第1章 通往实在性之路
空间、时间以及事物为什么是那个样子
我的父亲并不介意别人碰他那布满灰尘的旧书架上的任何一本书。但从小到大，我从未见过任何人从中取下一本。那些书多半是大部头——涉及方方面面的文明史、成套的西方文学巨著以及大量我已记不起来的其他书籍——它们看起来已经和因为数十年牢固的支撑工作而微微弯曲的架子融为一体了。但是在书架的最上一层，有一本薄薄的小书总能引起我的注意，因为它看起来如此不合时宜，就像大人国中的格列佛1一样。现在回想起来，很奇怪我那时候竟然没有早点读一读那些书。或许是因为年头太久了，使得那些书不像是用来读的，倒像是祖上流传下来的传家宝一样，令人不敢碰触。不过，这种敬畏之心还是敌不过十来岁孩子不安分的天性。我最终拿起了那本书，拂去表面的灰尘，翻开了第一页。那最开始的几行文字，即使退一步说，也令人非常吃惊。
“只有一个真正的哲学问题，那就是自杀”，这本书就是这样开始的。我有点退缩了。“这个世界是三维空间吗？意识有9种还是12种方式？”这本书提出诸如此类的问题，并解释说这些问题是人类勇敢天性作用下的一部分，但是只有当那个真正的问题解决时这些问题才值得讨论。这本书就是阿尔及利亚哲学家诺贝尔奖得主阿尔伯特·加缪所作的《西绪福斯神话》。后来的一段时间内，随着对他所说的话的逐渐理解，我心中感到的那丝冰冷才慢慢融化。当然，我觉得你可以一直思考和分析这些问题，但是真正的问题却在于你所有的思考和分析是否使你确信生命值得存在。那才是所有问题的症结所在，其他事情都只是细节而已。
虽然我只是偶然读到加缪的书，但他的话给我留下了极为深刻的印象，时常萦绕耳旁，这远非我读过的其他书所能比拟的。我一次又一次地想：我所遇到的、听说过的或者在电视上看到的各种各样的人会怎样回答这一根本性的问题呢。回想起来，尽管他的第2个论断——关于科学进步所起的作用——对我来说，更具有特殊意义的挑战性。加缪认为理解宇宙结构确实有价值，但是据我所知，他并不认为这种理解可以改变我们对生命价值的评价。现在看来，十几岁的我读有关存在主义哲学的书就像巴特·辛普森2读浪漫诗歌一样，但是即便如此，加缪的论断仍然带给了我相当大的震撼。对于这个具有抱负的唯物论者而言，对生命作出明智的评价需要对生命舞台——宇宙有全面的理解。我忍不住想，如果人类居住在深埋在地下的岩石洞穴里，我们就不会发现地球的表面、明媚的阳光、海洋的微风以及远离我们的星球；假设人类沿着一个不同于现在的方向进化：如果人类不能获得除触觉以外的其他感觉，那么我们所知道的一切事物将来自于对周围环境的触觉印象；如果人类大脑发育停止在儿童早期，那么我们的情商和分析能力将不会超过一个5岁的孩子——简而言之，如果我们的经历仅仅是一些对实在性的琐碎描绘——那么我们对生命的评价将大打折扣。当我们最终寻找到通往地球表面的路，当我们具有了视觉、听觉、嗅觉和味觉时，当我们的大脑能够发育到正常水平时，我们对生命和宇宙的看法必然发生根本性的变化。这样看来，我们现有的对实在性的理解将会对所有哲学问题的基础产生非同小可的影响。
会产生什么影响呢？或许你会这样问。任何一位清醒冷静的思考者都会得出这样的结论：虽然我们不可能理解宇宙的每一样东西——关于物质运转和生命功能的方方面面——但是我们仍然可以在大自然的画布上按照自己的意愿添上粗糙的几笔。确实正如加缪所暗示的那样，物理学上的进步，比如对空间维度数目的理解；或者神经心理学的进步，比如对大脑的所有组织结构的理解；或者，就此而言，其他大量的科学进步都可以说是构成了重要的细节，但它们对我们理解生命和实在性的影响却微乎其微。的确，实在性是我们对世界的认识；实在性是通过我们的经验而展现在我们眼前的。
在某种程度上，我们当中的许多人对实在性都会有上述的看法，只是未明确表述出来而已。我发现自己在日常生活中常以这种方式思考；这样我们就很容易被自然的表象所迷惑。但是，从我第一次读到加缪的书以来的几十年间，我发现现代科学给我们上了与众不同的一课：20世纪以来的科学研究告诉我们，人类的经验往往会对我们理解实在性的本质起误导作用。隐藏在日常生活背后的是一个我们几乎没有多少了解的世界。神秘现象的追随者、占星术的信徒以及那些宣扬超自然的宗教主义的人们，尽管其观点各不相同，但都得到了类似的结论。但那并不是我要说的，我要说的是天才的创造者和孜孜不倦的科学家们的工作，如同剥洋葱一样，揭开了宇宙一层层的面纱，探索了一个又一个的难题，向我们展示了一个完全不同于平常人们所认识的宇宙，一个令人惊奇、兴奋和优雅的宇宙。
但是这些科学进展也只是细节而已。自然科学的重大突破已经驱使并且有力量继续驱使我们的宇宙观发生戏剧性的变化。现在，我仍然像几十年前一样确信，加缪把生命的价值作为基本问题讨论是正确的，但现代自然科学让我相信，通过日常经验来评价生命就像通过一个空可乐瓶来凝视凡·高一样。作为先锋的现代科学，向我们的基本感知发起了一轮又一轮的攻击，使我们对我们存于其间的这个世界产生了很多概念性的迷惑。因此，即便加缪把物理问题分离出来并置于从属地位，我仍然相信科学才是最根本的。在我看来，科学的实在性为反驳加缪的观点提供了舞台和一些启示。评价存在性问题而忽略了现代科学的洞察力就像在黑暗中与一名不知名的对手摔跤。加强对科学实在性的真正本质的理解，将有利于重塑我们的人生观和宇宙观。
这本书的核心在于阐释对实在性的理解起最为关键作用的一些修正，主要集中在那些长期以来影响人类时空观念的工作上。从亚里士多德到爱因斯坦，从罗盘到哈勃望远镜，从金字塔到山顶上的天文台，自从思想产生时，时空就为我们的思想确立了框架。随着现代科学的到来，它们的重要性已大大提高。近3个世纪以来，物理学的发展表明，时空观念已被看做最令人困惑且最引人注目的问题，但同时也是对宇宙进行科学分析的基础；时空观念已列于古老的科学概念之上，而这些古老的科学概念被边缘研究改建得更加奇妙。
