第一章 宇宙的誕生與命運

宇宙的誕生

宇宙的尺度

天體物理學包含了宇宙中應有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度與我們最為熟知的那些（從微米到數千千米）尺度看起來大不相同。在這一極限范圍之外，就更需要使用我們的想象力。宇宙在這些不同的尺度上看起來有很大的不同，但是物理定律對它們都適用。

在現代科學所能達到的最小尺度——約10-16米——上，物質由名為夸克的基礎粒子構成。它們3個一組，形成基本粒子——質子和中子。原子的大部分質量都集中在它的原子核內，原子核直徑為10-13米。事實上原子的所有體積都由電子占據，它們存在于原子核周圍，位于通常被稱為電子云的區域中。電子云的直徑大約是原子核的1000倍，或者說10-10米。

在人類的尺度上缺乏亞原子尺度上的量子現象以及大尺度上的相對性效應。我們能夠透過放大鏡觀察并且未意識到量子相互作用導致光子從物體上反射，到達我們的眼睛，讓我們能夠在更大尺度上看到一個較小的物體。在更大的尺度上，我們以十、百乃至千米為單位測量，這些或許能夠很方便地以指數表達出來：地球的直徑是107米，地球和太陽之間的距離是1.49億千米，或者說是一個天文單位（AU）。同樣作為太陽系中的一部分的水星——距離太陽最近的行星——到地球的平均距離為0.39AU；地球到達最遙遠的冥王星（現已被降級）的平均距離為39.44AU。

當千米數或是天文單位數超出了人類所能理解的范圍，天文學家就以光年為單位測量。1光年相當于95萬億千米（或63240AU）。太陽系的外部區域被稱為奧特星云，可能延伸了到半人馬座比鄰星——距離我們最近的恒星——4.3光年之外的距離的1/4。以10千米/秒行進的火箭將需要10萬年才能到達這顆“鄰近”的恒星。

太陽系存在于銀河系——一個包含了超過1000億顆恒星、直徑延伸了8萬光年到10萬光年的巨大系統——中的一條旋臂上，太陽距離銀河系中心大約2.8萬光年。夜空中每顆可見的恒星都位于銀河系中。

銀河系是名為本星系群的星系團中的一部分，其半徑大約為250萬光年。它在本星系群中的最近鄰居位于16萬光年以外。位于230萬光年以外的仙女座星系是在良好條件下通過裸眼能夠觀察到的最遠的天體。本星系群屬于本超星系團，本超星系團半徑為5000萬光年。

大爆炸的自然史

天文學家們相信，宇宙及其內部的物質和空間，都是在大爆炸以及大爆炸后極短的一瞬這個關鍵過程中產生的——那時的溫度要遠高于現在的宇宙。

人們常常問到，大爆炸之前存在著什么？宇宙最終會膨脹成什么樣子？然而 “大爆炸之前”這個概念幾乎是沒有意義的，因為時間本身是在大爆炸之后產生的。如果空間就如時間一樣，是在大爆炸中產生的，而且如果空間本身就處在膨脹中，那它并不需要膨脹形成任何東西。

宇宙從產生的那一刻開始就處在不斷演化中，而理論物理學家和宇宙學家已經給出了關于這些事件可能次序的描述，這也就是我們所知的宇宙的形成過程。

在最開始的一段時間，空間和時間仍在形成中，自然力組成了一種單一的、原始的超力。這就是我們所說的普朗克時間，它的細節可能永遠無法被解釋，因為物理定律仍在定義中。

到了第10-35秒時，空間已經膨脹到足以使溫度降到1027開的程度，由具有極端能量的光子攜帶。引力已經成為了一種分離的力，大統一理論（GUT）力這時分離為強核力和弱電作用，伴隨著夸克、輕子以及它們的反物質的迅速產生。這個過程在宇宙恢復它原先的膨脹速率前，經歷了一個短暫卻十分劇烈的膨脹階段（持續了10-32秒）。

