第一章 宇宙的诞生与命运

宇宙的诞生

宇宙的尺度

天体物理学包含了宇宙中应有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度与我们最为熟知的那些（从微米到数千千米）尺度看起来大不相同。在这一极限范围之外，就更需要使用我们的想象力。宇宙在这些不同的尺度上看起来有很大的不同，但是物理定律对它们都适用。

在现代科学所能达到的最小尺度——约10-16米——上，物质由名为夸克的基础粒子构成。它们3个一组，形成基本粒子——质子和中子。原子的大部分质量都集中在它的原子核内，原子核直径为10-13米。事实上原子的所有体积都由电子占据，它们存在于原子核周围，位于通常被称为电子云的区域中。电子云的直径大约是原子核的1000倍，或者说10-10米。

在人类的尺度上缺乏亚原子尺度上的量子现象以及大尺度上的相对性效应。我们能够透过放大镜观察并且未意识到量子相互作用导致光子从物体上反射，到达我们的眼睛，让我们能够在更大尺度上看到一个较小的物体。在更大的尺度上，我们以十、百乃至千米为单位测量，这些或许能够很方便地以指数表达出来：地球的直径是107米，地球和太阳之间的距离是1.49亿千米，或者说是一个天文单位（AU）。同样作为太阳系中的一部分的水星——距离太阳最近的行星——到地球的平均距离为0.39AU；地球到达最遥远的冥王星（现已被降级）的平均距离为39.44AU。

当千米数或是天文单位数超出了人类所能理解的范围，天文学家就以光年为单位测量。1光年相当于95万亿千米（或63240AU）。太阳系的外部区域被称为奥特星云，可能延伸了到半人马座比邻星——距离我们最近的恒星——4.3光年之外的距离的1/4。以10千米/秒行进的火箭将需要10万年才能到达这颗“邻近”的恒星。

太阳系存在于银河系——一个包含了超过1000亿颗恒星、直径延伸了8万光年到10万光年的巨大系统——中的一条旋臂上，太阳距离银河系中心大约2.8万光年。夜空中每颗可见的恒星都位于银河系中。

银河系是名为本星系群的星系团中的一部分，其半径大约为250万光年。它在本星系群中的最近邻居位于16万光年以外。位于230万光年以外的仙女座星系是在良好条件下通过裸眼能够观察到的最远的天体。本星系群属于本超星系团，本超星系团半径为5000万光年。

大爆炸的自然史

天文学家们相信，宇宙及其内部的物质和空间，都是在大爆炸以及大爆炸后极短的一瞬这个关键过程中产生的——那时的温度要远高于现在的宇宙。

人们常常问到，大爆炸之前存在着什么？宇宙最终会膨胀成什么样子？然而 “大爆炸之前”这个概念几乎是没有意义的，因为时间本身是在大爆炸之后产生的。如果空间就如时间一样，是在大爆炸中产生的，而且如果空间本身就处在膨胀中，那它并不需要膨胀形成任何东西。

宇宙从产生的那一刻开始就处在不断演化中，而理论物理学家和宇宙学家已经给出了关于这些事件可能次序的描述，这也就是我们所知的宇宙的形成过程。

在最开始的一段时间，空间和时间仍在形成中，自然力组成了一种单一的、原始的超力。这就是我们所说的普朗克时间，它的细节可能永远无法被解释，因为物理定律仍在定义中。

到了第10-35秒时，空间已经膨胀到足以使温度降到1027开的程度，由具有极端能量的光子携带。引力已经成为了一种分离的力，大统一理论（GUT）力这时分离为强核力和弱电作用，伴随着夸克、轻子以及它们的反物质的迅速产生。这个过程在宇宙恢复它原先的膨胀速率前，经历了一个短暂却十分剧烈的膨胀阶段（持续了10-32秒）。

在第10-12秒时，弱电作用分裂成电磁力和弱核力，于是所有的4种自然力现在都被分离和区分开来。宇宙里的粒子及其反粒子处在了稳定地形成与湮灭的状态，轻子分离成了中微子与电子。夸克依然独立存在，因为宇宙当时的温度阻碍了它们结合形成更重的粒子。