对于艾萨克·牛顿而言，空间和时间只不过是一个永恒不变的、普适的宇宙舞台，以便宇宙中的事件能够在此一幕幕地上演。对于同时代可与牛顿匹敌的戈特弗莱德·威廉·范·莱布尼茨而言，“空间”和“时间”只是与物体在哪里和事件何时发生有关系的词汇。换句话说，空间和时间对他们而言并不能代表什么。但对于阿尔伯特·爱因斯坦而言，空间和时间是隐藏在实在性下面的原始材料。通过相对论，爱因斯坦震撼了我们的时空观，向我们展示了它们在宇宙演化中所起的重要作用。从那时起，空间和时间就成为物理学界最耀眼的明珠。对我们而言，时间和空间是既熟悉又神秘的；彻底地理解时间和空间已成为最令物理学家胆怯的挑战，而它同时也是受欢迎的猎物。
本书所讲述的物理学进展主要是一些关于时空结构的不同理论。其中的一些理论挑战了人类长久以来——即便没有几千年也有几百年——的时空观。另外一些理论则将试图寻找我们对时空理论的理解和日常生活经验之间的联系。而其他理论将质疑普通观念限定范围内所不能解释的一些问题。
我们在本书中将尽可能少地涉及哲学问题（这里当然不是指关于自杀和生命的意义的那些哲学）。但在探寻科学解释空间和时间之奥妙的过程中，我们完全是不受任何限制的。从宇宙最小的微粒和最早的时刻到其所能达到的最远的边界和最遥远的未来，我们将在熟悉和宽广的环境中探索时间和空间，不停歇地去追求其真正性质。科学家们对空间和时间的探索还在继续，此刻我们还无法作出最终的评价。我们将会介绍一系列的进展——有些非常奇怪，有些令人非常满意，有些已被实验证实，有些还只是空想——它们将向我们展示人类对宇宙结构的思考究竟到了何种地步，人类的指尖对实在性真正纹理的触摸已到了何种深度。
经典意义上的实在性
关于现代科学从何时开始，历史学家们众说纷纭，尚无定论。但毫无疑问的是，从伽利略、笛卡儿、牛顿等人开始创造他们的学说时起，现代科学已经走上了正轨。在那个时代，新的科学意识体系正在稳步地建立起来，地球上和天文学上实验数据的规律性使人们越来越清楚地看到，宇宙的过去和未来是有规律可循的，通过精密的推理和数学分析我们可以找到这些规律。富有现代科学思想的早期先驱们指出：回顾走过的科学之路，宇宙中发生的事件不仅可以解释，而且也可以预测。科学所具有的预言未来方方面面的力量——持续而定量的——早已得到了证实。
早期的科学研究主要集中在我们日常生活中可以看到或体验的各种事物。伽利略从斜塔上抛落重物（大约是人所共知的传奇），或者观察沿斜面滚落的小球的运动；牛顿研究树上落下来的苹果（又是一段传奇）和月球轨道。这些研究的目的在于使新生的科学研究与大自然和谐一致。当然，物理学中的实在性是各种体验的来源，但更富挑战的是聆听自然的和谐之声并寻找隐藏在其背后的原因。许多著名学者和无名英雄都为早期科学的飞速发展作出了巨大贡献，但最后只有牛顿成了舞台上的明星。通过对数学方程的运用，牛顿将地球和天空中的各种已知运动现象综合了起来。就这样，今日所谓的经典物理学诞生了。
在牛顿完成其工作之后的几十年间，他的方程被发展出了详尽精密的数学结构，大大丰富了原始理论，扩展了其实际用途。经典物理学逐渐成为一种深奥精妙而又成熟的科学体系。但是照亮科学之路的却是牛顿富有创造性的洞察力。即使今天，300多年过去了，我们可以发现牛顿方程依然出现在世界各地的初级物理学课程中；在NASA（美国国家航空和宇宙航行局）的飞行计划里依然用牛顿方程来计算太空船的运行轨迹；在前沿研究的复杂计算中也常常有牛顿方程的一席之地。在一个单独的理论体系下，牛顿带来了丰富的物理学现象。
但在总结他的运动学定律时，牛顿遇到了一个棘手的问题，而这个问题对于我们所要讲述的故事也很重要（第2章）。每个人都知道物体可以运动，但是这些运动发生在哪里呢？空间，也许大家都会回答。但是，牛顿却会问，空间又是什么呢？空间是一个真正的物理实体？还是人们根据对宇宙的理解而得出的一个抽象概念呢？牛顿意识到这个关键问题必须得以解决，因为如果没有对空间和时间的正确理解，他的公式将变得毫无意义。理解需要来龙去脉，思考需要正确的方向。
因此，在他的《数学原理》一书中，牛顿用简明的语言阐述了空间和时间的概念，他认为空间和时间是绝对的、不可改变的实体，这就为宇宙提供了一个固定而不可改变的舞台。根据牛顿的理论，空间和时间为宇宙提供了一个不可见的框架从而形成了宇宙结构。
即使在当时，也并不是每个人都同意牛顿的说法。有些学者就指出把理论建立在你摸不到又看不着也无法影响的事物上是没有意义的。但是牛顿的解释和牛顿方程惊人的预言能力使这样的观点销声匿迹。在之后的200年里，牛顿关于空间和时间的绝对性观点成为铁律。
相对论意义上的实在性
经典的牛顿世界观之所以令人心悦诚服，并不仅仅是因为它能以惊人的精确度描述自然现象，更是由于这种对大自然的描述的细节之处——数学——是与经验紧密相连的。你用力推一个物体，它就会加速。你掷出球时花的力气越大，球撞墙时所发生的形变也就越大。当你挤压某个物体时，你也会感觉到那个物体在挤压你。一个物体的质量越大，它所具有的重力也就越大。所有这些都是自然世界的最基本性质。当你学习牛顿的力学体系时，你会发现所有的这一切都可由牛顿的方程清晰直观地表示出来。不同于用水晶球占卜那一套完全无法了解的骗人伎俩，任何一个只受过很少数学训练的人都可以掌握牛顿定律。经典力学为人类的直觉提供了坚实的基础。
引力很早就被牛顿纳入其方程之中。但直到19世纪60年代，电力和磁力才由苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦添加到经典物理体系中。麦克斯韦需要使用新的方程来描述电力和磁力，而他所用到的数学知识需要更高层次的训练才能完全掌握。由麦克斯韦引入经典物理体系中的新的方程在描述电磁现象上恰如牛顿方程在描述运动上那样成功。到了19世纪末，宇宙的奥秘显然已不是人类智力的对手了。
事实上，随着电与磁的成功统一，科学家们逐渐产生了一种认识：理论物理即将完善。有人提出，物理学正在飞速地发展为一门完善的学科，它的定律不久后就会被雕刻在石碑上。1894年，著名的实验物理学家阿尔伯特·迈克尔逊评论道，“大多数重要的基本理论已牢固地建立起来”，他引用了一位著名的科学家的话——大多数人认为这句话是英国物理学家罗德·开尔文说的——物理学界剩下的工作只是确定小数点后的数字之类的问题。11900年，开尔文曾指出物理学界上空盘旋着两朵乌云，一个与光的运动性质有关，另一个则是物体被加热时的辐射问题，2但在当时，大家都觉得这些也仅是一些细节问题，它们很快就会被解决。