在第10-12秒時，弱電作用分裂成電磁力和弱核力，于是所有的4種自然力現在都被分離和區分開來。宇宙里的粒子及其反粒子處在了穩定地形成與湮滅的狀態，輕子分離成了中微子與電子。夸克依然獨立存在，因為宇宙當時的溫度阻礙了它們結合形成更重的粒子。

到第10-6秒時，夸克2個或3個一組結合了起來，形成了介子和重子（包括質子和中子）——因為在那個時刻夸克無法獨立存在。它們的反粒子也發生了同樣的情況，并且在那以后與物質發生湮滅，但是極少數的殘余（每10億個里有1個粒子）被遺留了下來，繼續形成現今宇宙中的所有物質。在這個過程中也產生了大量的光子。

到第1秒結束時，溫度已經降到了1010開；5秒以后，中微子與反中微子不再與其他形式的物質發生相互作用。宇宙到達第10秒后，質子與中子開始結合形成氘核。

在第1到第5分鐘之間，強核力發揮主導作用，使中子和質子結合在一起形成氦核，并阻止中子衰變為質子和電子。宇宙中的氫和氦的比例就是這個時候確定下來的。這時的能級依舊很高，使得原子完全離子化，并且以原子核的形式存在于電子的海洋。

大爆炸后大約30萬年后，溫度下降到了足夠低的程度——約為3000開，從而電磁力使得電子被原子核所捕獲。隨著空間不再由自由電子的海洋所充斥，光子終于可以第一次在不與物質相互作用的情況下行進很長的距離——宇宙變得透明起來。在這個被稱作是物質與能量去耦的時期，宇宙背景輻射被釋放了出來。隨著包含在宇宙中的物質上的輻射壓的移除，原子開始受到引力的控制并集結形成巨大云團，宇宙的大尺度結構開始演化。

在宇宙背景微波輻射被釋放到150億年后的今天之間，宇宙膨脹了1000倍，而物質聚積并且濃縮形成了星系、恒星（包括我們的太陽）和行星。隨著這些情況的發生，宇宙的溫度繼續下降。

暴漲的宇宙

今天我們所見到的能被觀測的宇宙起源于一個比原子還要小的區域空間。大爆炸事件被廣泛認為是創造了宇宙的事件，它發生在100億到150億年以前，導致其產生的原因仍然是未知的，但天體物理學家已經整理出了一套關于大爆炸后的異常詳盡的知識體系——開始于大爆炸后極短的時間。此時傳統的物理定律被認為已經產生了。

在極早期的宇宙中，4種自然力——引力、電磁力、強核力和弱核力——被合并成單一的超力。物質與能量并非今天這樣明顯分離。即使是空間也因為這個時候宇宙所占據的小得難以置信的體積而持續被打破和折疊。隨著時間的推移，宇宙不斷膨脹，而在它膨脹時，超力分成了引力與大統一力。

關鍵的下一步發生在宇宙的第10-35秒時。此時，宇宙已經膨脹并且冷卻到足夠使大統一力進一步分離成強核力和弱電作用。伴隨這一分離的是夸克與輕子的突然產生，這個過程與大氣中的水蒸氣在周圍空氣的溫度充分低的時候凝結成云是一樣的道理。正如水蒸氣凝結成水釋放熱能一樣，物質粒子的自發形成導致了宇宙內的變化，這產生了巨大的壓力，使得宇宙以一個極大的加速度速率膨脹——比光速還快。這一過程就是暴漲，它將宇宙擴大了1050的指數，而這一切僅僅發生在10-32秒之內。盡管如愛因斯坦所說，沒有東西在空間中運動速度能夠超過光速，但是這一限制并不適用于空間本身，所以在暴漲的過程中并沒有違背任何物理定律。

暴漲理論并未被證明，并且人們還提出了許多其他的想法。最近的一個是由普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特和英格蘭劍橋大學的尼爾·圖洛克提出的循環宇宙理論。它以M理論為基礎，指出我們的宇宙只是在更高維度上連接起來的多個宇宙中的一個。這可以被想象作兩張二維的紙被分開放置在一個三維的房間里，這兩個宇宙毫不相關，除非它們發生偶然的碰撞，此時它們產生出類似于大爆炸的狀況。這一理論被稱為火宇宙模型，名稱來自于希臘斯多葛學派哲學家，他們相信“大火”——宇宙將周期性地被火毀滅的想法。