到第10-6秒时，夸克2个或3个一组结合了起来，形成了介子和重子（包括质子和中子）——因为在那个时刻夸克无法独立存在。它们的反粒子也发生了同样的情况，并且在那以后与物质发生湮灭，但是极少数的残余（每10亿个里有1个粒子）被遗留了下来，继续形成现今宇宙中的所有物质。在这个过程中也产生了大量的光子。

到第1秒结束时，温度已经降到了1010开；5秒以后，中微子与反中微子不再与其他形式的物质发生相互作用。宇宙到达第10秒后，质子与中子开始结合形成氘核。

在第1到第5分钟之间，强核力发挥主导作用，使中子和质子结合在一起形成氦核，并阻止中子衰变为质子和电子。宇宙中的氢和氦的比例就是这个时候确定下来的。这时的能级依旧很高，使得原子完全离子化，并且以原子核的形式存在于电子的海洋。

大爆炸后大约30万年后，温度下降到了足够低的程度——约为3000开，从而电磁力使得电子被原子核所捕获。随着空间不再由自由电子的海洋所充斥，光子终于可以第一次在不与物质相互作用的情况下行进很长的距离——宇宙变得透明起来。在这个被称作是物质与能量去耦的时期，宇宙背景辐射被释放了出来。随着包含在宇宙中的物质上的辐射压的移除，原子开始受到引力的控制并集结形成巨大云团，宇宙的大尺度结构开始演化。

在宇宙背景微波辐射被释放到150亿年后的今天之间，宇宙膨胀了1000倍，而物质聚积并且浓缩形成了星系、恒星（包括我们的太阳）和行星。随着这些情况的发生，宇宙的温度继续下降。

暴涨的宇宙

今天我们所见到的能被观测的宇宙起源于一个比原子还要小的区域空间。大爆炸事件被广泛认为是创造了宇宙的事件，它发生在100亿到150亿年以前，导致其产生的原因仍然是未知的，但天体物理学家已经整理出了一套关于大爆炸后的异常详尽的知识体系——开始于大爆炸后极短的时间。此时传统的物理定律被认为已经产生了。

在极早期的宇宙中，4种自然力——引力、电磁力、强核力和弱核力——被合并成单一的超力。物质与能量并非今天这样明显分离。即使是空间也因为这个时候宇宙所占据的小得难以置信的体积而持续被打破和折叠。随着时间的推移，宇宙不断膨胀，而在它膨胀时，超力分成了引力与大统一力。

关键的下一步发生在宇宙的第10-35秒时。此时，宇宙已经膨胀并且冷却到足够使大统一力进一步分离成强核力和弱电作用。伴随这一分离的是夸克与轻子的突然产生，这个过程与大气中的水蒸气在周围空气的温度充分低的时候凝结成云是一样的道理。正如水蒸气凝结成水释放热能一样，物质粒子的自发形成导致了宇宙内的变化，这产生了巨大的压力，使得宇宙以一个极大的加速度速率膨胀——比光速还快。这一过程就是暴涨，它将宇宙扩大了1050的指数，而这一切仅仅发生在10-32秒之内。尽管如爱因斯坦所说，没有东西在空间中运动速度能够超过光速，但是这一限制并不适用于空间本身，所以在暴涨的过程中并没有违背任何物理定律。

暴涨理论并未被证明，并且人们还提出了许多其他的想法。最近的一个是由普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特和英格兰剑桥大学的尼尔·图洛克提出的循环宇宙理论。它以M理论为基础，指出我们的宇宙只是在更高维度上连接起来的多个宇宙中的一个。这可以被想象作两张二维的纸被分开放置在一个三维的房间里，这两个宇宙毫不相关，除非它们发生偶然的碰撞，此时它们产生出类似于大爆炸的状况。这一理论被称为火宇宙模型，名称来自于希腊斯多葛学派哲学家，他们相信“大火”——宇宙将周期性地被火毁灭的想法。

