《六个数：塑造宇宙的深层力（出版书）》
作者：[英]马丁·里斯
译者：高晓鹰
内容简介：
该书通过六个关键数值（N、ε、Ω、λ、Q、D）构建宇宙学理论框架，阐释这些物理常量如何精密调谐并决定宇宙基本结构与演化规律，涉及暗物质密度、引力常数等物理学核心概念。
作为权威的物理学家，作者以深刻的洞察力用六个数将宇宙学中看似无关的众多发现联系在一起，回答了一个人类追问了千百年的问题：我们从何处来？到何处去？
书中讲述的六个神奇数字决定了宇宙的基本特性。如果其中任何一个数字稍微有所不同，不会产生星体，不会出现生命，更不可能有人类。现代宇宙的一切都取决于这六个数字的精密调协，而这无疑是一个物理世界的惊人巧合。
目 录
前言
01 宇宙与微观世界
02 宇宙的栖息地（一）：行星、恒星和生命
03 大数N：宇宙中的引力
04 恒星、元素周期表和ε
05 宇宙栖息地（二）：超越我们的银河系
06 精心调谐的膨胀：暗物质和Ω
07 数字λ：宇宙膨胀是在减速还是在加速
08 宇宙原始时代的“涟漪”：数字Q
09 宇宙栖息地（三）：我们的视野之外有什么
10 数字D：三维及更多维
11 巧合、天意，还是多元宇宙
致谢
前言
天文学是最古老的数字科学，在古代对历法和航海至关重要。在当代，天文学领域正不断涌现出新的发现。对时间本质的探索正使人们对宇宙的兴趣逐渐上升。迄今为止，天文学仍然是数字的科学，而这本书恰恰就是关于六个数的故事，这些故事对理解宇宙和人类在宇宙中的地位至关重要。
在古代地图模糊的边角上，制图师写着“可能有龙”的字样。古代航海领域的先驱环游地球，勾画出了主要的大陆和海洋，后继的探险家也补充了很多细节，但自此之后，人们再无可能发现新大陆，也不可能对地球的大小和形状进行彻底的重新评估。
21世纪初，我们在绘制宇宙地图方面也到达了同样的阶段：那些大的宇宙轮廓受到了关注。这是成千上万名天文学家、物理学家和工程师运用许多不同的技术取得的成就。借助现代望远镜，人们得以深入地探测宇宙。来自遥远天体的光需要经过漫长的时间后才能到达地球，我们由此可以瞥见遥远的过去；同时，我们还发现了生成于宇宙历史最初几秒钟的“化石”。宇宙探测器揭示了中子星、黑洞以及其他极端现象的存在，大大拓展了我们的物理知识。上述这些进步极大地扩展了人类的宇宙视野。与此同时，人们对原子内部的微观世界也进行了探索，这些探索在最微小的尺度上为我们提供了关于空间本质的新见解。
从时间和空间的维度上绘制的这幅全新宇宙蓝图出乎大部分人所料。它为我们提供了一个新的视角，提示我们去探索这样一些问题：单一的“创世纪事件”如何创造了数十亿个星系、黑洞、恒星和行星？原子在地球和其他可能的星球上又是如何被组装，构成那些足以吸引我们去探索其根源的复杂生物的？在恒星和原子之间，以及宇宙和微观世界之间存在着深刻的联系。《六个数》这本书描述了控制万物和整个宇宙的力量，而且书中没有晦涩难懂的专业术语。事实上，人类的出现和生存依赖于宇宙中的一些非常特殊的“调谐”，而宇宙很可能比我们看到的大得多。
01 宇宙与微观世界
人类与所有已知和未知的现实之间有着密不可分的联系……小到海上磷光闪闪的浮游生物，大到旋转的行星、不断膨胀的宇宙，都被时间这根弹力线紧紧地捆绑在一起。立足海洋，望向太空，再回首海洋，这便是了解宇宙的明智之举。
——约翰·斯坦贝克（John Steinbeck）
六个数
数学定律是宇宙结构的基础，不仅对原子而言，对人类、恒星以及星系而言也是如此。原子的性质，即它们的大小、质量、种类以及将它们连接在一起的力，决定了现实世界的化学组成。原子的存在又取决于其内部的粒子和作用力。天文学家研究的对象——行星、恒星和星系，都受到引力的控制。这一切都发生在一个不断膨胀的宇宙中，在“大爆炸”发生之时，宇宙的特性就已经印在了它自身的空间里。
科学的发展过程就是辨别自然界的模式和规律的过程，在这个过程中，越来越多的现象能够被归入普遍性和规律中。理论物理学家旨在将物理定律的本质纳入一组统一的方程或几个数字中。虽然这方面的工作还有很长的路要走，但现在已然成果显著。本书介绍了关于宇宙的六个数，这些数字特别重要，作用很大。其中两个与基本的自然力有关；两个确定了宇宙的大小和整体结构，并决定着它是否会永远存在下去；剩下的两个则确定了空间本身的属性。