其他天文學家則相信，在未來幾年里，空間探測器對于充斥整個宇宙的微波背景輻射的更深入觀測將證實暴漲的發生。

嬰兒期的宇宙

宇宙在第10-12秒時，弱電作用分解為電磁力與弱核力。在此之前，所有輕子——電子、中微子等不由夸克組成的基本粒子——行為方式相同。但是現在，隨著這兩種力（支配輕子的反應）的相互分離，電子和中微子獨立開來。電磁相互作用開始在所有帶電粒子之間發生，光子開始大量地生成。

宇宙在這一階段的組成部分都處于穩定地產生并相撞的狀態中。物質粒子與它們的反粒子碰撞，隨即湮滅并產生一對高能光子。這些光子很快地又衰變回粒子-反粒子對，于是碰撞-湮滅的過程又重新開始。

這種物質與能量間的循環轉換是可能發生的，因為這時的宇宙十分致密且灼熱：大爆炸后不到一百萬分之一秒內，溫度高于10萬億開。在這種環境下，夸克可以作為獨立粒子而存在，因為它們與其他夸克之間建立的任何連接不久就會被碰撞所破壞。

當宇宙年齡到達1微秒時，情況又變了：這時，它已經充分地膨脹與冷卻，以至于像以前一樣在那么大范圍內自發產生新物質不再可能。此時，粒子與它們的反粒子相碰撞所產生的光子不再重新轉變成物質。

隨著宇宙的冷卻，強核力把夸克拉在一起組成質子與中子。其中的大部分粒子都在與它們相對的反物質的碰撞中湮滅了。然而，由于宇宙中有著雖然小但仍可測量的趨勢，并且創造出反物質更多的物質，一些基本粒子殘留了下來。每10億對粒子-反粒子對中，就有1個粒子在沒有相對的反物質的條件下產生。這些殘余的物質粒子就構成了我們今天所發現的每一個原子核。

到那時為止，中微子和反中微子就一直處于一個恒定地與宇宙其他物質相碰撞的狀態中。隨著宇宙到達誕生后第1秒，它們都停止了與其他粒子的反應。這個過程稱為中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探測事件之一：如果有足夠多的強力中微子探測器的話，就能以中微子流背景的形式被探測到，使得天文學家們可以研究宇宙在其第1秒時候的狀態。

更早的唯一可能被探測到的事件是引力子的去耦，這被認為發生在大爆炸后的第10-12秒。然而，引力子的去耦比中微子去耦更為不確定：與中微子不同，人們至今仍然沒有證明引力子的存在。

結構的初始

隨著宇宙的膨脹，大爆炸后幾秒，宇宙的溫度一直持續下降。當宇宙到達第15秒時，溫度已經降到足以阻止電子-正電子對的自發形成。同樣地，中子和質子，以及它們相應的反物質，相互碰撞湮滅并留下少量的物質剩余，而電子和正電子也一樣。再一次，產生物質的微小偏向使得每10億對電子—正電子湮滅時，就有一個電子留存下來，這意味著對應于一個物質粒子就有幾十億個光子同時存在。

盡管這時的宇宙仍被光子與中微子所支配，但是原子的組成成分（質子、中子和電子）的條件已經具備。宇宙中基本粒子的總比例已經確定，它們處于一種恒定的碰撞狀態中。

當宇宙年齡到達1分鐘時，條件變得適宜中子與質子通過核聚變結合成為原子核（核合成）。這一過程是可能的，因為當時發生的碰撞——尤其是發生在重子（中子與質子）間的碰撞——已經因為宇宙的冷卻以及粒子不再以那么高的速度運動而變得沒那么激烈了，這就使得強核力能夠在粒子接觸時發生作用。

經過了大約4分鐘的核合成之后，宇宙充分地膨脹，其溫度也相應地降低，以停止這一進程。宇宙這時包含了氫原子核（單個質子）以及它的同位素——氘（1個質子和1個中子）和氚（1個質子加3個中子），以及氦（2個質子和2個中子）與它的同位素氦-3（2個質子1個中子）。因為中子要保持穩定必須有其他重子的存在，那些在原子核之外的中子就衰變成1個氫原子核（單個質子）、1個電子和1個中微子。