在随后的10年间，一切都改变了。虽然正如人们所预料的那样，开尔文提出的这两个问题很快被解决了，但是它们的解决却带来了更多的故事。每个问题的解决都导致了一场革命，都需要改写基本自然定律。空间、时间和实在性——几百年来它们不仅有效运转，而且精确地表达了我们对世界的直觉——将不得不被丢弃了。
1905～1915年，阿尔伯特·爱因斯坦完成了狭义相对论和广义相对论，掀起了一场解决开尔文第一朵“乌云”的革命（第3章）。在电、磁和光的运动的谜团中挣扎时，爱因斯坦意识到，经典物理学的基石——牛顿的空间和时间概念出现了状况。通过1905年春季几个星期的努力，爱因斯坦提出：空间和时间并不像牛顿认为的那样具有独立且绝对的存在性；两者实际上以一种与日常经验相反的形式相互联系。10年之后，爱因斯坦重写了引力定律，为牛顿定律的棺木敲上了最后一颗钉。这次，爱因斯坦指出空间和时间不仅是一个统一整体的一部分，而且通过自身的蜷曲参与了宇宙演化。空间和时间远非如牛顿所想象的那样具有稳固且不可改变的结构；在爱因斯坦的理论中，它们富有弹性并且可以不断变化。
狭义与广义相对论是人类最宝贵的成就，爱因斯坦正是利用它超越了牛顿体系中实在性的概念。即使牛顿的经典物理学在数学上看起来与我们所能感知的物理世界相符合，但它所描述的实在性并不是我们世界的实在性。我们生活于其中的乃是一个具有相对论意义上的实在性的世界。但是，由于经典物理与相对论物理的实在性之间的偏离只有在极端的情况下（如在速度和引力非常大时）才非常明显，因此在大多数情况下，牛顿理论作为一种近似，仍然具有一定的精确性及有效性。但功用性和实在性是完全不同的标准。我们将会看到，我们习以为常的空间和时间的性质只不过是错误的牛顿式臆想而已。
量子世界中的实在性
罗德·开尔文提出的第二种反常为我们带来了量子革命，它是现代人类在对宇宙的认知上不得不承受的一场剧变。当这场剧变烟消云散、经典物理学的饰面被烧焦后，浮现出了新鲜的量子实在性的理论框架。
经典物理学的一个关键特性在于，如果你知道某一时刻所有物体的位置和速度，那么根据牛顿方程和麦克斯韦添加的新方程，你就可以推算出任意其他时刻（包括过去和未来）所有物体的位置和速度。毋庸置疑，在经典物理学体系下，过去和未来都可以与现在准确地联系起来。而狭义相对论和广义相对论也有此一说。虽然在相对论框架下，过去和现在的概念比我们所熟知的经典物理中的过去和现在（第3章和第5章）的概念要微妙一些，但只要有了相对论方程以及现在的现在这一时刻的所有物理条件，我们还是能够推导出有关过去和未来的一切。
而到了20世纪30年代，物理学家们被迫引进一种全新的理论体系——量子力学。令人意想不到的是，人们逐渐发现只有依靠量子定律才可以解开大量谜团，并为其时刚刚从原子和亚原子层次测得的各种数据找到合理的解释。但是根据量子定律，即使你对现在的事物的状态做出最完善的测量，你最多也只能预言物体在未来或过去某个时刻的运动路径的概率。根据量子力学，宇宙并不能从现在完全推演出，我们所能得到的只是概率。
虽然对于如何解释这些进展仍存在着争议，但大多数科学家都认同概率的概念与量子意义上的实在性是密不可分的。人类直觉及其在经典物理中的表现形式会勾画出一幅有关实在性的图像，在这幅图像中，物体总会明确地朝着这个或那个方向运动；但量子力学则不然，它所描绘的只是物体徘徊在各种运动状态之间的实在性。只有当某种观测事件强迫物体放弃量子概率时，我们才会得到确定的结果。而尽管我们不能预言这最终的结果，但我们却可以预言物体处于或这或那的运动状态的概率。
坦白地说，这听起来的确有点不可思议。我们并不习惯这种在具体的观测之前一直保持模糊的实在性。但是量子力学的奇异性并未到此为止。1935年，爱因斯坦和两个年轻同事内森·罗森和鲍里斯·波多斯基写的一篇论文令人又一次震惊于量子力学的奇妙，在这篇论文中，作者们试图发起一次对量子理论的攻击。3基于科学发展的螺旋式上升说法，我们可以将爱因斯坦的论文看做是第一篇指出了量子力学——从表面意义上来说——隐含着某种可能性的文章。这种可能性即在此地发生的事情可以瞬时地与彼地发生的事情联系起来而不用考虑距离的问题。爱因斯坦认为这种瞬时联系荒谬可笑，并将这种来自于量子理论的数学结果视作证明量子理论仍有待发展的明证。但是到了20世纪80年代，理论和工程技术的极大发展使得用实验来检验这种假想的量子谬论成为现实，研究者们证实了相距甚远的两个不同位置间发生瞬时联系的可能性。在早期实验条件下令爱因斯坦感到荒谬可笑的事情真的发生了（第4章）。
关于量子力学特性对实在性图像的影响是一个正在进行中的研究课题。许多科学家，包括我自己，将它们看做是关于空间意义与性质的激进的量子升级中的一部分。正常看来，空间间隔意味着物理上的独立性。如果你想要控制足球场那边发生的事情，你不得不去那儿，或者，至少，你不得不送某人或某物（助理教练，可以传播声音的空气分子，或能引起注意的闪光，等等）穿越球场以施加你的影响。如果你什么都不做——如果你保持原地不动——你将不会对球场的那边产生任何影响，因为球场中间的大片空间将阻断任何物理联系。而量子力学，至少在某些情况下，通过展现超越空间的能力对这种观点提出了挑战；大范围的量子关联可以避开空间间隔。两个物体在空间可以相隔很远，但从量子力学的角度考虑，它们似乎就可看做一个整体。而且，由于爱因斯坦所发现的空间和时间之间的紧密联系，量子关联对时间也有影响。我们将在后面的章节中介绍一些巧妙又真正神奇的实验，这些实验最近探测到量子力学中一些令人非常吃惊的时空关联，正如我们所看到的，它们非常有力地挑战了经典的、我们大多数人所持的直觉性观点。
除了上述的那些令人印象深刻的观念，还有一个有关时间的基本特性——它的方向是从过去指向未来的——相对论和量子力学都没法给出解释。关于这一问题，唯一令人信服的进展来自于物理学领域名为宇宙学的研究。
宇宙学里的实在性