● 第一个数字是N，宇宙之所以如此浩瀚，就是因为自然界中存在着这个至关重要的巨大数字，它的值等于1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000（1036）。这个数字是用将原子结合在一起的静电力除以原子之间的引力得到的商。如果N后面少几个零，那么只能产生一个寿命短暂的微型宇宙，其中的生物不会长得比昆虫大，也没有足够的时间来进化。
● 第二个数字是ε，其值为0.007。ε决定了原子核结合的牢固程度以及地球上所有原子的构成方式。它的值控制着来自太阳的能量，而且还更精确地控制着恒星将氢转化为元素周期表中的所有元素的方式。正是发生在恒星内部的种种反应使得碳和氧比比皆是，而金和铀则较为罕见。如果ε为0.006或0.008，就不会有生命存在。
● 第三个数字是宇宙常数Ω，它表示宇宙中的物质，包括星系、弥散气体和暗物质的数量。Ω可以告诉我们宇宙中引力和膨胀能量之间的关系。如果两者之间的比值远远高于特定的“临界值”，那么宇宙早就分崩离析了；如果比值太低，就不会形成星系或者恒星。宇宙的起始膨胀速度似乎经过了精密的调谐。
● 第四个数字是λ，它测量的是1998年最大的科学发现：一种从未预料到的新作用力——宇宙的“反引力”。“反引力”控制着宇宙的膨胀，在小于10亿光年的尺度上，我们很难分辨出它的影响。当宇宙变得越来越暗、越来越空时，λ注定将取代引力和其他力，占据统治地位。幸运的是，λ非常小（理论物理学家对此感到非常惊讶）。否则，它的作用力将会阻止星系和恒星的形成，宇宙的演化甚至在未开始之前就会被遏制。
● 第五个数字是常数Q。所有宇宙结构（恒星、星系和星系团）的种子都铸成于“大爆炸”之中。宇宙的结构取决于常数Q，它表示两种基本能量的比值，大小约为1/100 000。如果Q比这个值小很多，宇宙将变得死寂而无序；如果Q比这个值大很多，宇宙将变得暴力肆虐，由一些巨大的黑洞主宰，恒星或者太阳系根本无法存在。
● 第六个关键数字的存在于多个世纪前已经被证明了，现在我们正用一种新的视角研究它。它就是当前可见宇宙的空间维数D，其值为3。如果D为2或者4，生命将不复存在。时间虽然是第四维，但与其他维度截然不同，因为它有一个与生俱来的方向：只能“迈向”未来。在黑洞附近，空间极度扭曲，以至于光线沿着圆圈传播，时间也停滞不前。此外，在接近“大爆炸”的时间和微观尺度上，空间将在10维向度上显现出其终极的基本结构：被称为“超弦”(1)的物质的振动与和谐。
这些数字之间可能存在某些联系。目前，我们还无法从其中一个数字的值中推导出另一个数字的值。我们也不知道是否存在一个包罗万象的理论可以推导出一个公式，将这六个数联系起来，或者能使它们被唯一确定。我之所以强调这六个数，是因为每一个数字都在宇宙中起着至关重要又各不相同的作用，它们共同决定了宇宙的演化方向及其内部潜在的一切。此外，其中的三个数字，也就是与大尺度宇宙有关的三个数字，现在还可以以任意精度对其进行测量。
这六个数组成了构造宇宙的“秘方”，而且它们的值对所构造出的宇宙具有特别精确的影响：如果其中任何一个数字的值“失调”，就不会形成恒星，也就不会有生命出现。这种调谐究竟是一种残酷的现实，还是只是一种巧合，或者出自一位仁慈的造物主的旨意？我认为都不是。在这些数字有着不同赋值和组合的地方，很可能存在无限多个其他宇宙，其中大多数要么夭折，要么是不毛之地。只有在这六个数组合“正确”的宇宙里，人类才得以出现（因此我们能发现自己的存在）。这一认识让我们可以从一个全新的视角出发，去认识当前的宇宙、人类在其中的位置以及相关物理定律的性质。
一个起点如此简单、仅用几个数字就可以决定的宇宙，经过不断变化，就可以演化成当前结构如此复杂的宇宙（只要这些数字经过了适当地调谐），实在令人惊讶。接下来，我们将跨越所有尺度来审视这些结构：从原子到星系。
通过变焦镜头观察宇宙
我们从在几米外为一对男女拍摄的普通照片开始，然后依次拉大距离拍摄相同的场景，每一次拍摄的距离比前一次扩大10倍。第二个镜头显示他们躺在一块草地上；第三个镜头显示他们在一个公园里；第四个镜头显示他们在一些高层建筑之间；接下来是整个城市，再往远处就是一段地平线，从这么高的地方往下看，地平线明显是弯曲的。再过两个镜头，我们就看到了20世纪60年代以来人们熟知的震撼画面：整个地球——大陆、海洋和云层，还有生物圈，看上去就像一个精致的玻璃球，与月球荒芜的地貌形成鲜明对比。
