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  此故事的背景是一個古老且未知的外星種族,利用巨大的黑石版(monolith)來研究宇宙的萬物;如果可能的話,他們還想借此來促進有智慧的生命的演化(這塊石板可能是Von Neumann probes但是關於這部分的解釋在電影中被刪去)。本書開始於三百萬年前的古非洲,描述一群原始人類在面臨糧食、水源等生存危機時,一個透明發亮的石板從夜空降臨,以奇幻的聲光效果教導了他們使用工具和獵食,併成功度過種種危機。  接著故事跳躍到了公元1999年,海伍德·佛洛伊德博士前往月球上的克拉維基地參加會議,科學家解釋他們在第谷撞擊坑發現了一個強磁場源,並挖掘出一塊大石板,命名為第谷磁場異常一號(Tycho Magnetic Anomaly-One,TMA-1),或第谷石板。這直立的石板,尺寸分毫不差地是1:4:9,或1:2:3,結構異常堅固,完全光滑漆黑,且出土於三百萬年老的地層,當時人類還沒辦法做出這種東西。這是第一個地球之外存在智慧生物的證據。佛洛伊德和科學家團隊駛去第谷隕石坑想親眼目睹TMA-1。到達時,正巧三百萬年來第一道曙光照射到大石板,他們瞬即聽到了一陣震耳欲聾的尖銳聲響。  接著跳到2001年的太空任務:發現號的土星任務。不過原先計劃是去木星,因不明原因而改去土星。船上五人包括大衛·鮑曼、法蘭克·普爾和處於人工冬眠的其他三人,這三人準備在接近土星時才喚醒。另外,船上有一臺叫HAL 9000(哈兒)的人工智慧電腦,它負責維持太空船的所有活動。  旅途中經過小行星帶,他們飛掠並觀察一顆小行星,之後有著一條條雲帶的木星便肉眼可見。經過木星是為了以它的重力來加速,以便更快、更省燃料來到達土星。他們曾靠近一顆衛星:歐羅巴,覆蓋冰雪、唯有赤道露出一圈岩石。木星越來越接近,然後他們以極近的距離、極快的速度劃過大氣外層,並見到夜半球並非完全無光,而是有木星內部的熱、穿過炫麗雲帶所透出的光。隨後他們檢視途中發射的探測器傳回的影像:它進入木星大氣,穿過厚實的雲層後來到一個橘褐色世界,底下似乎是一片海洋,長長的波浪因為太遙遠而似乎靜止,而往地平線看去,雲靄中聳立一座金字塔型的深色椎體,然後影像就中斷了,因為強大的氣壓壓毀了探測器。  前往土星途中,普爾收到來自他家庭的生日祝福。然後哈兒警告他太空船通訊系統的AE-35元件將發生故障。普爾搭乘分離艙並換掉AE-35元件,爾後鮑曼對替換下來的AE-35元件測試,卻發現沒有任何錯誤。普爾和鮑曼發訊回地球,然後被告知哈兒有些不對勁,並下令將它關機。這些指示因通訊不良而被打斷。然後哈兒告知他們AE-35元件發生故障。  普爾再次搭乘分離艙去帶回損壞的AE-35元件。當他從分離艙下船、準備移除AE-35元件時,分離艙突然飛向他。他沒辦法及時逃開,就被撞擊身亡,他的宇航服也被扯開。鮑曼對於普爾的死非常震驚也非常哀傷。他並不確定是否是哈兒殺了普爾,所以他決定喚醒其它三位冬眠的太空人。他和哈兒有段很長的爭論,因為哈兒拒絕服從他的命令並認為鮑曼沒有這種權力。  當鮑曼威脅哈兒要拔斷它的電源時,哈兒變得溫和且讓他手動控制解除冬眠。當鮑曼開始喚醒他的同事時,哈兒突然開啟船艙,放出大氣,船內的氣壓急驟下降。鮑曼趕緊逃近一個密閉的緊急房間,裡面有與外隔絕的氧氣供給裝置和宇航服。他穿上了宇航服再回到太空船,發現哈兒殺害了三位冬眠的太空人。於是他趕到控制室用盡全力拔除哈兒的晶片——他現在知道它是凶手了。鮑曼把太空船駛回原定路線並動手重新建立和地球的聯絡。鮑曼這才知道他們任務的一切原委,且目的是探索土星的衛星伊亞佩特斯——第谷石板發射訊號的目的地。  鮑曼知道,哈兒覺得有罪且矛盾,因為鮑曼和普爾的任務以為哈兒的任務應該是:充分地收集資訊和報告陳述,但實際上哈兒的任務是和這背道而馳的,這種心理衝突開始表現在小的錯誤。在這段時間內,哈兒本來可以平靜地解決自己的錯誤,但當他被威脅要切斷電源時,他選擇保護他自己,因為他特別的存在還是個未知數,且對沒有睡眠經驗的電腦來說,關掉電源就如同死亡一般,沒人能保證重開機後還是「原來」的哈兒。