這時的宇宙仍然處于非常高能的狀態，以使電磁力將電子束縛在原子核邊上。任何被原子核捕獲的電子很快就在與光子的碰撞中又獲得了足夠多的能量，從而再度逃離原子核。宇宙在這種恒定的離子化狀態中度過了好幾十萬年。

在宇宙年齡大約30萬到50萬歲間，宇宙中發生的一個最重要的變化——所謂的物質和能量的去耦。隨著宇宙的膨脹，溫度降低，光子要把電子從原子核邊撞離變得更加困難了。隨著電子被原子核所吸引，光子變得能夠在宇宙中長距離傳播而不與其他粒子碰撞。從某種意義上看，宇宙對其中的光子來說變得透明了。

這個過程中發出的輻射到今天仍可以探測到，這就是宇宙微波背景輻射，這些輻射由于宇宙的膨脹發生了巨大的紅移。這一現象在整個天空中十分一致，以3開的溫度為表征。

物質與能量的去耦是宇宙中可觀測到的最早的事件。1965年宇宙背景輻射的發現，為大爆炸理論提供了第一個決定性的證據。

20世紀80年代末，通過COBE衛星對于這個輻射微小變動——小于萬分之一——的觀測提供了更多更重要的證據。證據顯示，這個時候的宇宙并不是均勻的，有的區域比較熱但比較稀薄，有些區域相對比較冷，但比較致密。

從COBE開始，就有了大量的球載實驗，諸如MAXIMA（國際毫米波各向異性實驗成像陣列）實驗與回飛棒（河外星系毫米波射電和地球物理國際氣球觀測）實驗，它們對于宇宙微波背景輻射的細節進行了詳細地觀測。其他的地面微波望遠鏡則以不同的波長觀測天空。它們一起為研究單個星系團的形成提供了非常重要的線索。NASA發射了一個COBE的后續探測器，被稱為微波各向異性探測器（MAP），并剛開始以極高的靈敏度和精確度對整個天空進行測繪。歐洲航天局（ESA）已啟動普朗克計劃，這是在更高精度下測繪微波背景的另一項任務。

一旦物質間的碰撞以及輻射停止，遠遠小于其他力的引力就能把原子拉到一起，這就意味著宇宙大尺度上的結構開始了演化進程。盡管天文學家還不能完全解釋這個過程中的細節，但很可能就是因為原子云聚集，才形成了我們所看到的宇宙的不同星系，并且最終云團內部進一步崩塌，形成在其核內發生核聚變的恒星。

宇宙的成分

宇宙中所有物質（包括恒星和行星）的基本成分都是化學元素。每種元素只由一種原子組成，原子則由質子（帶正電荷）、電子（帶負電荷）和中子（電中性）構成。中子存在于原子核中，但并不指示其化學性質，但如果同種元素原子核中的中子數不同，就會產生不同的同位素。一種元素的中子和質子的數量決定了原子量。

氫是最簡單的一種元素，由1個質子和1個電子組成。它的原子量為1，是所有元素中最輕的。如果其原子核中的中子數量不一樣，就會產生有不同原子量的同位素。例如，氫的同位素之一——氘，它的原子核內有1個質子和1個中子，因此其原子質量為2。

物理學家注意到了宇宙中氫原子的這種簡單性和豐富性，于是他們推斷：宇宙大爆炸產生了氫原子，而所有其他元素都起源于原始的氫原子。氫原子在高溫高壓下，經歷適當的核轉變，會產生原子量更大的元素，這一過程包含輕的原子核聚變成較重的原子核。原子核發生聚變時會釋放大量的能量，同時會產生電子等其他粒子或氫核子。

