使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而證明，根據他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道圍繞著地球運行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道圍繞著太陽公轉。
哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關的宇宙存在著自然邊界的觀念。「固定恆星」除了由於地球圍繞著自身的軸自轉引起的穿越天空的轉動外，它們的位置顯得固定不變，很自然會使人推測到固定恆星是和我們太陽類似的物體，只是比太陽離開我們遠得多了。
按照他的引力理論，牛頓意識到恆星應該相互吸引，這樣它們似乎不能保持基本上不動。難道它們不會都一起落到某處去嗎？在1691年寫給同時代另一位最重要的思想家理查德·本特裡的一封信中，牛頓論證道，如果只有有限數目的恆星分佈在一個有限的空間區域裡，這確實是會發生的。但是另一方面，他推斷說，如果存在無限數目的恆星，大體均勻地分佈於無限的空間中，對它們而言，因為這時不存在一個中心落點，這種情形就不會發生。
當人們議論到無限時，這種論證是你會遭遇到的一種陷阱。在一個無限的宇宙中，因為在每一點的兩邊都有無限顆恆星，所以每一點都可以認為是中心。很久以後才意識到正確的方法，即是先考慮有限的情形，這時所有恆星都相互落到一起，然後加上在這個區域以外大體均勻分佈的更多恆星，看事情會如何改變。按照牛頓定律，平均地講，這額外的恆星對原先的那些根本沒有什麼影響，所以這些恆星還是同樣快地落到一起。我們願意加上多少恆星就可以加上多少，但是它們仍然總是向自身坍縮。現在我們知道，不可能存在一個無限靜態的引力總是吸引的宇宙模型。
在20世紀之前從未有人提出過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當時的思維風氣。一般認為，宇宙要麼以一種不變的狀態存在了無限長的時間，要麼以多多少少正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過去創生。其部分的原因可能是，人們傾向於相信永恆的真理，也可能由於從以下的觀念可以得到安慰，即雖然他們會生老病死，但是宇宙必須是不朽的不變的。
甚至那些意識到牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能正在膨脹。相反，他們試圖修正理論，使引力在非常大距離下變成排斥的。這並沒有太大影響他們對行星運動的預言，然而卻允許恆星的無限分佈保持平衡狀態——鄰近恆星之間的吸引力被遠距離外的恆星來的斥力平衡。然而，現在我們相信，這樣的平衡是不穩定的：如果某一區域內的恆星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會增強，並超過斥力的作用，因此這些恆星就會繼續落到一起。反之，如果某一區域內的恆星稍微相互遠離一些，斥力就起主導作用，並驅使它們離得更遠。
另一個反對無限靜止宇宙的異見通常歸功於德國哲學家亨利希·奧勃斯，他在1823年撰寫了這個理論。事實上，牛頓的一些同時代人已經提出過這個問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這個模型的第一篇。不管怎麼說，這是第一篇被廣泛注意到的文章。其困難在於，在一個無限靜止的宇宙中，幾乎每一道視線必須終結於某一顆恆星的表面。這樣，人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那麼明亮。奧勃斯反駁說，遠處恆星的光線會被它穿越過的物質吸收而減弱。然而如果真是如此，這介於其間的物質最終會被加熱到發出和恆星一樣強的光為止。可以避免整個天空像太陽那麼明亮的結論的惟一方法是，假定恆星並非永遠那麼明亮，而是在有限久的過去才開始發光。在這種情況下，吸光物質還沒加熱，或者遠處恆星的光線尚未到達我們這裡。這就使我們面臨著什麼是首次引起恆星發光的問題。
當然，宇宙開端的問題比這早很久就被討論過。根據一些早先的宇宙論和猶太教/基督教/穆斯林傳統，宇宙在有限的並非非常遙遠的過去的某個時刻啟始。對於這樣的一個開端，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。）聖·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出了另一種論證。他指出，文明在進步，我們將記住創造這些功績或發展技術的人們。這樣，人也許還有宇宙，不可能已經存在了那麼長的時間。聖·奧古斯丁根據《創世紀》一書，接受公元前5000年作為宇宙創生的時刻。（有趣的是，這和最近一個冰河時代的結束，大約公元前10000年相距不遠。考古學家告訴我們，文明實際上正是從那時開始的。）
另一方面，亞里士多德和其他大多數希臘哲學家不喜歡創生的思想，因為它帶有太多的神學干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經並將繼續永遠存在。古人已經考慮到上述文明進步的論點，用週期性洪水或其他災難的出現，使人類重複地回到文明的開初，來回答上面的詰難。
