《如果宇宙可以伸缩（出版书）》
作者：[英]凯莱布·沙夫
译者：高妍
内容简介：
该书基于前沿科学理论与多尺度观测框架，通过融合天体生物学研究与艺术视觉化呈现，系统探讨宇宙结构与认知边界。
全书以10²⁷米至10⁻³⁵米的63个尺度为观测路径，贯穿可观测宇宙极限、地球生态系统及亚原子粒子领域。从星系暗物质分布到量子时空结构，结合百余幅原创插图构建层级递进的认知模型，解析宇宙起源、生命演化与物理规则颠覆性现象，形成科学与艺术联动的跨维度宇宙图谱。通过缩放视角串联宏观天体与微观粒子，展现930亿光年尺度内的物质关联与空间想象。
目 录
前言 宇宙是一张可伸缩的地图
PART 1 10～10米的14个宇宙：包罗万象的浩瀚远景
1 从一颗散发着微光的尘埃到整个星系
2 看不见的黑暗与空白
3 万物，过去和现在
PART 2 10～10米的15个宇宙：生命存在的现实世界
4 行星的生存家园
5 我们称之为地球的世界
6 生命的法则，未曾停止的探索
PART 3 10～10米的34个宇宙：万物从有到无的虚空
7 消失在宇宙背景中的物质碎片
8 亚原子世界，开启尺度颠覆之门
9 难以置信的空洞
10 时空深处的旅程终点
知识链接
注释
致谢
献给所有的探索者，
过去，
现在与未来
前言 宇宙是一张可伸缩的地图
很久以前，原子遍布在直径达几万亿千米的空旷宇宙中。过去的几十亿年里，没有任何迹象表明，这些原子最终会组合在一起，成为你的眼睛、皮肤、头发、骨骼，或是你大脑中的860亿个神经元。
这些原子中有很多来自恒星的深处，也许是好几颗恒星，它们之间相隔几万亿千米之远。当这些恒星发生爆炸时，它们向外喷射出灼热的气流，气流裹挟着一些物质向外扩散，并填满了一个星系的一小部分，这个星系存在于一个直径几乎达1024千米的时空中，而在这个时空中，与它相似的星系有数千亿个。
尽管这些原子零散地分布在宇宙中，但它们最终演变成了我们的世界，成了我们地球的一部分。它们逐渐冷却，慢慢聚集在一起，因重力而沉降，形成新的物质，其密度几乎比它们飘浮在宇宙中时的密度大了1021倍。经过大约45亿年，它们渐渐变成了各种不同的样子。
这些原子中的一部分形成了最早一批复杂生命的微观气泡，那时，那些复杂生命仍栖身于空空荡荡的海洋和大陆之中。而正是这部分原子遨游在整个地球环境中时，不断地被释放，被吞并。
它们存在于一只，也可能是几千只三叶虫的壳上。它们存在于生物的触须中，根茎上，脚上，翅膀上，血液中，以及这之间的无数细菌上。当1亿年前，这些生物向外看向太空时，有些原子就飘浮在它们的眼前，而另外一些可能在恐龙蛋的卵黄中扎了根，或者附着在冰河世纪时期一只生物呼出的气体上。对其他一些原子来说，这是它们第一次被整合进活的有机物中，而在这之前的漫长岁月里，它们一直在海洋和云朵中、在几万亿滴雨滴或者几十亿朵雪花中穿行。现在，在这一瞬间，它们就在这里，构成了你。
每个原子本身都是一种直径约一百亿分之一米大小的化合物，恰好处于一个宇宙的边缘，处于我们肉眼看得见的现实世界和看不见的量子世界之间。电子占据了原子空间的大部分区域。质子和中子聚集在原子核周边，原子比它们大10万倍，而它们本身由其他更小的东西组成：夸克和胶子。我们可以说电子不具备实际意义上的大小，也可以说原子核比电子大1 000万倍。在138亿年前的某一刻，所有原子构成的所有化合物都被挤压在一个极其狭小却拥有巨大能量的时空源头中。虽然这个源头现在已经扩大了很多，但我们人类仍然处于这个封闭空间之中，与那些可能存在于10亿光年之外的东西一起存在于此。然而，我们并非与外界毫无联系。
