第一章 我们的宇宙图像
亚里士多德和托勒密以地球作为不动星，哥白尼、开普勒、伽利略的以太阳作为不动星，地球是龟壳上面的平面或球体，哈勃发现远处的星系都离我们远去，广义相对论和量子力学，所有的这些，都是为了证明哲学或科学的终极问题，世界从何诞生。人们建立一个又一个的理论，但是理论都是占时的，是受限于一个领域或范围的，牛顿理论在强引力场中失效，量子引力论还未被证实。科学的终极目的就是要找的一个单独理论，用它来解释描述整个宇宙。
第二章 空间与时间
亚里士多德相信有一个绝对静止的状态，就像他说地球是静止的一样，另外他认为不需要用观测去检验。牛顿定律证明了世界上没有绝对静止的事物，只有相对静止的。亚里士多德和牛顿都相信绝对时间的存在，即我们可以测出两个事件的时间间隔，而且肯定相同。但当一个物体以光速运动时，这些理论就失效了。绝对空间被相对空间所替代，相对论也导致绝对时间被相对时间所替代。我们所看到的星光都是几亿年前的，那我们看见的都是过去吗？
第三章 膨胀的宇宙
恒星的距离可以通过光度和视亮度来推测，恒星的种类可以通过色谱来归类，色谱的红移和蓝移可以判断一个恒星是否离我们远去。宇宙到底是会无限膨胀还是会收缩？宇宙是否产生于一个奇点？宇宙是否有一个开端？相对论作用在奇点时会失效，因为那时的空间和时间在哪里？霍金和彭罗斯佐证了大爆炸奇点，但考虑到量子效应时，一切奇点理论又会消失。半个世纪的研究已经转变了我们几千年来形成的宇宙观，我们对于茫茫宇宙的认识真是微不足道啊。
第四章 不确定性原理
拉普拉斯的决定论，也就是确定性理论（我们只要知道了宇宙在某一时刻的完整状态，便能利用这些科学定律预测宇宙中将会发生的任何事件），被后来的不确定性原理所推翻。再后来的集大成者，即所谓的量子力学。量子力学并得不到一个单独的结果，取而代之的是一组可能发生的结果。量子力学中波和粒子的对偶性解释着泡沫的颜色、双逢实验、原子的结构等一系列现象或事物。量子力学的不确定性原理与经典理论相互协调，两者统一的理论还未诞生。
第五章 基本粒子和自然的力
宇宙的内容可分割成物质和力，宇宙的一切也可以用粒子来描述。物质譬如小到电子、中子、质子，以至夸克，他们为自旋二分之一的粒子，称物质粒子，任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。力则同样可以用自旋为0、1和2的粒子表示，称携带力的粒子，或称为虚粒子（不能被粒子探测器检测到）。携带力的粒子分为四个种类：引力、电磁力、弱核力、强核力，后三种似乎可以统一成一个力的三方面。
第六章 黑洞
最初大量的气体与尘埃向自身坍缩形成恒星，在坍缩过程受到引力、压力、泡利不相容原理的作用，最终态又受钱德拉塞卡极限的影响，恒星质量不超过这个极限会变成中子星、白矮星、褐矮星，超过这个极限便坍缩成黑洞。黑洞的形态只依赖于自身质量和旋转速率。虽然黑洞吸引万物，任何东西都不能逃出事件视界，我们发现黑洞是通过观察它对其它恒星作用的引力，这可测得这个黑洞的质量，质量太大了超出了那个极限的也只能是黑洞。
第七章 黑洞不是这么黑
随着物质落入黑洞，事件视界的面积增加。但如果落入的是熵呢？热力学第二定律告诉我们吸收了带熵物体的黑洞必然会向外释放热量，也就是向外射出粒子。但连光都逃不出来的黑洞是怎么释放粒子的？量子力学给我们的回答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空虚的”空间来的。一个粒子必然要和它的反粒子结合，也就是粒子必然发生的泯灭现象。因此黑洞也是能辐射的，也是能丧失能量和质量的。
第八章 宇宙的起源和命运
热大爆炸模型描述了宇宙从热的状态开始并随膨胀而冷却的景象。在非常高的温度下，粒子能够运动得如此之快，以致没有什么力能让它们相互吸引到一起，但一旦温度下降，它们在每个节点相应结合形成氢、氦等，以致最后形成星云，坍缩成恒星或形成黑洞。为何早期宇宙如此之热？为何宇宙在大尺度上如此均匀？宇宙到底有无边界？人存原理、暴胀模型、虚时间？？？
第九章 时间箭头
时间箭头将过去和将来区分开来，赋予时间以方向。至少存在三种不同的时间箭头：首先是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加，也是热力学第二定律所说的，在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，我们在这个方向上可以记忆过去而不是未来；最后是宇宙学时间箭头，宇宙在这个方向上膨胀，而不是收缩。其中心理学时间箭头是由热力学时间箭头决定的。
第十章 虫洞和时间旅行
虫洞就是一个时空细管，它能把两个相隔遥远的几乎平坦的区域连接起来，虫洞似乎可以实现时间旅行，穿越的过去，而不是未来？
第十一章 物理学的统一
为了建立一个宇宙中万物的完备的统一理论，科学家得出了诸如GUT大统一理论，但还需将量子力学或不确定性原理与广义相对论相结合，进而又有超引力、弦论等量子引力学初期理论尝试。就算探索出了这个终极理论，一个完备的协调的统一理论只是第一步：我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。
第十二章 结论
解释宇宙的理论模型层出不穷：龟宇宙、德谟克利特原子、平坦地球模型、托勒密体系、哥白尼体系、卢瑟福原子、尼尔斯玻尔原子、强人存模型、弗里德曼闭合宇宙、膨胀气球理论、黑洞理论、无边界设想、历史求和模型、弦论、虫洞模型、暴胀宇宙……所有的这些，只是因为我们发现自己处于令人困惑的世界中，我们要理解所看到的一切的含义，并询问：宇宙的本性是什么？宇宙为何是这个样子。