其他天文学家则相信，在未来几年里，空间探测器对于充斥整个宇宙的微波背景辐射的更深入观测将证实暴涨的发生。

婴儿期的宇宙

宇宙在第10-12秒时，弱电作用分解为电磁力与弱核力。在此之前，所有轻子——电子、中微子等不由夸克组成的基本粒子——行为方式相同。但是现在，随着这两种力（支配轻子的反应）的相互分离，电子和中微子独立开来。电磁相互作用开始在所有带电粒子之间发生，光子开始大量地生成。

宇宙在这一阶段的组成部分都处于稳定地产生并相撞的状态中。物质粒子与它们的反粒子碰撞，随即湮灭并产生一对高能光子。这些光子很快地又衰变回粒子-反粒子对，于是碰撞-湮灭的过程又重新开始。

这种物质与能量间的循环转换是可能发生的，因为这时的宇宙十分致密且灼热：大爆炸后不到一百万分之一秒内，温度高于10万亿开。在这种环境下，夸克可以作为独立粒子而存在，因为它们与其他夸克之间建立的任何连接不久就会被碰撞所破坏。

当宇宙年龄到达1微秒时，情况又变了：这时，它已经充分地膨胀与冷却，以至于像以前一样在那么大范围内自发产生新物质不再可能。此时，粒子与它们的反粒子相碰撞所产生的光子不再重新转变成物质。

随着宇宙的冷却，强核力把夸克拉在一起组成质子与中子。其中的大部分粒子都在与它们相对的反物质的碰撞中湮灭了。然而，由于宇宙中有着虽然小但仍可测量的趋势，并且创造出反物质更多的物质，一些基本粒子残留了下来。每10亿对粒子-反粒子对中，就有1个粒子在没有相对的反物质的条件下产生。这些残余的物质粒子就构成了我们今天所发现的每一个原子核。

到那时为止，中微子和反中微子就一直处于一个恒定地与宇宙其他物质相碰撞的状态中。随着宇宙到达诞生后第1秒，它们都停止了与其他粒子的反应。这个过程称为中微子的去耦，可能是大爆炸后最早的可探测事件之一：如果有足够多的强力中微子探测器的话，就能以中微子流背景的形式被探测到，使得天文学家们可以研究宇宙在其第1秒时候的状态。

更早的唯一可能被探测到的事件是引力子的去耦，这被认为发生在大爆炸后的第10-12秒。然而，引力子的去耦比中微子去耦更为不确定：与中微子不同，人们至今仍然没有证明引力子的存在。

结构的初始

随着宇宙的膨胀，大爆炸后几秒，宇宙的温度一直持续下降。当宇宙到达第15秒时，温度已经降到足以阻止电子-正电子对的自发形成。同样地，中子和质子，以及它们相应的反物质，相互碰撞湮灭并留下少量的物质剩余，而电子和正电子也一样。再一次，产生物质的微小偏向使得每10亿对电子—正电子湮灭时，就有一个电子留存下来，这意味着对应于一个物质粒子就有几十亿个光子同时存在。

尽管这时的宇宙仍被光子与中微子所支配，但是原子的组成成分（质子、中子和电子）的条件已经具备。宇宙中基本粒子的总比例已经确定，它们处于一种恒定的碰撞状态中。

当宇宙年龄到达1分钟时，条件变得适宜中子与质子通过核聚变结合成为原子核（核合成）。这一过程是可能的，因为当时发生的碰撞——尤其是发生在重子（中子与质子）间的碰撞——已经因为宇宙的冷却以及粒子不再以那么高的速度运动而变得没那么激烈了，这就使得强核力能够在粒子接触时发生作用。