再跳过三个镜头我们就仿佛置身于太阳系，从这张照片可以看出，相比于水星和金星，地球的公转轨道距离更远；下一个镜头将会显示出整个太阳系；往下四个镜头（相当于在几光年之外取景），太阳看起来就是众恒星中的一员，并无特殊之处；再往下三个镜头，我们就能在银河系的扁平圆盘上看到数十亿颗类似的恒星，它们分布在几万光年的范围内；再过三个镜头，银河系看起来就像一个旋涡星系，与仙女星系一样。从更远的地方看，这两个星系又变成了室女星系团外围的数百个星系中的两个。再往下一个镜头，室女星系团本身也变得普通，不过是一个微不足道的星系团。即使我们设想的长焦镜头有哈勃太空望远镜那样的高分辨率，在最后一个镜头中，整个星系也会变成几十亿光年远的一块难以辨认的光斑。
变焦摄影到此结束，我们的视野不再向前延伸了。以几米远的人为拍摄起点，我们需要变焦25次，每一次变焦的距离都扩大10倍，才能达到当前可见宇宙的视界极限。
在同样的情境下，现在我们把镜头朝内推而不是向外拉。在距离拍摄对象不到一米远的地方，我们会看到一只手臂；在用肉眼所能看到的最近处——大约是几厘米远的地方，我们看到了一小块皮肤。下一个镜头将带我们进入精巧的人体组织内部，然后进入单个细胞（我们体内的细胞数量比银河系中恒星的数量多100倍）。接着，在高倍显微镜的极限分辨率下，我们将会看到单个分子的结构：复杂的蛋白质长链和DNA的双螺旋结构。
接下来的拍摄将聚焦在单个原子上。此时，量子的不确定性开始发挥作用：图像的清晰度将受到限制。现实中没有一台显微镜可以探测到原子内部，在那里，有一群电子围绕着带正电荷的原子核运动。不过，我们可以通过研究加速到接近光速的粒子撞击原子时发生的情况，来探测大小是原子核1/100的子结构。这是人类可以直接测量到的最精细的结构。然而，我们怀疑自然界中最基本的结构可能是“超弦”或者“量子泡沫”形式的，它们的体积非常小，小到我们需要再向内变焦17次才能显示出来。
望远镜可以观测到的最远距离比超弦大60个变焦镜头：在我们描绘宇宙的“变焦镜头”中，应该有60幅画面（其中43幅位于我们目前能够观测的范围）。在这些画面中，我们一般能够看到的最多只有9幅画面——从眼睛可以看到的最小事物（约1毫米）到一次洲际飞行跨越的距离。这揭示了一些重要且被我们认为理所当然的事实：宇宙包含了各种各样的尺度，具有各种各样的结构，相比于我们日常感知到的，它既可谓无穷大，也可谓无穷小。
大数字和多尺度
每个人都是由1028～1029个原子组成的。从数量上来说，这个“人体尺度”处于原子质量和恒星质量之间。大约与太阳的质量相当，而太阳只不过是银河系中一颗普通的恒星，银河系中约有1 000亿颗恒星。当前可见宇宙中存在的星系数量至少与银河系中的恒星一样多。自然界中有超过1078个原子位于望远镜可观测的范围内。
生物由一层又一层的复杂结构组成。原子结合形成复杂的分子，分子又通过每个细胞中的复杂途径发生各种反应，间接形成相互联系的整体结构，最终形成树木、昆虫以及人类。人类介于宇宙和微观世界之间，大小介于直径十亿米的太阳和直径十亿分之一米的分子之间。事实上，自然界在这个中间尺度上达到最复杂的程度并非偶然。无论位于哪一颗适宜居住的星球上，任何一个超出这个尺度的生物都很容易被破坏或者被引力压碎。
我们总是认为，人类是由微观世界塑造的，因为我们很容易受到长度只有百万分之一米的病毒的攻击，而且微小的DNA双螺旋编码了我们全部的遗传基因。同样，我们也明白自己依赖于太阳及其能量。那么在更大的尺度上，情况又是怎样的呢？即使离我们最近的恒星也要比太阳远几百万倍，而可见宇宙的范围比这个距离还要远10亿倍。为什么太阳系之外还有这么大的空间呢？在本书中，我将会阐述我们与恒星之间的几种联系，从而证明，如果没有宇宙这个大背景，我们就无法理解自己的起源。
亚原子世界的“内部空间”和宇宙的“外层空间”之间的联系非常密切，我们可以通过图1-1中所绘的奥拉波鲁斯环（ouraborus）来了解。据《大英百科全书》记载，奥拉波鲁斯是古埃及和希腊的一种具有象征意义的蛇，它将尾巴咬在嘴中，象征不断地吞噬和重生……它表示的是万物的统一性，包括物质和精神，它们会在一个永恒的破坏和再创造的循环中不断地改变形式，永远不会消失。
02 宇宙的栖息地（一）：行星、恒星和生命
图1-1 奥拉波鲁斯环
此图主要用于说明粒子、原子核和原子构成的微观世界（左边）与宏观世界的宇宙（右边）之间的相互联系
图1-1左边代表的是原子和亚原子粒子，也就是所谓的“量子世界”；右边代表的是行星、恒星和星系。本书将着重介绍左边的微观世界和右边的宏观世界之间的一些重要联系。原子及其结合成分子、矿物质和生命细胞的方式决定了我们的现实世界。恒星的发光形式取决于其原子中的原子核，不同星系可以被一大群核内粒子的引力聚集到一起。奥拉波鲁斯环顶部那“饕餮”的蛇头象征着令人匪夷所思的终极结合——宇宙和量子之间的终极结合。