宇宙誕生的第一分鐘，它的溫度非常高，以至于整個宇宙就像一個巨大的核熔爐在運作，僅僅在4分鐘內，這個“熔爐”就將其中1/4的氫轉變成了氦。之后，環境開始改變，這種反應也停止了。類似這樣的極端環境在某些恒星的內部深處也存在，在那里會產生新的元素。在質量和太陽相當的恒星內部，氫元素會“燃燒”形成氦（原子核內有2個質子和2個中子），這一反應需要的溫度是1000萬開。由于恒星內部的變化會在內核產生更高的溫度和壓力，氦就會聚變形成碳（6個質子和6個中子），而這又可以結合更多的氦，形成氧（8個質子，8個中子）等等。通過這種方式，多種化學元素就形成了。如果一顆恒星足夠大，那么它最終會變得不穩定，以及發生巨大星體的爆炸——超新星。

很多這樣產生的元素結合起來形成分子和化合物，它們中有很多是極不穩定的，被稱為揮發性物質。水、二氧化碳和二氧化硫是3種重要的揮發性物質，它們在極低的溫度下（低于300攝氏度）可以以氣態形式穩定存在。元素的其他組合可形成礦物質，有些礦物質可以構成巖石（大多數是硅酸鹽），它們在很高的溫度下（450攝氏度～1200攝氏度）會發生組合凝固。像鋁和鈣之類與氧結合會形成硅酸鹽的元素就叫作親石元素；鋅、鉛和銀則是親銅元素（它們易形成硫化物），而像金和鎳之類不易形成化合物的元素就是親鐵元素。

在隕星（和在太陽星云內部生長的最早的固態物體很相似的古老宇宙小天體）中也發現了揮發性物質和硅酸鹽，這說明在太陽系歷史早期，有很多物質可以用于組成行星，高溫粒子和低溫粒子在形成行星的過程中很好地結合在了一起。

宇宙的命運

開放、平坦還是閉合

宇宙中含有多少質量的問題與宇宙的最終命運有著直接的關聯。宇宙正在膨脹的事實已經被知道很久了：但它是否將會停止膨脹，如果不是的話，是否會一直加速下去？這些問題的答案取決于宇宙中包含多大質量和能量，也就是它總共有多大的引力。從最大的尺度上來說，宇宙的曲率由它內部物質的平均密度決定——這也就是一定體積空間中的平均質量。終止宇宙膨脹所需的平均密度（被稱為臨界密度）僅為每立方米幾個氫原子。宇宙平均密度與臨界密度的比值為Ω，Ω小于1的宇宙將永遠存在并且膨脹下去，被稱為“開放宇宙”，它的時空連續體有著天文學家稱為的負曲率；膨脹能夠在引力的作用下終止的宇宙為“閉合宇宙”，它的時空連續體有著正曲率；第三種存在可能的被稱為“平坦宇宙”，這發生在物質恰好足以終止膨脹，但只能在無限長的時間以后達到這一狀態。目前的估計指出宇宙的平均密度遠小于臨界密度，但也存在著大量的暗能量。這使得宇宙的膨脹加速，由此宇宙將永遠存在。

加速中的宇宙

直到最近，天文學家都相信宇宙是處在一個減速膨脹的狀態中。唯一的問題是這一減速是否會終止宇宙的膨脹。但在1997年，兩組天文學家一系列的獨立觀測結果完全改變了這種看法。

這些天文學家當時正在研究遙遠宇宙中的超新星爆炸。這些天體爆發的短期能量閃光有著太陽10億倍的亮度，并因此成為了天文學家在最大尺度上研究宇宙的信標。這是因為當超新星的光穿越空間時，它受到了宇宙膨脹帶來的紅移的影響。測量到的紅移能夠與理論預測的紅移相比較。例如，期望中的宇宙的減速會與時空連續體在任意大尺度上的彎曲一樣，將在超新星的光中留下明顯的印記。通過這種方法，天文學家能夠利用這些測量結果確定宇宙是開放的、平坦的，還是閉合的。1997年的數據與之前所期望的都不相符。

他們所觀測的超新星是白矮星從紅巨星伴星上累積物質并爆發的一類。基于對其他超新星的觀測，天文學家能夠確定這些爆炸的實際亮度。這一知識使他們能夠與它呈現出的亮度相比較，并由此計算它的距離，計算是基于光隨著傳輸的距離而減弱這一事實的。在這之后他們就能夠通過紅移檢驗他們對距離的判定，因為天體在宇宙中越遠，它發生的紅移也就越大。