1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了里程碑般的（也是非常晦澀難懂的）著作——《純粹理性批判》。在這本書中，他深入地考察了關於宇宙在時間上是否有開端、在空間上是否有限的問題。他稱這些問題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因為他感到存在同樣令人信服的論據，來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。他對正命題的論證是：如果宇宙沒有一個開端，則任何事件之前必有無限的時間。他認為這是荒謬的。他對反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無限的時間，為何宇宙必須在某一特定的時刻開始呢？事實上，他對正命題和反命題用同樣的論證來辯護。它們都是基於他隱含的假設，即不管宇宙是否存在了無限久，時間均可無限地倒溯回去。我們將會看到，在宇宙開端之前時間概念是沒有意義的。這一點是聖·奧古斯丁首先指出的。當他被問及：「上帝在他創造宇宙之前做什麼？」奧古斯丁並沒有這樣回答：「他正為詰問這類問題的人準備地獄。」而是說時間是上帝創造的宇宙的一個性質，在宇宙開端之前不存在。
當大部分人深信一個本質上靜止不變的宇宙時，關於它有無開端的問題，實在是一個形而上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙以它似乎已經存在了無限久的樣子在某一個有限時刻起始的理論，我們可以同樣好地解釋所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個里程碑式的觀測，即不管你往哪個方向觀測，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。這意味著，在早先的時刻星體更加相互靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以那時候宇宙的密度為無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國。
哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無限小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學定律並因此所有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。因為它們沒有任何觀測的後果，所以可不理睬其存在。由於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；宇宙的開端並沒有物理的必然性。人們可以想像上帝在過去從字面上說的任何時刻創生了宇宙，如果宇宙正在膨脹，那麼何以宇宙有一個開端似乎就有了物理的原因。人們仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬間創生宇宙，或者甚至在更晚的時刻，以使它看起來就像發生過大爆炸似的方式創生，但是設想在大爆炸之前創生宇宙是沒有意義的。大爆炸宇宙並沒有排斥造物主，只不過對他何時從事這工作加上限制而已！
為了談論宇宙的性質和討論諸如它是否存在啟始或終結的問題，你必須清楚什麼是科學理論。我將採用素樸的觀點，即理論只不過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繫的規則。它只存在於我們的頭腦中，不再具有任何其他（不管在任何意義上）的實在性。一個好的理論必須滿足以下兩個要求：首先，這個理論必須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。例如，亞里士多德相信恩貝多克利的關於任何東西是由四元素即土、氣、火和水組成的理論，該理論是足夠簡單的了，但它沒有做出任何明確的預言。另一方面，牛頓的引力理論是基於甚至更為簡單的模型，在此模型中兩物體用一種力相互吸引，該力和被稱為它們質量的量成正比，並和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預言了太陽、月亮和行星的運動。
在只是一個假設的意義上來講，任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能證明它。不管多少回實驗的結果和某個理論相一致，你永遠不可能斷定下一次結果不和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個和理論預言不一致的觀測事實，即可證偽之。正如科學哲學家卡爾·波普強調的，一個好的理論的特徵是，它能給出許多在原則上可以被觀測否定或證偽的預言。每回觀察到與這預言相符的新的實驗，則這理論就存活，並且增加了我們對它的信任度；然而若有一個新的觀測與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。
這被認為是遲早總會發生的事，但是你總可以質疑實現該觀測的人員的能力。