奥拉波鲁斯环中标出的尺度横跨了1060，这个如此巨大的空间是一个充满“生机”的宇宙存在的先决条件。首先，一个空间不够大的宇宙永远不可能演化出复杂的结构层次：它将是缺乏生机的，也不适合居住。其次，一个“有生机”的宇宙还必须具备很长的时间跨度。虽然原子中的有些反应过程只需要十亿分之一秒就能完成，原子核内的反应速度甚至更快，但使胚胎转化为血肉之躯是一个非常复杂的过程，其中包含一系列细胞分裂和相伴而生的分化，而每一个过程都涉及成千上万次分子的复杂重组和复制。而且，只要我们还在进食和呼吸，这些过程就不会停止。事实上，我们的生命只是人类进化过程中的一个世代，而这个世代也只是整个生命总体进化过程中的一个阶段。
宇宙演化过程中呈现出的巨大的时间跨度为我们思考“为什么宇宙如此之大”提供了一个新的视角。在地球上，从生命诞生到进化出人类用了45亿年；在太阳及其行星形成之前，早期的恒星已经将原始的氢转化成了碳、氧和元素周期表上的其他原子，这个过程花费了大约100亿年；当前可见宇宙的大小大约是自“大爆炸”以来光走过的距离，直径在100亿光年左右。
这是一个惊人的结论。初看之下，宇宙的巨大尺度使人类在宇宙体系中显得微不足道，但实际上，这个因素正是人类出现的必要条件。不过，这并不意味着不可能存在一个更小的宇宙，只是说人类不可能存在于这个更小的宇宙中。宇宙中广阔的空间并非是多余的，而是在太阳系形成和人类出现之前，一系列事件漫长、持续发展的结果。
这看上去似乎又倒退回了古代的“人类中心论”，这一观念早被哥白尼的“日心说”推翻了。不过，我们不应该过分强调哥白尼式的“谦虚”。像人类这样的生物需要特殊的条件才能进化出来，因此在某种意义上，我们的观点肯定是不合常规的。宇宙的浩瀚不应该使我们感到惊讶，我们仍然需要对其特征进行更深层次的探究。
我们有望了解宇宙吗
物理学家马克斯·普朗克（Max Planck）曾断言，直到一个理论的支持者全部死亡，该理论才会被抛弃——科学是在“一个葬礼接着一个葬礼”中进步的。这种观点太愤世嫉俗了。一些长期存在争议的宇宙学问题早已尘埃落定，一些早期的争论已经平息。不过也有许多人经常改变想法，我也是这样。本书中的一些内容曾一度令我感到十分震惊。尽管许多人不会完全赞同我的解释，但我接下来抛出的宇宙学理论已经得到了广泛的认同。
宇宙学理论并不像关于地球历史的理论那样脆弱和易被推翻。地质学家推断，地球上的大陆正在漂移，其速度大约和指甲生长的速度相同，在2亿年前，欧洲和北美洲是连在一起的。尽管我们很难理解如此漫长的时间跨度，但我赞同这个观点。至少在大体上，我们认同地质学家有关生物圈如何演变以及人类如何出现的观点。宇宙环境的一些关键特征现在也得到了可靠数据的支持。关于100亿～150亿年前的那次“大爆炸”，我们得到的证据与地质学家找到的关于地球历史的证据一样可靠。这是一个惊人的转变：我们的祖辈可以毫无阻碍地依据事实来构建理论，而直到不久前，宇宙学看上去也不过是数学推理，毫无事实依据。
几年前，我确信宇宙有90%的可能曾经发生过一次“大爆炸”——当前可见宇宙中的一切都源自一个压缩的火球，这个火球比太阳中心的温度高得多。现在我更加确信这个假设了。20世纪90年代，观测技术和实验设备的巨大进步使广阔的宇宙图景变得日益精细，现在我对“大爆炸”这一事件的确信度提高到了99%。
爱因斯坦曾讲过一句著名的格言：“宇宙最不可理解之处在于它是可以理解的。”他借这句话表达了对以下事实的惊讶：第一是物理定律，那些需要换个角度才能理解的物理定律不仅在地球上适用，在最遥远的星系上也适用。第二是，牛顿告诉我们，使苹果落下的作用力与维持月球和行星运转的作用力相同。我们现在知道，正是这种作用力将星系捆绑在一起，将一些恒星拉进黑洞，并且最终可能导致仙女星系在我们上空坍缩。最遥远星系中的原子与我们在实验室里研究的那些原子具有一个共同的起源。没有这一共同点，宇宙就不会生成。
宇宙学的最新进展促使我们探讨宇宙的起源、支配宇宙的法则，甚至宇宙的最终命运。所有这些谜题都与“大爆炸”发生后的最初几秒钟有关，当时的条件非常极端，以至于相关的物理学都难以理解，但我们想要知道那几秒钟内时间的特性、维度的数量以及物质的起源。在最初的那一瞬间，一切都被压缩到非常高的密度，使宇宙和微观世界相互重叠在一起，就像奥拉波鲁斯环所示的那样。