睁大你的双眼寻求宇宙的真正本质一直是物理学的最基本目的之一。很难想象有什么经历会比认识到——如我们20世纪做到的那样——我们所感受到的实在性只不过是实在性的一缕而已，更能令人觉得不可思议的了。但物理学的另一个同等重要的目标就是解释我们在实际生活中所感受到的实在性。回顾一下物理学史，似乎这个目标已经达到了，似乎普通的生活感受已经被20世纪前的物理学解决了。从某种程度来看，这是正确的。但即使是那些日常之事，我们也远远没有完全理解。我们日常感受到的很多事情都仍未被解释清楚，其中之一即是现代物理学界最深奥的秘密——伟大的英国物理学家阿瑟·爱丁顿爵士把它称为时间之箭。4
我们理所当然地认为万物都有一个时间上的发展方向。鸡蛋一旦打碎就不再完整了；蜡烛一旦融化就不能再重塑起来了；记忆一旦成为过去就不再属于未来；人们一旦年老就不再年轻了。这些不对称性主宰了我们的生活；过去和未来的区别是检验实在性的主要因素。如果过去和未来表现出来的对称性与我们所见证过的左与右，后与前的对称性一样，那么这个世界将变得无法认知。每当鸡蛋打碎时，碎片很快就可连接起来；每当蜡烛融化时，蜡油很快就可重塑；我们会记起很多未来的事情就像我们回忆过去一样；每当人们变得年老时很快就会再变得年轻。显然，这种时间上的对称性并不具有实在性。但是时间的不对称性来自哪里呢？是什么决定了时间所有的最基本的特点呢？
事实上，一些被广泛接受的著名物理定律并未显示出这样的不对称性（第6章）：时间的每个方向，向前或向后，在定律中都是没有区别的。而这是一个巨大谜团的起源。基础物理学的方程中并无时间方向的区别，这与我们的日常生活经验是不一致的。5
令人惊奇的是，尽管我们的注意力集中于熟悉的日常生活，但要想令人信服地解决基础物理与基本体验之间的不相容，我们就得思考最不熟悉的事情——宇宙的起源。这种认识植根于19世纪物理学家路德维格·玻尔兹曼的工作，许多研究者对此进行过详尽的说明，其中最著名的有英国数学家罗杰·彭罗斯。我们将会看到，宇宙开端时的特殊物理环境（在宇宙大爆炸之时或之后的高度有序的环境）可能已经为时间选择了一个方向，正如将一个时钟的发条拧紧，使之处于高度有序的初始状态，然后它就会滴滴答答转起来。因此，从某种意义上讲，鸡蛋破碎——而不是破碎的鸡蛋重新完整——见证的是140亿年前宇宙诞生时即已设定的条件。
日常经验与早期宇宙之间出乎意料的联系使我们认识到为什么事物总是向时间轴的一个方向发展下去而不能反过来进行，但是这并未完全解决时间之箭的神秘性。相反，它把谜团扩大至整个宇宙学——针对宇宙起源与整个宇宙的演化的研究——它促使我们寻找宇宙是否有高度有序的开端，而这正是解释时间之箭的关键所在。
宇宙学是令我们人类感到困惑的最古老学科。这一点都不奇怪。我们是讲故事的人，什么故事能比有关创生的故事更伟大呢？过去的几千年间，世界范围内的宗教和哲学教义对万物——宇宙——的起源提出过种种不同版本的诠释。科学，在其漫长的历史中，也早已染指宇宙学。但直到爱因斯坦的广义相对论出现之后，现代科学宇宙学才真的诞生。
在爱因斯坦发表他的广义相对论之后不久，许多科学家，包括他自己，都曾将广义相对论应用于整个宇宙。十几年后，他们的研究导致了试探性的理论体系即所谓大爆炸理论的诞生，该理论成功地解释了许多天文学观测现象（第8章）。20世纪60年代中期，支持大爆炸理论的证据进一步增多，通过观测，人们发现空间中存在着近似均匀的微波辐射——虽然肉眼不可见但很容易就能被微波探测器检测到——而这是大爆炸理论预言过的。到20世纪70年代，经过更为细致的研究，人们取得了实质性进展，已经能够确定不同时期热量与温度上的改变与宇宙的基本组成之间的对应关系，大爆炸理论稳固了其在宇宙学理论中的领先地位（第9章）。
尽管其成功毋庸置疑，但大爆炸理论也有非常明显的缺陷。它无法解释太空中为什么会有天文学观测所发现的整体形状，也无法解释为什么微波辐射的温度在整个天空中各向同性——自打微波背景辐射被发现起人们就一直在研究的问题。而且，从我们研究的最初目的来看，大爆炸理论并未提供令人信服的理由来解释宇宙在最初时刻高度有序的原因，而这正是解释时间之箭的关键所在。
20世纪70～80年代，各种各样未被解决的问题引发了一场重大突破，导致了所谓的暴涨宇宙学（第10章）的诞生。暴涨宇宙学修改了大爆炸理论，在宇宙最初时刻插入了一场以令人难以置信的速度急剧膨胀的极短暂的爆炸时期（在该理论中，宇宙在不到百万亿亿亿分之一秒的时间内，其大小增加了百万亿亿亿倍）。年轻的宇宙的疯狂增长填补了大爆炸模型所留下的空隙——从而解释了宇宙形状和微波辐射的均匀性，也暗示了早期宇宙高度有序的原因——于是也就在解释天文学观测和我们所体验到的时间之箭方面取得了实质性进展。
然而，尽管取得了以上成功，但发展了20年的暴涨宇宙论一直隐匿着它令人遗憾的一面。与其所修正的标准大爆炸理论一样，暴涨宇宙论需要借助于爱因斯坦所发现的广义相对论方程。虽然大量的研究文章证明了爱因斯坦方程在精确描述大型重量级物体上确实有效，但是长久以来物理学家们都知道有关小物体的精确理论分析——比如所观测宇宙的年龄还不到1秒时——需要使用量子力学。问题是当广义相对论的方程与量子力学的方程混合在一起时，将发生灾难性的结果。方程完全破产了，这将阻碍我们确定宇宙的诞生过程，以及其在诞生之初时的条件是否能用来解释时间之箭。
将这种情况描述成理论学家的梦魇并非夸张：分析一个实验上无法涉及的重要领域时却找不到数学工具的帮助。因为空间和时间与这一特别的难以企及的领域——宇宙起源——有着千丝万缕的联系，所以要理解空间和时间，我们就得找到这样一种方程——它得能应付早期宇宙高密度、高能量、高温度的极端条件。这绝对是一个具有本质意义的目标，许多物理学家相信，要解决这个问题需要发展所谓的统一理论。
统一理论的实在性