當兩組天文學家都通過從多顆超新星上得到的數據計算時，他們發現超新星比期望的亮度要暗25%。這一現象只能通過宇宙在爆炸后加速膨脹來解釋。這些超新星位于50億光年之外，因此它們在50億光年之前爆炸，而它們發出的光從那時起就在宇宙中傳播，直到被發現。解釋宇宙正在加速的唯一途徑就是它包含有一種名為真空能的奇特能量：產生的物質只能導致吸引，因此只能使宇宙減速，但真空能有著相反的效應。宇宙學家在他們關于早期宇宙的理論中利用真空能這一概念來解釋膨脹。愛因斯坦在他的廣義相對論等式中引入了一個條件，允許了真空能的存在，它被稱為宇宙常數，但之后又被愛因斯坦所放棄，并稱這是自己的“最大失誤”。

對超新星爆炸的觀測結果暗示了宇宙正在加速這一事實，使得對于宇宙常數的關注再次出現。但看起來在整個時間和整個宇宙中應用一個簡單的常量來表示并不是解釋所發生一切的最好方式。真空的能量看起來已經通過這一方式隨時間發生了變化：開始膨脹后，宇宙處在減速膨脹的過程中，但在大約60億或70億年前，宇宙發生了改變，真空能成為導致宇宙加速的主要因素。天文學家稱真空能的這一時間變量為“第五元素”。在天文學家真正確定宇宙的膨脹是否正在加速并理解加速是怎么產生的之前，在觀測和理論上都還有著很多的工作要做。

長期未來

如果宇宙是“平坦的”、“開放的”或者是正在加速的，它將存在無限長的時間，但這并不意味著行星、恒星和星系也將永遠存在。宇宙受到物理定律支配，這些定律之一——熱力學第二定律指出：熱從高溫物體向低溫物體流動。因此當兩個物體具有相同溫度時，熱的流動停止；熱也不可能從低溫物體流向高溫物體。宇宙中發生的每個化學過程都遵從這個指導性原則。因此，恒星和星系緩慢地將熱流失到周圍的宇宙中，然后死亡。

在這發生之前，星系中越來越多的恒星將會互相靠近，這將會導致其他恒星投向星系的中心區域時一顆恒星被拋出星系。星系中心的物質將變得越來越緊密，并且最終具有星系質量的黑洞將形成。相同的過程將在星系團中重復，因為一些星系將被拋出，而另一些星系將落向中心區域。于是宇宙中將充滿具有與星系團相同質量的黑洞。

這些黑洞中所含的物質將被再處理，并通過霍金輻射過程返回宇宙，這是一對虛粒子恰好在黑洞的視界上產生的過程：其中一個粒子逃逸出去，而另一個落下，抵消黑洞的一部分質量，這看起來像是逃逸的粒子來自黑洞本身，而黑洞逐漸“蒸發”到宇宙中。黑洞越小，它蒸發得也就越快，這一蒸發可以作為熱量被測量到。隨著粒子的逃逸和黑洞質量的減小，它的溫度上升，上升的溫度使得更多的粒子逃逸出來，進一步地減少了質量并且提高了溫度。最終，在最后幾秒，黑洞在能量等同于百萬噸級氫彈爆炸的劇烈爆發中釋放出剩余的所有質量。通過這一過程——恒星融入黑洞中然后再蒸發，在足夠長的時間后，宇宙中的所有物質將達到熱平衡。當這一狀況發生時，將不再有恒星、行星或星系，只有由亞原子粒子構成的稀薄“海洋”。所有的粒子將會有相同的溫度，并且不會發生任何反應。如果化學反應不再在宇宙中發生，也就不再有判斷時間流逝的參照，宇宙將死亡，這一概念稱為熱寂。

