為了更好地解釋《時間簡史》與《老子》的吻合程度，我們有必要回顧一下近幾百年西方的宇宙觀在物理學影響下的演變過程。這種回顧是完全必要的，因為至今我們仍處在這演變的過程中，並且正處在這演變的關鍵環節點上。
無論我們追述到多遠的過去，無論是從古希臘的亞里士多德開始，還是從宗教中上帝的創世紀開始，西方社會對宇宙的闡述都是以地心說為基礎的。雖然這期間對地的描述各有不同，但是認為人所居住的，被稱為地球的地方是處於宇宙的中心並且是靜止不動的，日月星辰都在圍繞著地球運轉。這種宇宙觀可以簡稱為絕對空間宇宙觀。在這樣的宇宙觀中，人所在的位置非常獨特，地球似乎是專門為人而創造的生存環境，日月星辰也似乎是專門為人而創造的，太陽用來提供光明，星月用來點綴夜空。顯然，沒有任何人類所能感受到的力量可以做到這一切，只有超自然力，也就是上帝才能做到。因此配合這種宇宙觀的人文解釋自然就是創世論。在眾多的地心說之中，以公元2世紀的托勒密所創立的模型最為精製而被基督教所採用，一直到十六世紀的哥白尼的到來。
圖1.1托勒密的地心模型
在托勒密的模型中地球處於宇宙的中心，在地球周圍是八個天球，這八個天球分別負載著月亮、太陽、和五個當時已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星；而最外層的天球被鑲上固定的恆星，恆星之間的相對位置不變，但是總體繞著天空旋轉。最後一層天球之外為何物一直不清楚，但有一點是肯定的，它不是人類所能觀測到的宇宙的部分。《時間簡史》中是這樣描述托勒密的宇宙模型和它與宗教的關係：“它被基督教接納為與《聖經》相一致的宇宙圖象。這是因為它具有巨大的優點，即在固定恆星天球之外為天堂和地獄留下了很多地方。”在這樣的宇宙觀中，上帝可以從容地創造天地、星辰、風雨雷電以及人類。人類也不必為宇宙的初始而發愁，因為那是上帝的事。而上帝不僅只管宇宙的創生，如《聖經》所示，上帝在人類發展過程中幾度干預發展進程。於是，生活在絕對空間宇宙觀中的人們成了上帝的奴僕。
但是這種狀況沒有持續下去，1514年，哥白尼提出了日心說，使得我們所居住的地球動了起來。上帝的地位也開始動搖了。其實，哥白尼的日心模型與托勒密的模型（圖1.2）沒有太多區別，它只是將太陽和地球的位置進行了對調，太陽處於宇宙的中心靜止不動，而地球和其他行星是繞著太陽作圓周運動的。雖然哥白尼的模型改動不大，絕對靜止的空間還存在，但這足以動搖上帝創造宇宙的合理性，基督教拒絕承認，於是這個事件拖了近一個世紀才有新的進展。1609年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星在繞著它轉動。
圖1.2 哥白尼的日心模型
為了解釋這個現象，使用托勒密的模型會非常麻煩並且不宜理解，而使用哥白尼的日心模型則簡潔明瞭的多。同時，開普勒修正了哥白尼理論，認為行星不是沿圓周而是沿橢圓運動，而觀察的結果和這個預言是一致的。到了1687年，那個著名的蘋果砸到了牛頓的腦袋上，牛頓發表了他的萬有引力定律。根據這個定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。星球之間為了不被這種引力吸引而撞到一起，必需由一個星球繞另一個星球運轉來抵銷這種引力。這個定律很好地解釋了開普勒所修正的哥白尼模型，很好地解釋了我們今天所熟知的衛星繞行星運轉，行星繞太陽運轉的太陽系。由於伽利略、牛頓等人的努力，宇宙觀發生了鉅變。我們所處的地球不僅要繞著太陽公轉，同時還在不停地自轉以確保日夜交替。而托勒密的模型中最外層的天球上所鑲上的恆星，其距離比人們以前的想象要遠得多。它們是與太陽類似的物體，也可能擁有與太陽類似的家族。突然之間人們掉入了一個無限大的空間，這個空間中的物體依據萬有引力定律相互運動，而不是由上帝依據其喜好而擺放的。不僅如此，這個空間中極有可能存在與太陽系相類似的星系，也極有可能存在另外的生命。在這個空間中沒有絕對靜止的物體，它們都在相互運動之中。於是上帝創世論便隨著這個絕對空間宇宙觀的瓦解而退出了歷史舞臺。