经过了大约4分钟的核合成之后，宇宙充分地膨胀，其温度也相应地降低，以停止这一进程。宇宙这时包含了氢原子核（单个质子）以及它的同位素——氘（1个质子和1个中子）和氚（1个质子加3个中子），以及氦（2个质子和2个中子）与它的同位素氦-3（2个质子1个中子）。因为中子要保持稳定必须有其他重子的存在，那些在原子核之外的中子就衰变成1个氢原子核（单个质子）、1个电子和1个中微子。

这时的宇宙仍然处于非常高能的状态，以使电磁力将电子束缚在原子核边上。任何被原子核捕获的电子很快就在与光子的碰撞中又获得了足够多的能量，从而再度逃离原子核。宇宙在这种恒定的离子化状态中度过了好几十万年。

在宇宙年龄大约30万到50万岁间，宇宙中发生的一个最重要的变化——所谓的物质和能量的去耦。随着宇宙的膨胀，温度降低，光子要把电子从原子核边撞离变得更加困难了。随着电子被原子核所吸引，光子变得能够在宇宙中长距离传播而不与其他粒子碰撞。从某种意义上看，宇宙对其中的光子来说变得透明了。

这个过程中发出的辐射到今天仍可以探测到，这就是宇宙微波背景辐射，这些辐射由于宇宙的膨胀发生了巨大的红移。这一现象在整个天空中十分一致，以3开的温度为表征。

物质与能量的去耦是宇宙中可观测到的最早的事件。1965年宇宙背景辐射的发现，为大爆炸理论提供了第一个决定性的证据。

20世纪80年代末，通过COBE卫星对于这个辐射微小变动——小于万分之一——的观测提供了更多更重要的证据。证据显示，这个时候的宇宙并不是均匀的，有的区域比较热但比较稀薄，有些区域相对比较冷，但比较致密。

从COBE开始，就有了大量的球载实验，诸如MAXIMA（国际毫米波各向异性实验成像阵列）实验与回飞棒（河外星系毫米波射电和地球物理国际气球观测）实验，它们对于宇宙微波背景辐射的细节进行了详细地观测。其他的地面微波望远镜则以不同的波长观测天空。它们一起为研究单个星系团的形成提供了非常重要的线索。NASA发射了一个COBE的后续探测器，被称为微波各向异性探测器（MAP），并刚开始以极高的灵敏度和精确度对整个天空进行测绘。欧洲航天局（ESA）已启动普朗克计划，这是在更高精度下测绘微波背景的另一项任务。

一旦物质间的碰撞以及辐射停止，远远小于其他力的引力就能把原子拉到一起，这就意味着宇宙大尺度上的结构开始了演化进程。尽管天文学家还不能完全解释这个过程中的细节，但很可能就是因为原子云聚集，才形成了我们所看到的宇宙的不同星系，并且最终云团内部进一步崩塌，形成在其核内发生核聚变的恒星。

宇宙的成分

宇宙中所有物质（包括恒星和行星）的基本成分都是化学元素。每种元素只由一种原子组成，原子则由质子（带正电荷）、电子（带负电荷）和中子（电中性）构成。中子存在于原子核中，但并不指示其化学性质，但如果同种元素原子核中的中子数不同，就会产生不同的同位素。一种元素的中子和质子的数量决定了原子量。

氢是最简单的一种元素，由1个质子和1个电子组成。它的原子量为1，是所有元素中最轻的。如果其原子核中的中子数量不一样，就会产生有不同原子量的同位素。例如，氢的同位素之一——氘，它的原子核内有1个质子和1个中子，因此其原子质量为2。

物理学家注意到了宇宙中氢原子的这种简单性和丰富性，于是他们推断：宇宙大爆炸产生了氢原子，而所有其他元素都起源于原始的氢原子。氢原子在高温高压下，经历适当的核转变，会产生原子量更大的元素，这一过程包含轻的原子核聚变成较重的原子核。原子核发生聚变时会释放大量的能量，同时会产生电子等其他粒子或氢核子。