如果宇宙是“閉合的”，那么膨脹將最終減慢并停止，然后它將開始崩塌。星系團和單獨的星系將合并到一起，宇宙微波背景輻射將增加它的溫度，最終空間將變得異常灼熱從而恒星蒸發。宇宙將回到與大爆炸期間十分相似的狀態。但宇宙不再膨脹，而是開始收縮并向大坍縮的方向轉變。

一些人提出大坍縮與大爆炸前的狀態非常符合，從而宇宙將再生：但新生的宇宙可能與我們所在的很不相同，因為物理定律可能在宇宙膨脹的最初時刻整個被混在一起。

地外生命

人類常常會問自己：地球是不是宇宙中唯一產生了生命的地方？如果對巨分子云的觀測發現那里有有機（含碳）分子存在，那么新形成的太陽系將會有生命形成所需的化學元素。生命在地球上是如何產生的仍然是未知的，但很多人認為它產生于海底的熱液噴口周圍。一旦我們知道了這些，我們將能夠估計到底有多少能夠擁有生命的星球。

為了產生類似于我們的生命體，行星必須有著與地球一樣的物理特征，例如溫度、大氣和陽光，這只能發生在位于環繞類似太陽的恒星軌道上的行星上。太陽是一個G型的恒星，但溫度稍低的K型恒星在行星更靠近一點的情況下也可能足以產生生命。高溫恒星，如A型和F型恒星在行星到恒星的距離大于地球到太陽距離的情況下，也可能成為孕育生命的家園。

從地球上探測任何一顆存在生命的行星都是十分困難的。地球每天向宇宙“泄漏”出無線電廣播，可能在其他行星上也存在相同的情況——天文學家在被稱為“水洞”的微波波段監聽著這些廣播信號，在這個波段上，電磁波的星際吸收和大氣層對它的吸收都最小。“水洞”這一名稱來自于這一區域上的兩條譜線，一條是氫（H）線，另一條是羧（OH）線。如果把它們放在一起，就有了兩個氫和一個氧——H2O，也就是水。基于此，這一微波波段也就被稱為水洞。

計算機用戶可以下載一個名為SETI@home的屏幕保護，它將在計算機不作他用時搜尋信號數據。但是到目前為止，還沒有發現一個看起來可能是從其他行星發來的有目的的或是偶然信號——盡管已經觀測到一兩個無法解釋的信號。

地球上的天文學家在“泄漏”無線電輻射之外也發出了一些有目的的廣播。最早的廣播對準了球狀星團M13，是天文學家通過波多黎各阿雷西博的305米射電望遠鏡盤在1974年發射的。然而，盡管信息以光速傳播，它仍需要2.4萬年才能到達M13，如果這個信號被接收并且被回復，這還將需要2.4萬年才能到達我們。很多天文學家和工程師相信在這4.8萬年中人類能夠發展出使我們在行星間旅行并且發送個人訊息的方法。

生命、精神和宇宙

盡管天文學家在了解發生在宇宙中的某些過程上有著一定的成就，但他們了解得越多，就表明有越多的問題出現。這些問題是關于自然界本質的，科學并不能獨立地給出答案。人類是不是宇宙中唯一的智慧生命？宇宙和人類是偶然形成的還是作為某些寵大設計的一部分？

現代天文學家常常被問到的一個問題是：宇宙有很多可能的存在方式，但為什么宇宙是現在這樣的？在大爆炸的最初一點時間內，物理定律和宇宙常量處于變遷中，它們也只是在以后才固定為現在人們所熟悉的形態和數值。這些物理定律（如光速等常數）描述了宇宙是如何運行的。如果宇宙有著不同的電子電荷常數，恒星可能變得不能燃燒氫；如果在大爆炸的第1秒中，物質超出反物質的比例不同，可能就不再有物質，或者不再有這么多的物質將在很久以前就發生崩塌。

即使這種常數上的差異也可能讓宇宙出現，甚至允許各種生命的演化，生命存在的形式可能會有極大的不同。如果在量子尺度上支配相互作用的普朗克常數比目前的值大得多的話，甚至與人一樣大的物體都能夠表現出波粒二象性，并且能夠像電子衍射穿過狹縫一樣“衍射”穿過門縫。