一個新的宇宙觀在牛頓時代產生了。這個宇宙似乎是無窮無盡的，在太陽系外面是巨大的銀河系，太陽系是銀河系中的一個小小顆粒，而銀河系又是宇宙中數以億萬計的星系之一。隨著望遠鏡的升級換代，我們的視野一直望向宇宙的深處，看不到邊界。在人們所觀測到的星體中，看不出哪一個比另外的一些更特殊，更看不出哪裡是宇宙的中心。就象上面提到的，在這樣的宇宙裡，不存在可以作為標準的絕對空間。但是，在牛頓的宇宙觀裡有一個參數是絕對的，那就是時間。這個宇宙似乎已經存在了很久很久，而且還將存在下去很久很久。在沒頭沒尾的時間長河裡暢想宇宙的歷史，那才是：前不見古人，後不見來者，念天地之悠悠，獨愴然而涕下。
這種在牛頓時代產生的宇宙觀，以無限的宇宙空間為基礎，以無盡的絕對時間為背景，可以簡稱為絕對時間宇宙觀。我們在學校裡被告知的就是這種宇宙觀。今天的我們在這種宇宙觀的土壤中長大，我們所生活的世界似乎是無窮盡的。於是，無限的宇宙、無盡的時間、無限可分的物質在我們看來是那樣的天經地義。在這樣的宇宙觀中成長的頭腦不相信界限的存在，總會認為，今天對於人們的界限是由於認知水平的限制所致，而隨著時間的延續，認知水平的提高，今天的界限會在未來而不復存在。
當物理學家們忙著用萬有引力來解釋每個天體運行規律的時候，由於無法解釋以絕對時間為背景的宇宙而使宗教退出了歷史舞臺，宗教退出後留下的思想空白引來了一大批哲學家。西方社會在十八、十九世紀進入到了一個以絕對時間宇宙觀為基礎的各種哲學思想層出不窮的年代。而西方在這期間迅速地完成了工業化，這些哲學家的名字也隨著西方的崛起而家喻戶曉，知道這些哲學家名字的人遠比了解他們思想的人多得多。
但是，絕對時間宇宙觀從一開使就遇到了麻煩。如果宇宙真是這樣無始無終，那就是說，在任何事件之前都存在這無限的時間，在哲學家康德看來，這是荒謬的。不僅如此，宇宙中如此眾多的星體，以自身的方式相互運動著，是誰給了它們以最初的推動？而熱力學的墒增原理指出，在沒有外部能源介入的情況下，物質世界的發展總是朝著無序的方向進行，最後達到完全均勻。但是，宇宙發展瞭如此長的時間，為什麼還是這樣的有序？面對著以絕對時間為背景的宇宙，人們就像是在看一出即不知道開始，也不知道結尾的連續劇，有點兒摸不著頭腦。正如《秦香蓮》里老相爺的唱詞：“一個故事，聽了頭，不聽尾，不知它的歸根結果；聽了尾，不聽頭，不知它的始末原由”，這顯然不能另人滿意。如果人類真的是以這種不瞭解“頭”，也不知道“尾”的狀態存在於宇宙間，那人類豈不是太渺小了嗎？不僅渺小，而且微不足道。牛頓顯然不喜歡這樣的哲學解釋，於是他晚年一直從事研究第一推動力、研究上帝而不能自拔。
雖著時間的推移，上面所說的哲學問題不但沒有得到很好的解決，而且牛頓的萬有引力在解釋天體運行規律上出現了越來越多的問題。首先水星的運動軌道就不符合萬有引力所計算的結果。但是，更為嚴重的是恆星與恆星之間的相互運動不足以抵銷它們之間的引力。這意味著，由於萬有引力的作用，恆星將相互靠攏，而在將來的某個時刻相互崩塌到一起。但情況似乎並不是這樣，看上去宇宙已經演變了很長、很長時間，而並沒有哪個恆星有撞向我們的跡象。為了掌握我們的命運，天文學家們開始在茫茫太空之中觀測各各恆星相對於我們的運行速度。終於在1929年，哈勃的觀測有了結果，而且其結果出乎所有人的預料：不管你往那個方向看，所有的星體都在以非常快速度在離我們遠去，而且，距離越遠的星體，遠離我們的速度就越快。宇宙正在膨脹！這無疑是說明，在過去的時間裡，星體之間的距離是比現在更加靠近的。物理學家們按照所觀測到的星體的運行速度進行計算，得出了這樣的推論：“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無限大”（《時間簡史》第一章）。於是宇宙有了開端。而牛頓的萬有引力在這個發現上起不到任何作用。