宇宙诞生的第一分钟，它的温度非常高，以至于整个宇宙就像一个巨大的核熔炉在运作，仅仅在4分钟内，这个“熔炉”就将其中1/4的氢转变成了氦。之后，环境开始改变，这种反应也停止了。类似这样的极端环境在某些恒星的内部深处也存在，在那里会产生新的元素。在质量和太阳相当的恒星内部，氢元素会“燃烧”形成氦（原子核内有2个质子和2个中子），这一反应需要的温度是1000万开。由于恒星内部的变化会在内核产生更高的温度和压力，氦就会聚变形成碳（6个质子和6个中子），而这又可以结合更多的氦，形成氧（8个质子，8个中子）等等。通过这种方式，多种化学元素就形成了。如果一颗恒星足够大，那么它最终会变得不稳定，以及发生巨大星体的爆炸——超新星。

很多这样产生的元素结合起来形成分子和化合物，它们中有很多是极不稳定的，被称为挥发性物质。水、二氧化碳和二氧化硫是3种重要的挥发性物质，它们在极低的温度下（低于300摄氏度）可以以气态形式稳定存在。元素的其他组合可形成矿物质，有些矿物质可以构成岩石（大多数是硅酸盐），它们在很高的温度下（450摄氏度～1200摄氏度）会发生组合凝固。像铝和钙之类与氧结合会形成硅酸盐的元素就叫作亲石元素；锌、铅和银则是亲铜元素（它们易形成硫化物），而像金和镍之类不易形成化合物的元素就是亲铁元素。

在陨星（和在太阳星云内部生长的最早的固态物体很相似的古老宇宙小天体）中也发现了挥发性物质和硅酸盐，这说明在太阳系历史早期，有很多物质可以用于组成行星，高温粒子和低温粒子在形成行星的过程中很好地结合在了一起。

宇宙的命运

开放、平坦还是闭合

宇宙中含有多少质量的问题与宇宙的最终命运有着直接的关联。宇宙正在膨胀的事实已经被知道很久了：但它是否将会停止膨胀，如果不是的话，是否会一直加速下去？这些问题的答案取决于宇宙中包含多大质量和能量，也就是它总共有多大的引力。从最大的尺度上来说，宇宙的曲率由它内部物质的平均密度决定——这也就是一定体积空间中的平均质量。终止宇宙膨胀所需的平均密度（被称为临界密度）仅为每立方米几个氢原子。宇宙平均密度与临界密度的比值为Ω，Ω小于1的宇宙将永远存在并且膨胀下去，被称为“开放宇宙”，它的时空连续体有着天文学家称为的负曲率；膨胀能够在引力的作用下终止的宇宙为“闭合宇宙”，它的时空连续体有着正曲率；第三种存在可能的被称为“平坦宇宙”，这发生在物质恰好足以终止膨胀，但只能在无限长的时间以后达到这一状态。目前的估计指出宇宙的平均密度远小于临界密度，但也存在着大量的暗能量。这使得宇宙的膨胀加速，由此宇宙将永远存在。

加速中的宇宙

直到最近，天文学家都相信宇宙是处在一个减速膨胀的状态中。唯一的问题是这一减速是否会终止宇宙的膨胀。但在1997年，两组天文学家一系列的独立观测结果完全改变了这种看法。

这些天文学家当时正在研究遥远宇宙中的超新星爆炸。这些天体爆发的短期能量闪光有着太阳10亿倍的亮度，并因此成为了天文学家在最大尺度上研究宇宙的信标。这是因为当超新星的光穿越空间时，它受到了宇宙膨胀带来的红移的影响。测量到的红移能够与理论预测的红移相比较。例如，期望中的宇宙的减速会与时空连续体在任意大尺度上的弯曲一样，将在超新星的光中留下明显的印记。通过这种方法，天文学家能够利用这些测量结果确定宇宙是开放的、平坦的，还是闭合的。1997年的数据与之前所期望的都不相符。

他们所观测的超新星是白矮星从红巨星伴星上累积物质并爆发的一类。基于对其他超新星的观测，天文学家能够确定这些爆炸的实际亮度。这一知识使他们能够与它呈现出的亮度相比较，并由此计算它的距离，计算是基于光随着传输的距离而减弱这一事实的。在这之后他们就能够通过红移检验他们对距离的判定，因为天体在宇宙中越远，它发生的红移也就越大。