空间是不能无限分割的，其精巧的结构仍然是一个谜。大多数物理学家怀疑，宇宙在10-33厘米的尺度上存在粒子性，其大小是原子核的1/1020，就像“变焦镜头”所描述的那样，这一比例相当于从原子核大小增大到一个大型城市的大小。在这个尺度上，我们会遇到一个阻碍，即使还存在更小的结构，它们也超越了我们对空间和时间的认知。
最大尺度下的情况又是怎样的呢？自“大爆炸”以来的大约100亿年里，有没有一些星球发出的光还没来得及传播到地球上？显然，对于这个问题，我们还没有找到直接的证据。宇宙的大小以及遥远未来可能出现的事物不存在理论上的界限（在空间和未来的时间方面）。宇宙的延伸范围可能不只是目前的数百万倍，而是10的数百万次方倍，甚至比这还要大。宇宙远远超出了我们目前的视野，而且它本身可能只是无限集合中的一员，这也是“多元宇宙”这个概念的含义，尽管它只是一个推测，但也是当前宇宙学理论的自然延伸。这个概念之所以被认可，是因为它解释了我们观察到的一些现象。其他宇宙中的物理定律和几何学可能会有所不同，而这个不同给我们提供了一个新的视角，来审视本书描述的六个数所包含的看似特别的取值。
该死的太阳系。那黯淡的光线；过于遥远的行星；纠缠不休的彗星；脆弱不堪的结构。要是由我去创造宇宙，肯定能造出一个更好的。
——杰弗里勋爵（Lord Jeffrey）
原行星
猎户座中有一片巨大的星云，其中包含的原子足以形成一万颗太阳。这片星云有一部分是发光的，因为被明亮的蓝色恒星加热了；其余的则是冰冷、黑暗的尘埃。星云的内部是温暖的块状物，它们并不发光，借助装有红外线探测器的望远镜，我们可以测出这些块状物释放的热量。这些温暖的块状物最终会形成恒星，但目前还处于“原始恒星”阶段。它们之后会在自身引力的作用下收缩，同时各自被气体和尘埃包围，看上去像一个扁盘。
这些扁盘的出现并不意外。猎户座星云的密度虽然比大多数星际空间都要大，但仍然非常稀薄。在形成恒星的过程中，一些气体会持续收缩，直至密度上升到原来的100亿亿倍。任何轻微的自旋都会在收缩过程中被加强（类似于宇宙级别的自旋，就像滑冰选手在旋转时内收双臂会转得更快一样），直到旋转过程中的离心力大到足以阻止所有物质落到恒星表面上为止。那些没有落到新生的恒星上的多余物质会围绕在恒星周围运转。由此形成的扁盘就是行星系统形成的基础：尘埃颗粒会频繁碰撞，聚合在一起形成岩石块，这些岩石块又会进一步合并成更大的星体，最终形成行星。太阳系就是以这样的方式从一个“原始太阳扁盘”中形成的。其他恒星的形成过程与太阳类似，因此我们完全有理由相信，它们也会被行星环绕。
这一设想得到了恒星周围新形成的扁盘的证实，并推翻了20世纪初期流行的“大灾变”理论。该理论认为，行星的形成源自一场罕见而特殊的灾难。在这场灾难中，太阳与另一颗恒星发生碰撞（这是一种极为罕见的现象，因为恒星间的平均距离非常大），恒星的引力使太阳释放出一些气体，这些气体凝结成“珠子”，有些珠子最后变成了行星。
实际上，几个世纪之前的天文学家也认为存在其他的太阳系。在光学领域做出突出贡献的荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）就写道：“为什么不是每一颗恒星都像太阳一样拥有众多的行星相伴，同时这些行星又有各自的月亮侍伴当空呢？”
存在其他太阳系吗
相比于最终会形成行星的扁盘，那些完全成形且围绕其他恒星运转的行星更难被探测到。因此，当20世纪90年代末，人们发现第一个能够确切证明行星普遍存在的证据时，便引发了天文学界的震动。太阳系之外的行星难以被发现的原理很简单。即使使用地球上性能最为优良的巨大望远镜，如果从很远的距离观测，比如在40光年以外观察太阳，观测者也无法看到任何围绕太阳运行的行星。不过，通过仔细测量太阳的光线，天文学家推断出了木星（太阳系质量最大的行星）的存在。这是因为太阳和木星都围绕各自的质量中心旋转，也就是所谓的“质心”，而太阳的质量比木星的质量大1 047倍，并且这个质心离太阳中心的距离比离木星中心的距离要近（实际上质心位于太阳内部），因此，太阳绕质心运转的速度是木星绕质心运转速度的1/1000。由于其他行星引起的额外扰动，太阳的实际运动更为复杂。由于木星是太阳系内质量最大的行星，因此发挥着主导作用。与此同理，通过对光线的仔细分析，天文学家发现了其他恒星在运动过程中受到的微小干扰，这些干扰是由轨道上的行星引起的，就像木星对太阳运动造成的影响一样。