在現實中經常發生的是，設計出的新理論實際上是原先理論的一個擴展。例如，非常精確地觀測水星，發現它的運動和牛頓引力理論預言之間有一個微小的差異。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。愛因斯坦的預言和觀測到的相符合，而牛頓理論做不到，這個事實是對這個新理論的一個關鍵的證實。然而在我們正常處理的情形下，牛頓理論和廣義相對論的預言之間差異非常小，所以為了所有實用的目的，我們仍然使用牛頓理論。（牛頓理論還有一個巨大的優點，用它計算比用愛因斯坦理論簡單多了！）
科學的終極目的是提供描述整個宇宙的單一的理論。然而，大多數科學家遵循的方法是把問題分成兩部分。首先，存在一些定律，這些定律告訴我們宇宙如何隨時間變化。（如果我們知道在任一時刻宇宙是什麼樣子的，這些定律就告訴我們它在未來任何時刻是什麼樣子的。）第二，存在宇宙初始狀態的問題。有些人覺得科學只應關心第一部分，他們將初始狀態的問題看作玄學或宗教的事體。他們會說，無所不能的上帝可以隨心所欲地啟始宇宙。那也許是真的，但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，似乎他選擇使宇宙以一種非常規則的，按照一定規律的方式演化。所以，看來可以同樣合理地假定，也存在著制約初始狀態的定律。
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，並發明許多部分理論。每一部分理論描述和預言一定有限範圍的觀測，同時忽略其他量的效應或用簡單的一組數來代表。這方法可能全錯。如果宇宙中的每一件東西都以非常基本的方式依賴於其他的任何一件東西，用隔離法研究問題的部分也許不可能逼近其完全的答案。儘管如此，這肯定是我們在過去取得進展的方法。牛頓引力理論又是一個經典的例子，它告訴我們兩個物體之間的引力只取決於與每個物體相關的一個數——它的質量，而與物體由何物組成無關。這樣，人們不需要太陽和行星結構和成分的理論就可以計算它們的軌道。
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。它們是本世紀上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構，也就是從只有幾英里直到大至1億億億（1後面跟24個0）英里（1英里=1.609千米），即可觀測到的宇宙的尺度的結構。另一方面，量子力學處理極小尺度，例如萬億分之1英吋（1英吋=2.54厘米）的現象。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併在一起的新理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個理論，我們可能還有相當長的路要走，然而我們已經知道了這個理論所應具備的許多性質。在以下幾章，人們將會看到，我們對量子引力論所應有的預言已經知道得相當多。
現在，如果你相信宇宙不是任意的，而是被明確的定律制約的，你最終必須將這些部分理論合併成一個能描述宇宙中萬物的完整統一理論。然而，在尋求這樣的完整統一理論中有一個基本的矛盾。在前面概括的關於科學理論的思想中，假定我們是理性的生物，既可以隨心所欲地觀測宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案裡可以合理地假設，我們可以越來越接近制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一個完整的統一理論，則它大概也將決定我們的行動。這樣，理論本身就決定了我們對之探索的結果！那麼為什麼它保證我們從證據得到正確的結論？難道它不也可以同樣地保證我們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？
對於這個問題，我所能給出的回答是基於達爾文的自然選擇原理。該思想說，在任何自繁殖的群體中，總是存在著不同個體在遺傳物質和發育上的變異。這些差異表明，某些個體比其他個體對它們周圍的世界更能引出正確的結論，並去適應它。這些個體更可能存活、繁殖，因此它們的行為和思維的模式將越來越起主導作用。以下這一點在過去肯定是真的，即我們稱之為智慧和科學發現的東西給我們帶來了存活的好處。這種情況是否仍會如此沒有這麼清楚：我們的科學發現可以輕易地毀滅我們的一切。即使不是這樣，一個完整的統一理論對於我們存活的機會不會有很大影響。然而，假定宇宙已經以規則的方式演化至今，我們可以預期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統一理論時仍然有效，並因此不會導致我們得到錯誤的結論。
因為，除了最極端的情況外，我們已有的部分理論足以對所有的一切作出精確的預言，所以，要為探索宇宙的終極理論尋找實用的理由，看來就非常困難了。（值得指出，雖然類似的論點在過去既可以用來反對相對論。又可以用來反對量子力學，但這些理論已給我們帶來了核能和微電子學的革命！）所以，發現一個完整的統一理論可能對我們種族的存活無助，甚至也不會影響我們的生活方式。然而自從文明開始以來，人們即不甘心於將事件看作互不相關不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序。今天我們仍然亟想知道，我們為何在此？我們從何而來？人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。而我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙作出完整的描述。