当两组天文学家都通过从多颗超新星上得到的数据计算时，他们发现超新星比期望的亮度要暗25%。这一现象只能通过宇宙在爆炸后加速膨胀来解释。这些超新星位于50亿光年之外，因此它们在50亿光年之前爆炸，而它们发出的光从那时起就在宇宙中传播，直到被发现。解释宇宙正在加速的唯一途径就是它包含有一种名为真空能的奇特能量：产生的物质只能导致吸引，因此只能使宇宙减速，但真空能有着相反的效应。宇宙学家在他们关于早期宇宙的理论中利用真空能这一概念来解释膨胀。爱因斯坦在他的广义相对论等式中引入了一个条件，允许了真空能的存在，它被称为宇宙常数，但之后又被爱因斯坦所放弃，并称这是自己的“最大失误”。

对超新星爆炸的观测结果暗示了宇宙正在加速这一事实，使得对于宇宙常数的关注再次出现。但看起来在整个时间和整个宇宙中应用一个简单的常量来表示并不是解释所发生一切的最好方式。真空的能量看起来已经通过这一方式随时间发生了变化：开始膨胀后，宇宙处在减速膨胀的过程中，但在大约60亿或70亿年前，宇宙发生了改变，真空能成为导致宇宙加速的主要因素。天文学家称真空能的这一时间变量为“第五元素”。在天文学家真正确定宇宙的膨胀是否正在加速并理解加速是怎么产生的之前，在观测和理论上都还有着很多的工作要做。

长期未来

如果宇宙是“平坦的”、“开放的”或者是正在加速的，它将存在无限长的时间，但这并不意味着行星、恒星和星系也将永远存在。宇宙受到物理定律支配，这些定律之一——热力学第二定律指出：热从高温物体向低温物体流动。因此当两个物体具有相同温度时，热的流动停止；热也不可能从低温物体流向高温物体。宇宙中发生的每个化学过程都遵从这个指导性原则。因此，恒星和星系缓慢地将热流失到周围的宇宙中，然后死亡。

在这发生之前，星系中越来越多的恒星将会互相靠近，这将会导致其他恒星投向星系的中心区域时一颗恒星被抛出星系。星系中心的物质将变得越来越紧密，并且最终具有星系质量的黑洞将形成。相同的过程将在星系团中重复，因为一些星系将被抛出，而另一些星系将落向中心区域。于是宇宙中将充满具有与星系团相同质量的黑洞。

这些黑洞中所含的物质将被再处理，并通过霍金辐射过程返回宇宙，这是一对虚粒子恰好在黑洞的视界上产生的过程：其中一个粒子逃逸出去，而另一个落下，抵消黑洞的一部分质量，这看起来像是逃逸的粒子来自黑洞本身，而黑洞逐渐“蒸发”到宇宙中。黑洞越小，它蒸发得也就越快，这一蒸发可以作为热量被测量到。随着粒子的逃逸和黑洞质量的减小，它的温度上升，上升的温度使得更多的粒子逃逸出来，进一步地减少了质量并且提高了温度。最终，在最后几秒，黑洞在能量等同于百万吨级氢弹爆炸的剧烈爆发中释放出剩余的所有质量。通过这一过程——恒星融入黑洞中然后再蒸发，在足够长的时间后，宇宙中的所有物质将达到热平衡。当这一状况发生时，将不再有恒星、行星或星系，只有由亚原子粒子构成的稀薄“海洋”。所有的粒子将会有相同的温度，并且不会发生任何反应。如果化学反应不再在宇宙中发生，也就不再有判断时间流逝的参照，宇宙将死亡，这一概念称为热寂。