由于组成恒星的各种原子（碳、钠等）能够吸收或者发射特定的光，因此恒星的光谱会呈现出不同的特性。相比于实验室中测得的原子的光谱，如果恒星远离我们，它的光就会向光谱的红端偏移（就像汽笛声会随着距离的增大变低一样），这就是著名的多普勒效应。如果恒星正在靠近我们，其光谱便会向光谱的蓝端偏移。1995年，日内瓦天文台的两位天文学家米歇尔·梅耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）发现，飞马座51号恒星的多普勒频移存在轻微的波动，好像这颗恒星正在做圆周运动，先朝向地球运动，然后远离，接着再次靠近，非常有规律地循环运转。该恒星的运转速度大约是50米每秒。据推断，有一颗与木星大小相当的行星围绕着这颗恒星运行，两者围绕共同的质心旋转。如果这颗看不见的行星的质量是恒星质量的1/1 000，那么它的轨道速度将是50千米每秒，比恒星的运动速度快1 000倍。
杰弗里·马西（Geoffrey Marcy）和保罗·巴特勒（Paul Butler）是20世纪90年代末期最著名的行星探寻者，他们的仪器可以记录小于一亿分之一的波长变化，因此可以测量多普勒效应，即使恒星的运行速度只有光速的一亿分之一（3米每秒），他们也可以凭借仪器测出多普勒效应。事实上，他们已经发现了许多恒星周围存在行星的证据，这些推测出来的行星都像木星一样拥有很大的体积。不过，这两位行星探寻者所用仪器的测量敏感度是有限的。一颗质量只有木星质量几百分之一的类地行星所能引起的太阳运动速度的变化仅为几厘米每秒，多普勒频移也只有百亿分之一左右，这个变化太小了，根本无法用现有的大行星探测技术进行识别。
事实上，行星探寻者使用的望远镜只有中等大小，其直径只有2米左右。因此，并不是所有的重大发现都需要最大、最昂贵的设备，这一点有时常被与大型项目相关的夸大之词掩盖。借助新型的普通仪器，那些坚持不懈、独具匠心的科学家仍然能够获得许多成果。
太阳系的结构是许多“意外”造成的结果。那些穿过地球轨道的流星群仍然是我们面临的威胁。例如，6 500万年前，一颗直径为10千米的小行星撞击地球，在墨西哥湾的希克苏鲁伯（Chicxulub）附近造成了一个巨大的海底陨石坑。这次撞击事件造成的全球性气候变化可能是导致恐龙灭绝的原因。给局部区域造成灾难的较小撞击，则更加普遍。在太阳系年轻的时候，这种撞击事件时有发生。目前，太阳系中大多数原始行星的胚体要么已经被摧毁，要么被踢出了太阳系。月球就是另一颗原始行星撞击地球时从地球上撕下来的一块，月球表面大型的陨石坑见证了其早期历史的暴力性灾变。天王星可能在形成后不久就经历了一次毁灭性的斜向撞击，否则我们很难理解，为什么它的自转轴几乎躺倒在公转轨道平面上，而其他行星的自转轴则或多或少垂直于该平面。太空探测器传回的图片显示，太阳系的所有行星和一些比较大的卫星都拥有非常独特的环境。
其他行星系统不太可能拥有和太阳系一样多的行星，其中的行星排列方式也可能不尽相同。在已被发现的行星系统中，有几个系统拥有一颗类似于木星的大行星，但它们离恒星的距离比水星（太阳系最内层的成员）离太阳的距离更近。不过，这些发现在一定程度上取决于目前的观测技术。沿短周期轨道快速运行的重行星更容易被探测到，而已经发现的重行星很可能有小型的类地行星相伴。
只有非常特殊的行星才能孕育出与地球上的生物类似的生命，这种特殊性主要表现在三个方面。第一，行星自身的引力必须足够强大，以防止它们的大气层蒸发到太空中。如果月球上曾经有过大气层，可能早已蒸发了。第二，液态水能够储存于行星表面，此类行星既不能太热也不能太冷，必须与一颗长寿且稳定的恒星保持适当的距离。第三，这类行星的公转轨道必须是稳定的，如果有一颗类似于木星且沿偏心轨道运行的行星不断穿过它们的公转轨道，那么轨道就会不稳定。行星探寻者的高“命中率”表明，银河系中有非常多的类太阳恒星周围存在行星。在这数十亿颗候选行星中，如果没有许多与年轻地球相似的行星，反倒会令人感到惊讶。
美国国家航空航天局（NASA）前执行主任丹·戈尔丁（Dan Goldin）强调，天文学家应该将探索类地行星作为太空探索计划的主要推动力，并且这种探索的目标应该是直接获取它们的影像，而不仅仅是间接地推断。然而，仅仅是发现像地球一样的微弱斑点，也就是卡尔·萨根所说的“暗淡蓝点”，就可能需要15年才能完成，而且必须在太空中部署大型望远镜阵列。