过去的几个世纪里，物理学家们通过说明各种各样千变万化的或者在表面上看来全无联系的现象实际上可归结于单独一组物理定律，来肯定我们对自然界的理解。对于爱因斯坦而言，这样统一的目标——用最少的物理原则来解释最广泛的现象——成了他延续一生的激情。借助于他的两个相对论，爱因斯坦统一了空间、时间和引力。但是这种成功只能起到鼓舞他，令他思考得更加深远的作用。他梦想着能找到一个独立的，能涵盖所有自然定律的理论体系；他将这样的理论体系称为统一理论。虽然时不时地有谣传说爱因斯坦已经发现了统一理论，但是所有的传言都毫无根据；爱因斯坦的梦想还没有实现。
在爱因斯坦一生的后30年中，他集中精力研究统一理论而使他脱离了当时的主流物理学。在许多年轻科学家看来，对于一位像爱因斯坦这样的伟人而言，一意孤行的研究统一理论是走错了方向。但是在爱因斯坦逝世后的几十年里，越来越多的科学家接过爱因斯坦的接力棒，继续他未完成的事业。今天，发展统一理论已成为理论物理学界最重要的问题。
许多年来，物理学家们发现实现统一理论的关键障碍在于20世纪物理学界的两个重大突破——广义相对论和量子力学——之间的矛盾。虽然这两个体系应用于不同的领域——广义相对论应用于宏观物体如星球和星系，而量子力学应用于诸如分子原子之类的微观物体——但是它们各自都宣称自己具有普适性，可以应用于所有的领域。不管怎样，正如前面所说，一旦将这两个理论结合起来，所得到的方程就会产生毫无意义的答案。比如，当用量子力学结合广义相对论来计算某个过程或与引力有关的事件发生的概率时，答案不是24%、63%、91%之类；相反，所得到的数学结果居然是无限大。但这并不意味着某事发生的可能性如此之大，必胜无疑，以至于你应该把所有的钱都赌进去。大于100%的概率是没有意义的。计算得出无限大的概率只能说明将广义相对论和量子力学结合起来所得到的方程是有问题的。
科学家们意识到相对论和量子力学之间存在矛盾已有半个多世纪了，但在相当长的时间内，很少有人感到有必要去解决这个问题。相反，大多数研究者用广义相对论来分析大而笨重的物体，而用量子力学来分析小而轻的物体，他们小心翼翼地在每个理论的安全范围内使用它们，防止了相互矛盾的产生。许多年来，这种绥靖政策使得这两种理论分别在各自的领域取得了相当大的成就，但这并不能带来永久的和平。
很少的一些领域——既具有大质量又具有小尺度的极端物理条件下——即那些需要广义相对论和量子力学同时有效的领域彻底沦为军事禁区。举两个最为人所熟悉的例子：在黑洞中心，一个完整的星球由于自身重力可被压缩成一个微小的点；大爆炸理论假想整个可观测宇宙被压缩成比一个原子还要小很多的核。没有广义相对论和量子力学的成功结合，塌缩星球和宇宙起源将永远是未解之谜。但许多科学家宁愿把这些领域搁置一边，或至少把其他易解决的问题解决之后再来考虑这个问题。
但是有些科学家却无法等待。公认的物理定律之间的矛盾意味着掌握深层次真理的失败，这已经足以使这些科学家无法安心了。尽管路途艰辛，但那些不断探索的科学家们却发现了更加深不见底的水域和更为汹涌的波涛。然而随着时间的慢慢逝去，研究却无多大的进展；一切看起来仍是那么虚无缥缈。尽管如此，那些坚定决心探索这个领域并不断追寻着统一广义相对论和量子力学的科学家们仍然值得嘉奖。科学家们现在正沿着被先驱们照亮的道路继续前进，已经快要实现这两个理论的完美结合。大多数人认为最有竞争实力的理论是“超弦理论”（第12章）。
我们将会看到，超弦理论发轫于为一个老问题给出的新答案：最小的，不可再分的物质是什么？几十年来，传统答案是物质是由粒子组成——电子和夸克——它们被模型化为不可再分，没有大小也没有内部结构的点。传统的理论认为——并有实验证实——这些粒子以各种不同的方式结合起来产生质子、中子和各种各样的原子和分子，进而组成我们平常肉眼所见的各种物体。超弦理论是一个与众不同的理论。它并未否认电子、夸克和实验所发现的其他粒子所起的重要作用，但它声明这些粒子并非是点。相反，根据超弦理论，每种粒子都是由极小的能量丝组成，它们比单个原子核还要小万亿亿倍（远非我们目前所能探测的长度），这种能量丝形成一种形似弦的东西。就像小提琴的弦能按不同的模式振动，而每种振动模式都能产生不同的音调一样，超弦理论中的能量丝也有多种振动模式。这些弦的振动尽管不会产生不同的音调；但根据该理论，它们却会产生不同的粒子性质。按某种模式振动的细小的弦有电子的质量和电荷；据该理论，这就是我们传统意义上的电子。按不同模式的振动着的另一根小小的弦将会是夸克、中子或其他类型的粒子。所有不同类型的粒子都可以在超弦理论中得到统一，因为每种粒子都是由相同基本实体的不同模式的振动产生的。
表面看来，从点演变到极小以至于看起来像点的弦似乎并不具有重大意义。但事实并非如此。从这样微小的开始，超弦理论把广义相对论和量子力学整合为一个独立、连贯的理论，从而消除了以前尝试统一所得出的无限大的概率。如果那还不够的话，超弦理论已经展现出了将自然界中所有的力和所有的物质都统一于同一理论的必然性。简而言之，超弦理论是爱因斯坦统一理论的重要候选者。
这些伟大的主张，如果正确，将意味着里程碑式的进步。但是超弦理论最激动人心的特征——毫无疑问，这也将使爱因斯坦激动——在于其对我们理解宇宙结构上所产生的重大影响。我们将会看到，根据超弦理论，我们的时空观必须来一次巨变，才有可能在数学上合理地将广义相对论和量子力学结合起来。超弦理论要求有9个空间维度和1个时间维度存在，而不是常识中的三维空间和一维时间。在超弦理论更加复杂的化身所谓的M理论中，统一需要十维空间和一维时间——宇宙在根本上有11个时空维度。由于我们看不见这些额外的维度，超弦理论相当于告诉我们，我们迄今为止所瞥到的实在性只有那么一点点。
当然，没有额外维度的观测证据也可能意味着它们并不存在以及超弦理论是错误的。然而就这样得出结论是十分草率的。在发现超弦理论的几十年前，一些富有前瞻性的科学家，包括爱因斯坦，曾经思考过这个问题，或许空间维度远远不止我们所看到的那么多，额外的维度可能隐藏起来了。研究弦论的科学家们充分精炼了这些思想并发现额外维度很难取得突破性进展，因为它们太小以至于无法用现有的设备看到（第12章），也可能它们很大但是我们探索宇宙的方式无法将其发现（第13章）。每一种猜想都会带来丰富的内涵。通过其弦的振动的影响，微小且有褶皱维度的几何形状在回答大多数基本问题（如为什么我们的宇宙中存在着恒星和行星）上起着关键性的作用。大的额外空间维度所留有的想象余地允许更不可思议的想法：或许存在着其他的，我们至今完全没有察觉到的周边——不是普通空间意义上的周边，而是额外维度上的周边——世界。