如果宇宙是“闭合的”，那么膨胀将最终减慢并停止，然后它将开始崩塌。星系团和单独的星系将合并到一起，宇宙微波背景辐射将增加它的温度，最终空间将变得异常灼热从而恒星蒸发。宇宙将回到与大爆炸期间十分相似的状态。但宇宙不再膨胀，而是开始收缩并向大坍缩的方向转变。

一些人提出大坍缩与大爆炸前的状态非常符合，从而宇宙将再生：但新生的宇宙可能与我们所在的很不相同，因为物理定律可能在宇宙膨胀的最初时刻整个被混在一起。

地外生命

人类常常会问自己：地球是不是宇宙中唯一产生了生命的地方？如果对巨分子云的观测发现那里有有机（含碳）分子存在，那么新形成的太阳系将会有生命形成所需的化学元素。生命在地球上是如何产生的仍然是未知的，但很多人认为它产生于海底的热液喷口周围。一旦我们知道了这些，我们将能够估计到底有多少能够拥有生命的星球。

为了产生类似于我们的生命体，行星必须有着与地球一样的物理特征，例如温度、大气和阳光，这只能发生在位于环绕类似太阳的恒星轨道上的行星上。太阳是一个G型的恒星，但温度稍低的K型恒星在行星更靠近一点的情况下也可能足以产生生命。高温恒星，如A型和F型恒星在行星到恒星的距离大于地球到太阳距离的情况下，也可能成为孕育生命的家园。

从地球上探测任何一颗存在生命的行星都是十分困难的。地球每天向宇宙“泄漏”出无线电广播，可能在其他行星上也存在相同的情况——天文学家在被称为“水洞”的微波波段监听着这些广播信号，在这个波段上，电磁波的星际吸收和大气层对它的吸收都最小。“水洞”这一名称来自于这一区域上的两条谱线，一条是氢（H）线，另一条是羧（OH）线。如果把它们放在一起，就有了两个氢和一个氧——H2O，也就是水。基于此，这一微波波段也就被称为水洞。

计算机用户可以下载一个名为SETI@home的屏幕保护，它将在计算机不作他用时搜寻信号数据。但是到目前为止，还没有发现一个看起来可能是从其他行星发来的有目的的或是偶然信号——尽管已经观测到一两个无法解释的信号。

地球上的天文学家在“泄漏”无线电辐射之外也发出了一些有目的的广播。最早的广播对准了球状星团M13，是天文学家通过波多黎各阿雷西博的305米射电望远镜盘在1974年发射的。然而，尽管信息以光速传播，它仍需要2.4万年才能到达M13，如果这个信号被接收并且被回复，这还将需要2.4万年才能到达我们。很多天文学家和工程师相信在这4.8万年中人类能够发展出使我们在行星间旅行并且发送个人讯息的方法。

生命、精神和宇宙

尽管天文学家在了解发生在宇宙中的某些过程上有着一定的成就，但他们了解得越多，就表明有越多的问题出现。这些问题是关于自然界本质的，科学并不能独立地给出答案。人类是不是宇宙中唯一的智慧生命？宇宙和人类是偶然形成的还是作为某些宠大设计的一部分？

现代天文学家常常被问到的一个问题是：宇宙有很多可能的存在方式，但为什么宇宙是现在这样的？在大爆炸的最初一点时间内，物理定律和宇宙常量处于变迁中，它们也只是在以后才固定为现在人们所熟悉的形态和数值。这些物理定律（如光速等常数）描述了宇宙是如何运行的。如果宇宙有着不同的电子电荷常数，恒星可能变得不能燃烧氢；如果在大爆炸的第1秒中，物质超出反物质的比例不同，可能就不再有物质，或者不再有这么多的物质将在很久以前就发生崩塌。

即使这种常数上的差异也可能让宇宙出现，甚至允许各种生命的演化，生命存在的形式可能会有极大的不同。如果在量子尺度上支配相互作用的普朗克常数比目前的值大得多的话，甚至与人一样大的物体都能够表现出波粒二象性，并且能够像电子衍射穿过狭缝一样“衍射”穿过门缝。