来自遥远世界的昏暗光线可以传递这些信息：类地行星表面（陆地或海洋）和云层的一些特征，以及每日或季节性的变化情况。根据一颗行星的光谱，我们可以推断出它的大气中存在何种气体。虽然地球的大气层富含氧气，但在最初并非如此，氧气是地球早期演化过程中原始细菌作用的结果。这便引出一个非常有趣的问题：这样的改变是否也会发生在其他地方？如果一颗行星拥有适宜的环境，那么它演化出简单的有机体并形成生物圈的概率有多大？
从物质到生命
直到19世纪的最后5年，我们才确切地了解到，其他恒星的轨道上存在着一些行星，但不确定其中是否存在生命。这个问题应该由生物学家而非天文学家来解答。到目前为止，科学家并没有对此达成共识。
地球上的生命占据了各种各样的生态位。深海底部热液喷口附近的生态系统表明，对于生命来说，连阳光也不是必不可少的。我们仍然不知道生命是如何以及在何处开始形成的。当前，在生命的起源地这个问题上，炎热的火山比达尔文提出的“温暖的小池塘”更受欢迎。不过，生命也有可能形成于地下深处，甚至形成于太空中的分子云团。
我们也不知道，其他行星能够演化出生命的概率有多大，以及生命的出现是自然的还是包含了一系列极不可能发生的意外，以至于银河系的任何其他行星上都没有发生过类似事件。因此，我们应该在太阳系的其他地方探测生命，这具有非常重要的意义，即使找到的只是简单生命的遗迹。19世纪以来，火星一直是人们关注的焦点。最近几十年，科学家向这颗“红色星球”发射了太空探测器绕其飞行，以分析它的表面，并将样品送回地球。据推测，木星的冰冻卫星木卫二和木卫四被冰层覆盖的海洋中也可能存在生命，科学家计划发射一个潜水探测器，以在冰层下面进行探测。
如果太阳系中出现过两次生命，这将意味着整个银河系可能充满了生命，或者至少存在简单的生命形式。不过，这种重大的结论必须有一个前提：这两个起源是彼此独立的。这个前提非常重要，如果火星上的陨石曾经撞击过地球，那么也许我们都是火星人；相反，火星也可能被来自地球的流星反向播下了生命的种子！
从简单生命到智慧生命
正是由于各种复杂的历史和偶然事件，人类才得以出现。10亿年来，原始生物呼出的氧气改变了年轻地球的有毒大气，为多细胞生命扫清了道路。化石记录表明，5.5亿年前的寒武纪时期出现了大量水生和爬行动物。在接下来的2亿年里，地球被绿色植物覆盖，为之后形态奇特的动物提供了栖息地，比如像海鸥一样大的蜻蜓、一米长的千足虫、蝎子和两栖动物，随后还出现了恐龙，其之前模糊而又呆滞的形象被《侏罗纪公园》等这类电影中充满活力的形象（与当前的科学观点一致）取代。之后，恐龙在一次突然、始料未及的灾难中彻底灭绝了（此次灭绝被认为是地球史上最突然、最难以预料的一次大灾难）。这个灾难就是，一颗小行星撞击了地球，引起巨大的海啸，扬起的灰尘遮蔽了地球上空很多年。不过，这次巨变为哺乳类动物的出现开辟了道路，直至最后人类出现。
即使我们知道原始生命普遍存在，但关于智慧生命何以存在的问题仍然没有定论。在地球生物圈漫长的演化史中，有一大批形态各异的物种（现在几乎都已灭绝）在其中游过、爬过和飞过。人类是时间和机会的产物，如果进化重新进行一次，结果一定不同。智慧生命的出现似乎并不是注定的，一些前沿生物学家认为，即使宇宙中普遍存在简单的生命，智慧生命也可能极其罕见。我们虽然对此了解甚少，无法精确地评估智慧生命出现的概率，但也没有理由怀疑它们出现的可能性。
地球生命的进化呈现出的惊人而又迷人的复杂性和多样性，使我们意识到无生命的世界是多么简单。不过，这种简单（至少是相对简单）恰好是天文学家研究对象的一大特征。事物之所以难以理解，不是因为它们大，而是因为复杂。若想完全阐明原子是如何在地球上（或其他行星上）组合成复杂到足以思考自身起源的生物，真是一项令人生畏的挑战，其难度超过宇宙学的任何难题。正因为如此，我认为立志去了解大尺度宇宙并不算狂妄。
多年来，“存在众多可居住的星球”的想法一直是玄想者的研究领域。2000年是乔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno）在罗马火刑柱上殉难的400周年。他坚信：
太空中有无数的星座、太阳和行星，但我们只能看到太阳，因为它们能发出光；行星仍然不可见，因为它们又小又暗。太空中还有无数的地球围绕着它们的太阳旋转，这些地球并不比我们这个地球逊色，也不比它更小。任何理性的人都会相信，比地球大很多的天体上肯定存在生物，它们与地球上的生物相似，甚至更高级。
