前言

我在圣玛丽大教堂跟史蒂芬·霍金做最后的告别，这所教堂位于剑桥老城之中，已经有500年的历史。那是2018年3月。我坐的位置在过道边，当他的遗体从我身边经过的时候，我感觉似乎是最后一次同他攀谈。然而，一具棺材将他与我以及其他哀悼者隔开了。在他来到世上76年后，这具棺材最终也将他与物理世界的危险和挑战隔开。

史蒂芬相信，人死后一切都会成为虚空。人类建筑屋舍，创造理论，养育后代，与此同时，时间长河的浪涛将这一切裹挟向前，但是人的肉体则被时间的长河抛在后面。我个人也持这种观点。然而，在棺材从我身边经过的刹那，我忽然觉得，棺木中的他仍然与我们在一起。这是一种奇异的感觉，让我有些恐惧。理智告诉我，史蒂芬短暂的生命已经终结，而我的生命，不久也会终结。物理学告诉我，有朝一日，不仅仅是我们所珍视的物品，而且包括我们意识到的一切存在之物，都会消失。我知道，即便是我们的地球、太阳以及我们的银河系，在宇宙中存在的时间都是有限的，在大限到来的时候，一切将归于尘土。然而，想到永恒的未来，我还是在内心向史蒂芬表达了我的爱以及美好的祝福。

我低头看了一眼葬礼的安排表，上面印有史蒂芬的头像，他一脸满足的表情。我想到了他的力量所在，想到他对其他人表达肯定时露出的笑容，以及表达不赞同的时候做出的怪相。我想到了我们曾共度了很多美好的时光，沉浸在我们都热爱的事业中。我想到了当我们谈起一些特别出色的点子，或是我从他那里又学到了新东西时所体会到的满足感；此外，我也想到了有时候我竭力想说服他，而他绝不退缩，让我无可奈何的情形。

史蒂芬虽然身体不便，但他善于搅动物理学世界，善于向公众介绍物理学知识，在这些方面他举世闻名。但是，公众可能意识不到，对于一个无法行动，而且甚至无法说话的人来说，维系一段长期的友谊，建立深厚的人际关系，以及寻找到自己所爱的人，有多么困难。史蒂芬知道，滋养他，并让他保有对生命的热爱的，不仅仅是他的物理学，也有人与人之间的关系和爱。而且在这方面，他也非常成功，超出了一般人的预料。

葬礼上有些亲友的悼词提到了一件不无讽刺的事：史蒂芬不相信上帝，但其葬礼却是在教堂里举行。在我看来，这完全说得通，因为虽然史蒂芬坚信科学定律主宰着自然界的一切，他同时也是深深相信灵性的。他相信人类具有灵性。他相信，每个人都有情感和道义上的灵性，这使得人与其他动物区别开，也使每个人和他人区别开。一个人，如果相信人的灵魂并不是某种超自然的产物，而是大脑的产物，这么做并不会贬低其内心的灵性。为什么会这样呢？对于史蒂芬来说，他其实既不会说也不会动，他只有他自己的灵魂。

史蒂芬喜欢说：“我这个人最好的品质就是倔。”对此，我无法反驳。这份“倔劲儿”使他能义无反顾地研究他所研究的观点，那些观点当初看起来没有什么前途，而且很多人对之不屑一顾。这份倔强也使他的灵魂能在一个不自由的皮囊里自由地起舞。史蒂芬的寿命已经超出了给他治疗的几乎所有医生的预期，但是在2018年3月14日，这颗恒星还是燃尽了。

此刻，我们都来跟他说再见。他的家人、朋友、护士以及同事都来了。他长我13岁，很多人觉得他几十年前就支撑不下去了，而且他经常因肺部的致命感染而入院。但是在我心里，我一直都觉得他会活得比我更久。

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我是在2003年他联系我之后才认识他的。他问我能否考虑跟他合作撰写科普书。他读过我写的几本书，包括《欧几里得之窗》，讲的是弯曲空间，以及《费曼的彩虹》，讲的是我跟费曼这位传奇物理学家的私人交往。他说他喜欢我的写作风格，另外，他注意到我也是个物理学家，所以我能明白他研究的内容，他特别看重这一点。当时我无比惊讶，感到受宠若惊。随后的几年中，我俩一起合作写了两本书，而且成了好朋友。