虽然只是一个大胆的想法，但额外维度的存在并不只是理论上天马行空的想法。它也许很快就会得到验证。如果额外维度真的存在，我们就有可能在下一代原子对撞机上得到意想不到的结果，比如说人类将有可能第一次人工合成微观黑洞，或是产生一大批新的、从未被发现的粒子（第13章）。各种各样的奇异结果可能为平常不可见的额外维度提供第一手证据，并使超弦理论离人们长久寻求的统一理论更进一步。
如果超弦理论被证明是正确的，那么我们将不得不接受我们所知道的实在性不过是厚重又纹理丰富的宇宙织物的精美花边而已。尽管据加缪看来，确定空间维度的数目——特别有意义的是，如果真的发现空间维数并不只是3个——所提供的远不只是一些科学上很有趣但却最终无多大意义的细节。但额外维度的发现将使我们认识到，全部的人类经验还不足以帮助我们完全知晓宇宙在基本层面上实质性的东西。这将不容辩驳的证明，我们过去以为通过人类感官即可轻易明了的宇宙特性也不一定就如我们认为的那样。
过去和未来的实在性
随着超弦理论的发展，科学家们非常乐观地认为我们已经建立起了一个任何情况下——无论情况多么极端——都将成立的理论体系；而有了这个理论，我们就可以在未来的某一天，在这个理论方程的帮助下，搞清楚宇宙起源的那一刻究竟发生了些什么。迄今为止，还没有人有办法将该理论合理地应用于大爆炸理论，但是从超弦理论的角度来理解宇宙已经成为当代研究的首选之一。过去的一些年里，有关超弦理论的世界范围内的研究计划已经为我们带来了新颖的宇宙学体系（第13章），使我们可以用天文学观测来验证超弦理论（第14章），并使我们有机会初窥超弦理论在解释时间之箭中应起的作用。
时间之箭，因其在我们日常生活中所扮演的重要角色及其与宇宙起源之间的密切联系，而处在我们所感知的实在性与前沿科学试图追寻的更为精确的实在性之间的交汇地带。如上所说，时间之箭的问题串起了我们将要讨论的许多科学的进展，有关时间之箭的问题将会在后面的章节中反复讨论，这样才是恰当的。在影响我们生活的许多因素中，时间占有最重要的地位。当我们能熟练掌握超弦理论及其扩充——M理论时，我们对宇宙学的理解将会更加深刻，对时间起源与时间之箭的理解也将更为锐利。如果我们能让想象自由驰骋，我们甚至能预想到我们理解的深度终有一天能让我们自由地探索时空，进而探索那些远非我们现在的能力所能达到的领域（第15章）。
当然，我们可能永远都没办法拥有这种力量。但即使我们从来都没有控制时间和空间的能力，深刻的理解也会使我们有自己的力量。我们对时间和空间本性的理解将是人类智力的证明。我们最终会了解空间和时间——这一悄然矗立着的限定人类感知范围的界碑。
空间和时间的下一个时代
许多年前，当我翻到《西绪福斯神话》的最后一页时，我就对文中所体现出的无上的乐观情绪感到惊奇。一个人被诅咒，当他把一块大石头推上山时，这块石头将会滚下来，于是他又不得不再次将石头推上山，这毕竟是那种注定不会有幸福结局的故事。但是加缪却在他身上找到了真正的希望，西绪福斯追求自由的意志，勇敢地面对不可逾越的障碍，英勇地选择了生存，即使他因被诅咒而不得不在冷漠的宇宙里做一项十分荒谬的工作也不放弃。西绪福斯放弃除即时体验外的一切，不去寻找任何一种更深刻的理解或更深刻的意义；在某种意义上，加缪认为，西绪福斯胜利了。
对于在别人看来只有绝望的事情，加缪却有能力发现其中的希望，我对此感到十分震惊。但是作为一个少年，即使在几十年后的今天依然如此，因为我无法同意加缪的观点——对宇宙的更深刻的理解将不会使生活更有意义。西绪福斯是加缪心目中的英雄，而我心中的英雄却是最伟大的科学家——牛顿、爱因斯坦、尼尔斯·玻尔和理查德·费曼。我读过费曼对于玫瑰的描述——他解释他如何感受到玫瑰的芳香和美丽，就像其他人做的那样，而他的物理知识大大丰富了人类的体验，因为他也能理解基本的分子、原子和亚原子过程中的奇迹和壮丽——我被他深深地迷住了。我推崇费曼描述的：在所有可能的层面上体验生活、感知宇宙，而不仅仅停留在那些恰好符合人类感知能力的层面上。寻求对宇宙的深层次理解已经成为我活力的源泉。
作为一名物理学教授，长久以来我认识到我高中时在对物理的沉迷中存在一些天真的想法。物理学家们一般不会怀着对宇宙的敬畏和幻想把时间花在思考花儿上。相反，我们把许多时间花在研究爬满黑板的复杂数学公式上。进展是如此的缓慢。即使富有希望的想法也往往毫无所得。那就是科学研究的本质。但是，即使在只有微小进展的时期，我也会发现在猜测和计算上的努力使我同宇宙之间的联系变得更加紧密了。我觉得一个人开始了解宇宙，并非只能通过解释宇宙的神秘之处了解，也可以通过令自己沉浸在研究宇宙的乐趣之中来了解。获得答案很了不起，获得被实验验证的答案就更了不起。但即便最终被证明是错误的答案，也代表着与宇宙的联系加深了一步——这种联系为我们的问题带来了更多的光亮，进而使我们对宇宙了解更近了一步。即使与特定的科学探索有关的巨石依然滚回原地，我们还是会学到一些东西并丰富我们对宇宙的体验。
当然，科学史向我们揭示，人类集体科学探索这块巨石——几个世纪以来各个大陆的无数科学家们所作出的贡献——不会从山上滚下来。不像西绪福斯，我们不用一次又一次从头再来。每一代科学家们从先辈手中接过接力棒，对先人的艰苦工作、洞察力、创造性表示敬意，并把它们再向前推进一点。新的理论和更为精准的测量是科学进步的标志，而这样的进步又建立在以前科学成就的基础上。正是由于这样的原因，我们的任务并非荒唐而无意义的。在把巨石推向山顶时，我们承担的是最精细、最高贵的工作：揭开我们称之为家园的这片地方的奥秘，在我们发现的奇境中畅游，把我们的知识传授给我们的跟随者。
作为一个能直立行走的物种，我们所面临的挑战是艰难的。在过去的300年中，我们取得了巨大的进步，从经典物理学到相对论，再到量子的实在性，直到今天对统一实在性的探索，我们的思想和工具都经历了时间和空间上的巨大跨越，使得我们离这个伪装得如此之巧妙的世界更近了。我们正在逐步揭开宇宙的面纱，一步步接近真理。虽然我们的探索之路还很长，但很多人相信，人类已经快要结束童年时期了。