哲学家可能会问：为什么宇宙如此适应我们这样形态的生命产生，这仅仅是偶然，还是宇宙为人类能够在其内部发展铺平了道路？这些问题在名为“人择宇宙”原理的具有高度争议的理论中被提到。它提出宇宙之所以存在是因为如果宇宙不存在，我们就不能够在这里观察它。它的一个变体理论将它更推进了一步：宇宙的存在是为了给人类提供生存的场所。很多支持这一理论的人提出人类在某种程度上是特殊的，并且指向生命在它们所存在的地球上寻找相应小生境的坚韧方式。这表明只要有最微小的可能，生命就会出现，这一观念适用于整体的宇宙。有的人则认为宇宙可能并不是独一无二的，在大爆炸之前可能存在着更早的宇宙，甚至我们所知的物理定律也是之前的多次循环的演化过程的一个结果。

随着时间的流逝，宇宙演化出越来越复杂的结构。在最简单的一层是基本粒子或夸克——在大爆炸后最早产生的事物。最为复杂的就是智慧生命，以及它们的概念性架构（可能包括了科学本身，以及艺术和文明）。这些复杂的事物离不开中间层面结构的出现，从简单的原子、星系和恒星、较重元素、分子、蛋白质、简单生命形式到更加系统的生命形式。一些人认为智慧生命的产生因此也与原子和分子的产生一样自然。这因此可能就是智慧生命有目的地改造宇宙的形态以作为永久的居所。通过这种方式，智慧生命能够给自己全部的时间用以探索和理解。即便我们的文明衰落，未来的文明将会找到足够的时间探索和理解这种终极目标--如果它在确实存在。

星际旅行

到达遥远恒星的能力将使天文学从一门观测科学转变成一门实验科学。但到达恒星所涉及的问题大多是异常困难的。科学家已经向太阳系中的八颗行星发射了探测器，并且在这一过程中发展出最高速的人造物体。如果与它们一样的探测器被发射向恒星，它们需要几千年才能到达它们。到达恒星的距离极大，以至于从离太阳最近的恒星（名为半人马座α星A和B以及比邻星的三星系统）发出的光也需要4.25年才能到达地球。因为宇宙中没有任何东西的速度能够超过光速，所以即使是使用最先进的星际飞船所需的旅行时间也是极漫长的。

因为这些原因，未来的航天员可能必须处于假死状态，他们身体的新陈代谢将被减慢从而变得失去知觉，计算机将监控他们并且维持他们的生命，并使他们的身体极缓慢地老化。在星际飞船自动控制下到达目的地之前可能将经过许多年。在到达后，船员将被唤醒。这样的旅行方式称为睡眠船。

另一种可能的方式是船员在船上正常生活，也就是所谓的跨世代星舰。随着原来的宇航员的衰老和死亡，他们的后代将从他们那里接过操纵星舰的任务。

适用于到达恒星的推进系统至今仍未建造成功。化学火箭——例如用于宇宙飞船上的——不具有足够的动力以提供星际旅行所需的推进力。一些科学家提议通过令核弹在星际飞船后部爆炸以推动飞船，另一种想法是使用强大的激光和巨型的聚光镜。通过与帆船使用船帆聚集风力一样的方式，这些星际飞船将通过聚光镜收集光线中的光子，光子的辐射压将推动星际飞船。最后，核聚变推动的火箭将指数倍地提高它们在宇宙中的运动速度——从光速的1/20000到光速的1/10。

此外也还有着很多基于现代理论物理的奇思妙想。如果宇宙是由多维构成的，而人类只能感受到其中的三维或四维，可能在其他的维度上就存在着可以被发现的捷径。关于这类“虫洞”的数学计算正在进行中。如果虫洞存在并且能够连接，并且能够被用于旅行，那么整个宇宙将可能都变为可达的。

存在高度争议的关于穿越时间的可能性同样正在研究中。一些天体物理学家相信黑洞周围弯曲的时间连续体是一个潜在的时间旅行机，但开发它的可行性——并不考虑危险性——排除了它被人类所利用的可能。