我们合作的第一本书是《时间简史（普及版）》。那本书并不是从头开始写的，而是基于史蒂芬此前出版的科普名作《时间简史》进行改写和更新。他之所以这么做，是想让《时间简史》更易懂。加州理工学院的理论物理学家基普·索恩也是史蒂芬的密友，他曾跟我说，一个人懂的物理学越多，就越读不懂《时间简史》。史蒂芬则从另一个方面表达了大约同样的观点。他说：“这本书人人都买，读完的却屈指可数。”

后来，《时间简史（普及版）》在2005年出版，当时我在加州理工学院任教。史蒂芬住在英国，但是他每年都来加州理工，一般一次住上2到4周的时间。借他学术访问的这些时间，外加电邮往来，就足以让我俩完成该书的写作。这本书，以及《果壳中的宇宙》，还有其他几本书的内容，都是基于他在20世纪七八十年代所做的研究。但是在《时间简史（普及版）》出版之后，我们决定一起再写一本书，题目为《大设计》。这本书计划谈一谈他最近一些年的研究成果。我俩计划从头开始，介绍他还未跟公众细说过的一些新的理论，此外这本书还将涉及一些非常棘手的问题，比如平行宇宙的理论，这一理论认为宇宙可能是从虚无状态中产生的，而且自然法则似乎恰好按照生命存在所必需的各种要求对宇宙进行了优化和调整。很明显，这次的写作跟《时间简史（普及版）》完全不同，是从零开始，因此我们需要拿出很多时间面对面地工作，所以我定期从美国加州飞到英国剑桥，和史蒂芬一起写作，直到我们在2010年最终完成此书。

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史蒂芬职业生涯的大部分时间都用在完成爱因斯坦未竟的事业上。1905年，爱因斯坦提出了我们现在所说的“狭义相对论”。当时他25岁，一边从事专利审核的日常工作，一边业余从事物理研究。相对论揭示了自然界许多奇异的秘密：距离和时间的测量是相对的，取决于观察者；物质是能量的一种形式；没有什么能比光移动得更快，如此等等。但该理论有一个问题：狭义相对论没有直接解决引力问题，但它规定了宇宙中速度的极限是光速，这与牛顿的理论相矛盾。在牛顿的理论中，力的传播是瞬间实现的——也就是说，是以无限快的速度传播的。

爱因斯坦一直在研究这一对矛盾。是相对论必须做出改变？还是必须放弃牛顿的引力理论？事实证明，这两方面都要进行改变。他花了10年时间研究这个问题，其间从专利局辞职，并陆续到伯尔尼、苏黎世、布拉格和柏林的大学任教。

1915年，爱因斯坦完成了他的新理论，即“广义相对论”。这是对狭义相对论的一次全面的修正。广义相对论是狭义相对论的延伸，其中明确地考虑到了引力的影响。

广义相对论与牛顿理论的诸多不同之处之一，是它纠正了牛顿理论的一个原则，即引力是瞬间传播的。根据广义相对论，引力以类似于光波的形式传播，传播的速度是光速，因此遵守狭义相对论的速度限制。具有讽刺意味的是，尽管当初爱因斯坦建立广义相对论的推动力之一就是对引力的传播做出令人满意的描述，但引力波却是他的这一理论最后被实验证实的一个效应。顺便说一下，由于对引力波实验的“决定性贡献”，基普·索恩与他人分享了2017年的诺贝尔奖。

为了解释行星为什么会绕轨道运行，以及物体为什么会下落，牛顿想象宇宙中存在一种力，他称之为“引力”。引力作用于所有物质，使其相互吸引，并导致物体的路径偏离它们的“自然运动”方向，即沿着直线运动。爱因斯坦向我们表明，牛顿理论所描述的只是一个近似的图景，其背后存在一个更深的真理，根据这个真理，引力现象可以用一种截然不同的方式来描述。