哲學家可能會問：為什么宇宙如此適應我們這樣形態的生命產生，這僅僅是偶然，還是宇宙為人類能夠在其內部發展鋪平了道路？這些問題在名為“人擇宇宙”原理的具有高度爭議的理論中被提到。它提出宇宙之所以存在是因為如果宇宙不存在，我們就不能夠在這里觀察它。它的一個變體理論將它更推進了一步：宇宙的存在是為了給人類提供生存的場所。很多支持這一理論的人提出人類在某種程度上是特殊的，并且指向生命在它們所存在的地球上尋找相應小生境的堅韌方式。這表明只要有最微小的可能，生命就會出現，這一觀念適用于整體的宇宙。有的人則認為宇宙可能并不是獨一無二的，在大爆炸之前可能存在著更早的宇宙，甚至我們所知的物理定律也是之前的多次循環的演化過程的一個結果。

隨著時間的流逝，宇宙演化出越來越復雜的結構。在最簡單的一層是基本粒子或夸克——在大爆炸后最早產生的事物。最為復雜的就是智慧生命，以及它們的概念性架構（可能包括了科學本身，以及藝術和文明）。這些復雜的事物離不開中間層面結構的出現，從簡單的原子、星系和恒星、較重元素、分子、蛋白質、簡單生命形式到更加系統的生命形式。一些人認為智慧生命的產生因此也與原子和分子的產生一樣自然。這因此可能就是智慧生命有目的地改造宇宙的形態以作為永久的居所。通過這種方式，智慧生命能夠給自己全部的時間用以探索和理解。即便我們的文明衰落，未來的文明將會找到足夠的時間探索和理解這種終極目標--如果它在確實存在。

星際旅行

到達遙遠恒星的能力將使天文學從一門觀測科學轉變成一門實驗科學。但到達恒星所涉及的問題大多是異常困難的。科學家已經向太陽系中的八顆行星發射了探測器，并且在這一過程中發展出最高速的人造物體。如果與它們一樣的探測器被發射向恒星，它們需要幾千年才能到達它們。到達恒星的距離極大，以至于從離太陽最近的恒星（名為半人馬座α星A和B以及比鄰星的三星系統）發出的光也需要4.25年才能到達地球。因為宇宙中沒有任何東西的速度能夠超過光速，所以即使是使用最先進的星際飛船所需的旅行時間也是極漫長的。

因為這些原因，未來的航天員可能必須處于假死狀態，他們身體的新陳代謝將被減慢從而變得失去知覺，計算機將監控他們并且維持他們的生命，并使他們的身體極緩慢地老化。在星際飛船自動控制下到達目的地之前可能將經過許多年。在到達后，船員將被喚醒。這樣的旅行方式稱為睡眠船。

另一種可能的方式是船員在船上正常生活，也就是所謂的跨世代星艦。隨著原來的宇航員的衰老和死亡，他們的后代將從他們那里接過操縱星艦的任務。

適用于到達恒星的推進系統至今仍未建造成功。化學火箭——例如用于宇宙飛船上的——不具有足夠的動力以提供星際旅行所需的推進力。一些科學家提議通過令核彈在星際飛船后部爆炸以推動飛船，另一種想法是使用強大的激光和巨型的聚光鏡。通過與帆船使用船帆聚集風力一樣的方式，這些星際飛船將通過聚光鏡收集光線中的光子，光子的輻射壓將推動星際飛船。最后，核聚變推動的火箭將指數倍地提高它們在宇宙中的運動速度——從光速的1/20000到光速的1/10。

此外也還有著很多基于現代理論物理的奇思妙想。如果宇宙是由多維構成的，而人類只能感受到其中的三維或四維，可能在其他的維度上就存在著可以被發現的捷徑。關于這類“蟲洞”的數學計算正在進行中。如果蟲洞存在并且能夠連接，并且能夠被用于旅行，那么整個宇宙將可能都變為可達的。

存在高度爭議的關于穿越時間的可能性同樣正在研究中。一些天體物理學家相信黑洞周圍彎曲的時間連續體是一個潛在的時間旅行機，但開發它的可行性——并不考慮危險性——排除了它被人類所利用的可能。