可以肯定的是，我们对银河系6的探索已经酝酿了相当长的一段时间。我们以这样或那样的方式探索这个世界、思考整个宇宙已经有几千年了。大多数时候，我们只简单地探索未知之物，每一次尽管稍有收获但大体没有多大的变化。自从牛顿仓促地树起现代科学的旗帜，科学就勇往直前了。跟从前相比，我们正朝着更高的目标前进。而我们的探索之路将从一个简单的问题开始。
什么是空间？
第2章 宇宙与桶
空间究竟是人为的抽象，还是物理实体呢
一桶水能够成为一场长达300年之久的论战的核心问题的机会并不多。但是伊萨克·牛顿爵士的这桶水并不寻常。爵士在1689年记述了一个小小的实验。自那以后，这个实验对世界上最伟大的一些物理学家产生了意义深远的影响。这个实验说的是：将一只水桶装满水，然后用绳子吊起来；将绳子紧紧地拧起来，使得松手后桶能够旋转起来；拧紧后松手。起初，桶开始旋转，而其中的水处于静止状态；水的表面光洁平坦。慢慢地，随着桶的速度越来越快，其运动就会通过摩擦力缓缓地传递给桶中的水，从而使得水也开始旋转。这个时候，水的表面变成凹状，边缘高中心低，如图2.1所示。
这就是我们要讨论的实验——并不是那种使人心跳加速的问题。但是我们稍微思考一下，就会发现这桶旋转的水令人困惑不解。接下来我们就好像300年来并没有人研究过它一样，紧紧地抓住旋转的水桶这一问题，将其视为通向了解宇宙奥秘之路的关键几步。当然，理解这个问题需要一些背景知识，但是在这方面下点工夫将会是值得的。
图2.1 水面开始是平的。桶刚开始旋转的时候，水面保持平稳。接下来，水也随之旋转，从而导致水面下凹。在水旋转的过程中，水面将一直下凹，即使桶减速并停止旋转的时候依然如此。
爱因斯坦之前的相对论
我们总是将“相对论”这个词与爱因斯坦联系起来，但事实上这一概念可以追溯到更为久远的年代。伽利略、牛顿以及其他的很多人都深知速度——物体运动的速率与方向——具有相对性。使用现代术语，我们可以这么解释：在击球手看来，投得不错的快球以差不多100千米/小时的速度飞来。但从棒球的角度看，是击球手以差不多100千米/小时的速度接近。这两种说法都是准确的，只是立场不同而已。运动只有在相对的条件下才有意义：一个物体的速度究竟如何，只有通过与另一个物体的关系才能说明。或许你曾有过这样的经验：坐在火车中，窗外的另一辆火车与你乘坐的这辆火车相对运动。这时，你不能立刻说出究竟是哪一辆火车真的在动。伽利略在描述这一问题时使用的是他那个时代的交通工具——船。在平稳行驶的船上自然地松开一枚硬币，如同在陆地上的情况一样，硬币会落到你的脚上。从你的角度来看，你处于静止状态而水流从船边流过。这样的话，由于你并没有运动，硬币相对于你的脚的运动将与你在陆地上的情形一模一样。
当然，在某些情况下运动似乎具有某种内在性，你可以在没有外界事物作参考的情况下就可以感受并且宣称你肯定在运动。这就是加速运动，一种你的运动速度或运动方向发生改变的运动。如果你所乘坐的船突然向某一边倾斜，掉转船头，突然加速或减速，又或者是在漩涡中团团转的时候，你就会知道你正在运动。这个时候你并不需要选好某个参考点就可以知道自己在运动。即使你闭着眼睛也是如此，因为你能感觉到它。但是如果你处于速度大小和方向都不变的运动状态——匀速直线运动——你就没法知道自己是否处于运动状态。所以，你所感觉到的是运动的改变。
但是细想一下，这事有点怪。为什么运动的改变那么特别，具有某种内在的意义呢？如果运动是某种只有在比较下——通过与另一个物体对比来说明这个物体处于运动状态——才有意义的概念，那么为什么运动的改变就不是这样呢？为什么它不需要对比就有意义？事实上，它是否也是需要在对比下才有意义呢？有没有可能在我们每次提到或感受到加速运动的时候，都有某种隐含的对比在起作用呢？或许你会感到有点不可思议，但这个就是我们要追寻的核心问题，因为这个问题触及了与空间和时间的意义有关的一些深刻问题。
伽利略对运动的深刻洞察力使他确信地球本身就处于运动之中，而这却遭到宗教裁判所的憎恨。更加谨慎的笛卡儿为了避免相同的命运，在他的《哲学原理》里采用了一种模棱两可的说法来表述他对运动的认识，不过这样显然无法躲过30年后的牛顿的审慎检查。笛卡儿认为物体对于自身运动状态的改变会自然的抗拒：静止的物体将保持静止状态直到有外力迫使其改变；以匀速沿直线运动的物体将保持匀速直线运动状态直到有外力迫使其改变。就这一说法，牛顿质疑道：“静止”或者“匀速直线运动”这样的概念究竟是什么意思？静止或匀速是相对于谁来说的？静止或匀速是从谁的角度看？如果不是处于匀速运动，那么究竟是相对于谁或者说从谁的角度看不匀速？笛卡儿理顺了有关运动意义的几个方面；牛顿却发现了笛卡儿遗漏的一个关键问题。
牛顿，这个执着追求真理的人，曾经为了研究眼部解剖结构而在自己的眼眶与眼睛之间插上一根钝针；后期，在他担任造币局局长时制定了最为严酷的措施惩罚那些制造假币的人，为此超过100人被送上了绞刑架。一个像他这样的人绝不能容忍谬误或者不完备的推理。他要更进一步，于是他想到了水桶。1
桶
当我们放开水桶的时候，桶和其中的水会一起旋转起来，水的表面成凹状。牛顿提出的问题是：水的表面为什么会形成这样的形状？你也许会说：因为它在旋转呀，就像突然一个急转弯时，坐在汽车中的我们也会感受到汽车的压力。桶中的水也是如此，旋转的时候，水会受到来自于桶壁的压力，在这种压力下，桶壁处的水就只能向上延伸。这种解释当然说得通，但却没能抓住牛顿问题的根本意图。牛顿想要问的是水在旋转究竟是什么意思：水相对于什么旋转？牛顿那时仍在思索运动的基础，还远未来得及想明白诸如旋转这样的加速运动为何不需要与外部物体做比较这样的事情。3
自然而然的选择当然是将水桶当成参照物。但是经过论证，牛顿认识到这样行不通。试想一下，在桶最初开始旋转的时候，桶和水之间一定会有相对运动，这是因为桶动起来的时候水不可能立即就动。即使水动起来了，水的表面也会保持平的状态。过了一小会后，水旋转起来了，这时水和桶之间没有相对运动了，水的表面却凹了下去。所以，如果我们将桶作为参照物的话，我们就将得到与我们所期望的完全相反的结论：有相对运动的时候，水面是平的；而没有相对运动的时候，水面却凹下去了。