根据爱因斯坦的理论，物质和能量并不是通过力的作用而产生吸引力。相反，它们只是导致空间弯曲；而空间的曲率反过来决定了物质如何运动以及能量如何传播。物质作用于空间—时间，空间—时间也作用于物质。正是这种相互作用使得广义相对论的数学计算变得非常之难。为了建立这一理论，爱因斯坦必须学习和掌握一门在当时还很模糊的数学，研究弯曲空间的非欧几里得几何。在他努力完善广义相对论的10年时间里，爱因斯坦不得不反复进行尝试和试错，假设该理论可能具有的形式，计算他临时理论的结果，并对自己的想法提出批评。

在通常的情景下，牛顿的理论提供了一个很好的近似结果，因此，过了好几个世纪才有人注意到其存在缺点。但是在高速区域，或者物质和能量高度集中的区域（因为这样的区域引力很强），人们就不能使用牛顿的理论了。

如今，狭义相对论被应用于物理学的许多领域，但是，只有在有限的情景下，我们才需要使用广义相对论来解释。其中最重要的两个情景是关于黑洞和宇宙的起源。几十年来，这些理论似乎都遥不可及，根本无法进行实验来验证。人们认为，早期的宇宙是极其遥远的过去，对其进行研究很难做出成果，而且，就连爱因斯坦本人也不愿意接受黑洞理论，认为它们只是数学计算所产生的奇特结果，不会是真的发生在自然界的现象。结果就是，在爱因斯坦1915年发表广义相对论论文之后的半个世纪里，这些观点基本上都无人问津，广义相对论被淹没在科学的死水里。

不过，物理学家们普遍持有的想法没有阻止史蒂芬。他的第一部著作实际上是一部与他人合著的专业书，题为《时空的大尺度结构》（ The Large Scale Structure of Space Time ），主要是关于弯曲空间以及描述它的数学的。读大学时，我读过该书的大部分，感觉其内容引人入胜，但是该书内容较为艰深，需要细嚼慢咽。有时读懂一页书可能需要一个小时或更长的时间。

黑洞和早期宇宙这些内容都令史蒂芬着迷，于是他把有关的物理学作为自己的主要研究领域。他早期的工作对其他一些研究者产生了巨大的影响，并引领了沉睡的广义相对论的复兴。他后来的发现涉及相对论和量子理论之间的相互作用，这些发现帮助创立了“量子引力”这一研究领域。

史蒂芬的一生都献给了这些思想和现象。他证明，这些话题值得研究，并且他从未止步，一直致力于寻找新的发现。经过40年的思考和努力，到史蒂芬决定写《大设计》的时候，他相信自己终于找到了职业生涯开始时所遇到的最棘手问题的答案——宇宙是如何开始的，为什么会有宇宙，为什么物理定律是这样的？我们写《大设计》的目的，就是向公众解释他所给出的回答。

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你如果准备和某人合作，共同做一个你所热爱的项目，你俩的思想必须相融相通。而且幸运的话，你们的心也将变得相融相通。通过这场合作，我们成了朋友。一开始，我俩只是个“智慧联盟”，其后，这种共事关系变成了一种私人关系。我一开始感到很惊讶，但又认识到其实本不该为此感到惊讶，因为史蒂芬不仅在寻找宇宙的秘密，他还在寻找可以分享这些秘密的人。

史蒂芬小时候常被其他男孩欺负。他的一位高中同学说：“他个子小小的，看起来像只猴子。”成年后，他被囚禁在一个失去正常机能的身体中。他以幽默对抗他人的霸凌，以内心的力量对抗身体的残障。凡是了解史蒂芬的人，都无法不被他强烈的个人品质或他在科学上的慧眼所影响。本书接下来将分享我和史蒂芬一起工作的经历，以及了解他并成为朋友的经历。我希望能在书中阐明，是什么让他成为一个如此特别的物理学家，以及如此特别的一个人。他到底是个什么样的人？他是如何应对疾病的？他的残障之身是如何影响他的思维的？他对待生活的方式以及对待科学的方式，有何特异之处？是什么启发了他，他的想法最初是如何产生的？他主要的科学成就是什么？这些成就在整个物理学中处于什么位置？理论物理学家到底在做什么？他们是怎么做的？以及他们为什么要做这些研究？

随着我和史蒂芬一起工作的时间日渐增长，我对所有这些问题都有了新的看法，这也包括那些我本来就有自己看法的问题。我会在本书中回顾我们在一起的时光，重温他生活中的亮点，并跟大家分享我所学到的东西。