與此同時，有關光的速度的研究在悄悄地孕育著一個重要理論的誕生。其實早在1676年，丹麥的天文學家歐爾·克里斯琴森·羅麥就發現了光並不是以無限快的速度傳播的，只不過光的傳播速度非常之快，後來人們精確地測量了光速：每秒30萬公里。儘管光的速度很快，但在宇宙的尺度上，它還是不夠快。以至於我們仰望天空，所看到的星光並不是同一時刻發出的，而只是同一時刻到達地球的光。我們會看到一秒鐘以前的月亮、八分中以前的太陽、十分鐘以前的火星，至於恆星，有四年前的，有幾千年前的，也有150萬年以前的，還有更久以前的。仰望天空，像是在看宇宙的編年史。面對著同樣閃爍，但又不同時刻的星光，真正是“不知今夕何夕”。
仰望“不知今夕何夕”的天空令人困惑，但更令人困惑的是，對光速的進一步研究竟對人們習以為常的絕對時間產生了挑戰。“1887年，阿爾貝特·麥克爾遜（後來成為美國第一個物理諾貝爾獎獲得者）和愛德華·莫雷在克里夫蘭進行了非常仔細的實驗。他們將在地球運動方向以及垂直於此方向的光速進行比較，使他們大為驚奇的是，他們發現這兩個光速完全一樣！”（《時間簡史》第二章）。也就是說，不管觀察者是沿著光的傳播方向，還是垂直於光的傳播方向，他們所測量到的光速是一樣的。於是我們有必要進行一番有關運動、距離以及速度的思考。以下的這個例子並不太恰當，不完全符合相對論，但是對於解釋相對時間還是有幫助的。
假設有兩個人張三和李四，張三乘坐在一列高速運行的火車上，而李四則站在鐵軌旁。這時，張三在火車上沿火車前進方向扔出一個球，球在火車上距張三20米處落到地板上。對於他們來說，張三將球扔出到落到地板上所用的時間在兩個人看來是完全一樣的，而張三認為球在他前方運行了20米，而李四的看法則不同，他認為球運行了20米加上火車在這時間裡所運行的距離10米，總共30米。如此一來球的運行速度對兩個人來說是不一樣的，李四看到的球的運行速度要比張三看到的要快一些。現在我們把球換成光，比如張三拿著一個手電筒沿火車運行方向打開，情況發生了變化。根據上面所提到的1887年的觀測結果，張三和李四所測量到的光速是完全一樣的！但是從上面球的例子可以得知，李四所看到的光所走過的距離要比張三看到要遠一些，李四不僅看到了火車上的張三所看到的光所走過的那段距離，而且還要加上火車在這時間裡所運行的距離。但是張三和李四所測量到的光速是完全一樣的，這樣一來，就意味著上面所講的那個事件（張三拿著一個手電筒使光沿火車運行方向傳送一段距離），在他們兩個人看來用了不同的時間。也就是說同一個事件對李四來說所用的時間比對張三來說所用的時間要長一些。注意，這是同一個事件，當它完成的時刻，在張三和李四看來是同時完成的，而李四從事件開始到結束所得到的時間比張三所得到的要長一些，那就是說站在鐵軌旁的李四的表比火車上的張三的表要走得慢一些。兩個在以不同速度運動的參照系上的人對時間有了不同的看法。光速的絕對恆定動搖了絕對時間的合理性。