其实，我们还可以将牛顿的水桶实验更进一步。桶再转一会，绳子又扭在一起（方向不同），于是桶就会慢慢减速并且最终静止下来，但是桶里的水还会继续旋转。这时，水与桶之间的相对运动与实验开始时的状况是一样的（除了顺时针旋转和逆时针旋转这一区别）。但是，水面的形状却不一样（实验开始时水面是平的，现在是凹下去的）；这正好说明了相对运动不能解释表面形状。
将桶作为水的运动的参照物这种可能性排除之后，牛顿继续大胆思考。他进一步论证道：试想一下，我们在一个深冷、完全虚无的空间——真空——中继续我们的转桶实验。这时我们不能重复完全一样的实验了，因为水的表面形状是部分依赖于地球引力的，在现在的这个实验条件下根本没有地球存在。为使我们的例子更具可操作性，我们需要一个漂浮在真空中的巨桶——就像游乐场里的摩天轮一样巨大；再想象一下，一位勇敢的宇航员，霍默，被捆在巨桶的内壁（牛顿用的并不是这个例子，他想到的是用一个绳子将两块石头绑在一起来说明问题，但要点都是一样的）。有证据表明巨桶在旋转。与桶中的水会形成凹面类似的是，霍默将会感受到被压在桶的内壁上。他面部紧张，腹部缩紧，头发向着桶壁拉伸过去。现在问题来了：在一个完全虚无的空间——没有太阳，没有地球，没有空气，没有油炸圈饼，什么都没有——究竟什么东西有可能作为巨桶旋转的参照物？因为我们想象的空间是完全虚无的，除了巨桶本身什么都没有，所以看起来可能没有任何东西可以作为巨桶旋转的参照物。但牛顿并不这么认为。
他的回答是选定终极容器作为参照物，而这个终极容器就是：空间本身。牛顿提出，我们所有人都存在于并且所有的运动都发生于一个透明的、虚无的舞台之中，而这个舞台本身就是一个真正的物理实在，他将其称之为绝对空间。2我们既抓不到摸不着绝对空间，也闻不到听不着绝对空间。但是牛顿宣称绝对空间的确存在。牛顿提出绝对空间是描述运动最真实的参照物。如果一个物体相对于绝对空间静止，那它就是真正的静止；一个物体相对于绝对空间运动，那它就是真正的运动。而且最重要的是，牛顿总结道，一个物体相对于绝对空间有加速度，那它就是处于真正的加速状态。
牛顿就这样以如下的方式解释了陆地上的水桶实验。实验开始的时候，桶相对于绝对空间旋转，而水相对于绝对空间静止，因此水的表面是平的。随着水的速度渐渐地接近于桶的速度，水也相对于绝对空间旋转起来了，于是水的表面就成了凹状。绳子拧紧的时候，桶开始逐渐减速，而水继续旋转——相对于绝对空间旋转——所以其表面仍然是凹的。因此，尽管水与桶之间的相对运动解释不了实验现象，但是水与绝对空间之间的相对运动就解释了这一点。空间本身就为定义运动提供了参照系。
桶只不过是个例子，论证过程本身当然是具有一般性的。根据牛顿的观点，当你系上安全带坐在车里时，你之所以能够感觉到你在运动是因为你相对于绝对空间运动；当你乘坐的飞机加速起飞时，你感到被压向座椅是因为你正在相对于绝对空间加速；当你在溜冰场中旋转起来时，感觉双臂被甩出去了是因为你相对于绝对空间加速。从另一个角度看，如果整个溜冰场旋转起来而你保持不动（假定你处于理想的无摩擦滑动状态）——那你和溜冰场之间仍然有相对运动——但是你不会感觉自己的胳膊被甩出去，因为你与绝对空间没有相对加速度。我们一直用人来打比方，为了不被一些无关紧要的细节误导，我们现在再来看看牛顿的例子。牛顿举的例子是用一根绳子拴在一起的两块石头，这两块石头组成的系统在真空中旋转。因为石头相对于绝对空间有加速度，所以绳子会拉紧。总之，绝对空间对于运动的概念有决定性的意义。
但绝对空间究竟是什么？在这个问题上，牛顿的回应是含混不清加武断。他首先在《原理》中写道“我并不定义时间、空间、位置与运动，因为（这些）是众所周知的”，3从而回避了严格精确地定义这些概念。然后他又写出了那句著名的话“绝对空间，只取决于其本身性质，不需要任何外部事物为其做参考，永远保持不变并且不可移动”，也就是说，绝对空间就是永恒。这就是他的回答。但是我们也可以隐约感觉到，牛顿对简单的断言某种你不能直接看到、测量或者作用于其上的事物真的存在并肯定其重要性并不满意。他写道：
事实上，发现并且有效的区分某个特别物体的真实运动并不是一件容易的事情，因为运动发生于其中的那个不可变动的空间并不能被我们感知。4
这样一来，牛顿就把我们留在了一个有些尴尬的处境中。在描述物理学中最根本最重要的元素——运动时，他把绝对空间这样一个概念放在首要及核心的地位，却没有清楚地说明其定义，并且承认对于将这样重要的鸡蛋放在那么含糊的篮子里感到不快。很多其他人也都感到了这种不快。
空间困境
爱因斯坦曾经说过，要是某人用了诸如“红”，“困难”或者“失望”这样的词，我们都知道这是什么意思。但是到了“空间”这个词的时候，“它与心理体验缺乏直接的联系，在加以解释时存在着很大的不确定性”，5这种不确定可以追溯到久远的年代，人们为了解空间的意义而进行了不懈的努力。德谟克利特，伊壁鸠鲁，卢克莱修，毕达哥拉斯，柏拉图，亚里士多德，及其众多的追随者们多少个世纪以来在“空间”的意义上来来回回的斟酌。空间与物质之间的区别是什么？空间是否为可以脱离物质而独立存在的客体？是否有真正虚无的空间存在呢？空间与物质彼此对立吗？空间是有限的还是无限的？
几千年来，人们对空间的哲学分析同神学的质疑不可分割。依照某些人的看法，神是无所不在的。这样的思想赋予了空间神圣的特征。这样的思想历程起源于17世纪的神学家、哲学家亨利·摩尔，有的学者认为摩尔是牛顿的导师之一。6摩尔相信完全虚无的空间并不存在，不过这是个完全无关紧要的观测事实。因为按照他的看法，即使空间中的物质全部被清空，空间中仍然充满着精神，因此空间永远不可能真正的空。牛顿的观点稍有不同，他认为空间中除了有实体物质外，还存在着“精神物质”。出于谨慎，牛顿认为这些精神的东西“不能阻挡实体物质的运动，就好像什么都没有一样”。7牛顿宣称，绝对空间，是神的感觉中枢。