(哈兒是因為受不了「隱瞞祕密」才殺人)  前往土星途中,旁白道出了一些相關的謎團:十七世紀卡西尼觀測土星時,就發現一顆衛星——伊亞佩特斯在土星的一邊亮、執行至另一邊時卻變暗。旁白便道出這可能是有什麼人給我們的暗號,我們卻沒發覺。另外土星環成因未解,一說是一顆衛星碎裂而成。旁白說這可能是作為建造什麼的原料。另外也沒人發覺,土星環於三百萬年前形成的意義。  鮑曼在船上度過好幾個月,單獨地,慢慢地接近土星。回到地球這件事是沒希望的——哈兒突然釋放發現號的大氣,飛濺的雜物嚴重地損壞了太空船的空氣濾清系統,留給鮑曼那些不適於呼吸的空氣,沒辦法撐回地球或等救援船到來。冬眠也不可行,因為冬眠需要哈兒的監控。  到達土星後,他劃過土星大氣以減低速度,然後進入橢圓軌道準備會合伊亞佩特斯。他漸漸接近伊亞佩特斯時,他發現這顆衛星面向他的這一面有一大片橢圓形白色區域,以外皆呈現黑色,就像一顆沒有瞳孔的眼珠在注視著他。更接近時發現黑白界線十分清晰,表面也完全平滑。然後他發現了瞳孔:一個小黑點,位於白區正中央。當更靠近時,他發現這是一個非常巨大的黑石板,和TMA-1形狀相同卻還要更大,地球上的科學家將其命名TMA-2。不同於TMA-1,TMA-2沒有磁場。  他搭乘一艘分離艙欲登陸在黑石板上。快接近時,它頂面突然產生變化,空間似乎裡外翻轉,隨即將鮑曼與分離艙吞入。鮑曼最後一句話是:「天呀......都是星星!」而任務控制檯再也沒接收到鮑曼的訊息。  鮑曼進入一個充滿星星的空間,然後被一個不明的力量加速,加速到四周星星像軌跡般地往後拉長,然而他本身卻沒有被加速的感覺。減速後他進入一個一整片白的空間,佈滿黑點,就像宇宙的負片。然後他漸漸接近一個無限延伸的表面,上面分成很多小區塊,每區中央都有一個石板,而他正朝其中一個飛去。途中還與另一個不明飛船擦身而過。他想這可能就是宇宙的中央站。進入石板後又被傳送到了正常、卻不知為何處的宇宙。他正朝遠處的紅巨星飛去,途中經過一個金屬支架組成的巨大球體,上面停駐著各式各樣的宇宙船,卻似乎已遭廢棄。接近紅巨星時,他見到了日出:一顆白矮星伴星貼著紅巨星表面繞行,並不斷吸起紅巨星表面的氣體,還有一大群不明發光物沿著氣體飛行。他猜測可能是某種未知型態的生命。  最後他進入紅巨星,被某種力量保護而安然無恙。突然,他到達一間很棒的旅館套房,後來瞭解到這是以地球傳來的電視訊號重建的,是為了使他感到安心。接著他在床上睡著了。突然石板現身,一切化為烏有,在火紅背景中的大衛·鮑曼被抽取記憶、被塑成一種新的、不朽的個體,可以太空中生存、旅行——就是「星童」(Star Child)。星童回到我們太陽系,仔細尋查地球。故事結尾星童以一手之力引爆了近地軌道中的一顆核彈。

  電影的續集標題是《2010: The Year We Make Contact》(中文翻成「威震太陽神」),電影是根據克拉克的《2010: Odyssey Two》一書而拍,於1984發行。《2010太空漫遊》於1982出版。然而,庫布利克並沒有參與這次電影的製作,但這並沒有損害原著。但是,庫布利克還是有客串演出電影,只是以另一種方式:導演指派他演一名俄國的總書記,拍下照片,而這照片在電影裡被用在雜誌的封面;巧的是這位總書記也叫"庫布利克"。而小說原作者克拉克同樣出現在雜誌封面上,他扮演的是美國總統。克拉克繼續寫了小說的續集:《2061: Odyssey Three》(1987)以及《3001: The Final Odyssey》(1997)。到現在還沒聽說過有電影製片想把這兩部小說拍成電影。
2001:太空漫遊(2001: A Space Odyssey)是亞瑟·克拉克所寫的科幻小說,同時斯坦利·庫布裡克拍成電影版本。這個故事是根據不同的短篇故事所拼湊的,其中最值得注意的是崗哨。庫布利克和克拉克最初一起合作,小說和電影同步進行,到後期庫布利克還投入編劇本的工作。"The Lost Worlds of 2001",(Arthur C. Clarke, Signet., 1972)就是在這個合作計劃下所產生的一個精心傑作。