自布鲁诺之后，这种观点得到了广泛认同。18世纪，伟大的天文学家、天王星的发现者威廉·赫歇尔（William Herschel）就认为，行星、月亮甚至太阳上都有人居住。19世纪80年代，美国富豪珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）在亚利桑那州的弗拉格斯塔夫（Flagstaff）建造了一座天文台，主要用于研究火星。他认为，火星上的那些“运河”是一种灌溉工程，其作用是将水从冰冻极地输送到赤道地带的“沙漠”中。结果证明，这种想法只不过是一厢情愿的希望和视觉错觉相结合的产物。1900年，一家法国基金会出资10万法郎设立了古兹曼奖，用以奖励第一次接触外星物种的人。不过，经过慎重考虑，他们将火星探测排除在外，因为他们认为找到火星人过于容易！
外星人与人类有共同的文化吗
美国加利福尼亚州山景城“搜寻地外文明计划”（Search for Extra-Terrestrial Intelligence，简称SETI计划）研究所的科学家是搜索地外文明的先锋，他们正在致力于寻找可能由人工发出的无线电信号，为此在世界各地部署了各种大型射电望远镜。这种情节在科幻小说中很常见，比如卡尔·萨根的小说《接触》（Contact），在小说中，这种行为是值得的。在向遥远的宇宙发射信号这个问题上，发射无线电波并不是唯一可行的方式，我们还可以利用窄束激光，因为它可以以更小的能量消耗跨越星际空间。我们已经拥有了相关技术，只要愿意，就可以通过这两种方法中的任何一种向数光年之外的宇宙发射信号，以证明我们的存在。事实上，借助无线电发射器、雷达等众多仪器，我们能向任何使用敏感射电望远镜的外星人昭示自己的存在。对于生命的起源和潜力，我们还知之甚少，因此很难评估哪种探测生命的方法最有效。因此，明智的做法是使用所有可用的技术，并对所有的可能性保持警惕。不过，我们应该注意“观测对象的选择”：即使我们确实获得了一些发现，也不能断定它们代表的一定就是“典型”，因为我们的仪器和技术限制了观测结果，导致我们对实际观测对象可能产生偏见。
其他星球上可能并不存在智慧生命，即使存在，也可能是在某个水下世界，高等海豚在那里专注地享受着海洋生活，根本不会做任何事情来昭示自己的存在。虽然搜寻地外生命的成功概率不是很大，而且系统性地检测人工信号是一项充满风险的工作，但这些都值得去做，因为任何探索都具有哲学上的重要性。任何一种明显的人工信号，即使它像质数或圆周率一样枯燥无味，都意味着“智慧”并非为地球生命所独有，它也存在于其他星球。即使离我们最近并可能存在智慧生命的天体，其距离仍旧非常遥远，无线电信号需要花费许多年才能到达地球。仅仅因为这个原因，无线通信在很大程度上将是单向的。我们也许有时间发送一份慎重的回电，但没有机会快速回应！
能与我们通信的外星生命应该具有某些与我们相似的数学和逻辑概念。它们应该也知道支配整个宇宙的基本粒子和力。虽然它们的栖息地可能与地球大不相同，生物圈甚至更不相同，但它们及其星球也是由原子组成的。与我们一样，对外星生命来说，最重要的基本粒子是质子和电子：一个电子绕着质子运动就形成一个氢原子，电流和无线电发射器都含有电子的流动。质子比电子重1 836倍，这个数字对于任何有能力并已经实现了传输无线电信号的智慧生命来说，都具有同样的内涵。所有的基本力和自然法则都应该是一样的。事实上，这种一致性（没有它，宇宙将更加令人困惑）似乎延伸到了天文学家所能研究的最遥远的星系。在本书后面的章节中，我将会介绍一些不同的“宇宙”，这些宇宙超出了我们所能观测的范围，它们可能受不同的法则支配。
显然，外星人不会使用米、千克或秒等单位，但我们可以与它们交换关于两个质量或者两个长度之间比率的信息，比如质子和电子的质量比，这种比率是纯数字的，与单位无关，比如一根杆的长度是另一根杆的10倍，这种说法正确与否，与我们以英尺、米或者某些外星单位来测量长度都没有关系。正如理查德·费曼（Richard Feynman）所说，如果他告诉外星人，他“有170亿个氢原子那么高”，它们应该能听懂。
在知识方面，有些智慧生物与我们可能并不存在关联，不过，任何向我们传递信号的生命一定对它们周围的物理世界有了一定程度的控制。只要有一定的思考能力，它们肯定会和我们一样，对宇宙的起源感到好奇，因为我们共同诞生于其中。它们可能也会对这些问题感兴趣：宇宙是如何构成恒星和星系的，以及包含了哪些物质？宇宙是如何膨胀的，它最终的命运又会如何？这类知识将成为我们和所有外星人共有的文化。它们也会注意到，宇宙中存在少数几个关键数字，它们对宇宙环境的营造至关重要。