1905年，當時還並不出名的愛因斯坦勸人們放棄絕對時間觀念，因為這樣一來，光速絕對恆定的事實就有了被解釋的基礎。隨後，愛因斯坦發表了他的著名學說相對論，相對論基於絕對光速的假設，也就是：不管觀察者運動多快，他們應測量到一樣的光速。正如《時間簡史》第二章所描述的：“這簡單的觀念有一些非凡的結論。可能最著名者莫過於質量和能量的等價，這可用愛因斯坦著名的方程E＝mc²來表達（這兒E是能量，m是質量，c是光速），以及沒有任何東西能運動得比光還快的定律。由於能量和質量的等價，物體由於它的運動所具的能量應該加到它的質量上面去。……相對論限制任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動。只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。”然而，在這個理論中有一個矛盾難以解決，那就是引力必須以無限快的速度來傳播，而相對論限制何東西運動得比光還快。1915年，愛因斯坦繼而發表了廣義相對論，很好地解決了這個矛盾。在廣義相對論中，空間不再是均勻、平坦的，空間中的質量和能量將引起它周圍的空間彎曲，越大的質量所引發的彎曲越大。有如地球一樣的行星並不是依靠引力來圍繞著恆星運行的，而是在由恆星引發的彎曲了的空間中作直線運行。就如同一個人沿著筆直的公路開車，他的運行線路在地面上看是一條直線，而在太空中看他的運行線路是一段弧線，因為他是在地球的球面上運行的。空間彎曲的理論是非凡的，遠遠地超過了人們的想象。為了證明這個理論的正確，人們需要在日食的時候觀測穿過太陽附近的星光。因為如果空間是彎曲的話，那麼穿過太陽附近的星光光線將隨著太陽周圍空間的彎曲而彎曲，而在地球上的人所看到的將是那顆恆星離開了它原來的位置。終於，在1919年，一個英國的探險隊從西非觀測日食，並觀測到了光線的偏折。廣義相對論的預言成功地被現實所驗證，同時，廣義相對論還很好地解釋了諸如水星的運行軌道等牛頓力學所解釋不了的現象。在人們為廣義相對論的成果歡欣鼓舞的時候，可能忽略它所帶來的一個觀念上的重大變化。這個變化並不亞於當年牛頓萬有引力的發現對人們觀念的衝擊，那就是
絕對時間在相對論中被終結了！
圖1.3 經過太陽附近的光線偏折
也許人們還來不及想象丟失了絕對時間以後所面臨的問題，二十世紀所發生的事件實在是令人目不暇接。在人們忙著理解什麼是相對論的時候，物理學在微觀領域研究中所發現的一些結果更加另人不可思議。前面文中提到的光的波粒二重性的發現使人們陷入了光到底是什麼的思考。1926年，德國物理學家海森堡從光的波粒二重性入手，進而推導出著名的不確定性原理。儘管對於不確定性原理的爭議不斷，但它對我們的意義並不遜於相對論的發現。不確定性原理說：對於微觀粒子，人們不可能同時確定它的位置和速度。換句話說，當粒子足夠小時，你不可能逮住這個粒子。要逮住這個粒子，就如同劉姥姥用銀筷子去夾鵪鶉蛋，就是夾不住。以下的話已經講了近一百年了，旦還有必要繼續講下去：
不確定性原理是物質的客觀規律，不是測量技術和主觀能力問題。不確定性原理是人們在探索微觀世界時所遇到的一個界限，正如《時間簡史》第四章中霍金所說的那樣：“這個極限既不依賴於測量粒子位置和速度的方法，也不依賴於粒子的種類。海森堡不確定性原理是世界的一個基本的不可迴避的性質。”當人們在相對論中看到了最快不能超過光速這一對物體運動速度的限制之後，在微觀世界，人們遇到了由不確定性原理界定的另一條界限！在這之後，物理學家依據不確定性原理創建了描述微觀世界的理論，量子力學。而量子力學指導了人們在微觀領域的應用科學的探索，以量子力學為基礎的微電子應用正在以驚人的速度改變著我們的生活方式。
對穿過太陽附近的光線的測量驗證了相對論，驗證了光速的絕對恆定，而且不可能有超過光速運行的物體。而以量子力學為基礎的微電子的成功運用，驗證了由不確定性原理界定的界限，驗證了物質不可能無限可分。這兩條限制不僅今天存在，而且永遠有效、永遠不會消失，它們是組成我們這個宇宙的基本原則。
好啦，到現在萬事俱備，輪到霍金上場了。
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