这是一个相当离奇的故事，它并非虚构，关于过去138亿年里究竟发生了什么，这是我们所能做出的最好的推测与讲述了。《如果宇宙可以伸缩》试图挖掘出这个故事的更多部分，让你能够认识到人类关于整个自然界知道（或不知道）些什么。为了实现这一点，我们将会采取一种行之有效的方法，也就是做一个简单的假设：用放大了10倍的视野来观察宇宙，从宇宙可观测的边缘直达现实最深处。
“游历于不同尺度下的自然界”这一奇思妙想并非新近才出现的，这一想法在科学上的实现最早可追溯至1665年出版的罗伯特·胡克（Robert Hooke）的著作《显微制图》（Micrographia）。类似的作品还有1957年基斯·博克（Kees Boeke）的开创性巨作《宇宙观：40级跳跃中的宇宙》（Cosmic View: The Universe in 40 Jumps），1968年加拿大国家电影局（National Film Board of Canada）发行的短片《宇宙伸缩》（Cosmic Zoom），1977年查尔斯·埃姆斯和蕾·埃姆斯导演的《十的次方》（Powers of Ten），以及随后的众多衍生物，它们充分展示了人类对宇宙之旅的普遍热爱。
现在似乎到了拿出一些成果的时候了，我们不仅需要引入全面更新的核心材料，还应将重心聚焦于宇宙错综复杂的连接性上。与我手里的原子相关联的，可能是另一边的原子，或者另一颗行星上的原子，又或是横跨大半个宇宙的原子。在我们身上起作用的物理原理，在其他尺度上、其他宇宙时间中也同样有效。我们日常生活中出现的形态和层展现象（emergent phenomena），会以无数种惊人的方式在自然界中共享同样的规则与特质。
无论是描述手指和脚趾的数量，还是使用现代数学与测量单位，我们都能看到“10的幂”这种概念在10的次方和10的负次方之间来回变换。将这些连续的量级放在一起，我们就拥有了一种语言，用来表达远在人类日常经验之外的宇宙连续性与相关性。“10的幂”使人类在宇宙万物与空无一物之间自由穿梭。
《如果宇宙可以伸缩》只是一个概要，如果你愿意的话，叫它备忘单也行。这本书并不能详述宇宙的历史以及其中的每一个细节。相反，它会把我们所知的现实世界看作一张可伸缩的、有着预设途径的地图。用电子游戏来比喻的话，本书就像一个“铁轨射击游戏”（rail shooter），只不过这条轨道是沿着宇宙的物理尺度铺展开的，它从顶端开始，一直缩小到底部。
在书写这段旅程并以图表展现出来之前，我们不断地苦苦思索该如何建设这条铁路。宇宙有着三维的空间，还有一个棘手的维度，我们称之为时间。在这一路上，有无数有趣的东西值得一看。而我们试图在“总览全线”与“确保观赏了绝妙景点”之间找到平衡。
在这段旅途中，某些地方真的很有挑战性，甚至在第1章，你就需要辨别暗物质、扩张的宇宙，以及一些更奇怪的东西，比如多维宇宙和多维版本的你；在第3章，你会看到太阳系的宏伟起源；到了第6章，你会困惑于意识的本质；而在第9章，你需要了解量子力学的阐释方式。别担心，书中精美的插图和信息图表将会照亮你的前路，为你指引方向。
人们对现实的种种观感融合在一起，形成了光怪陆离的数据与知识。我们希望，在找寻自己与这些数据、知识间的关联时，你能乐在其中。记住，这是所有人的宇宙，当然，也是你的宇宙。
PART 1 1027～1014米的14个宇宙：包罗万象的浩瀚远景
1 从一颗散发着微光的尘埃到整个星系
1027米，1026米，1025米，1024米，1023米
从大约930亿光年到1 000万光年
从宇宙视界的直径到星系群的大小
这是一个夏日的早上。你坐在一间铺满阳光的屋子里，手中拿着书，一页页地翻看着，正准备开启一段穿越宇宙的旅程。
抬头看时，你注意到，透过窗户照进来的光束中满是细小的、散发着微光的尘埃。这些明亮的尘埃在气流中上下翻飞，像是一群奇特的生物。这些尘埃是非常微小的，但如果把整个房间看作宇宙，那么每一粒尘埃就相当于宇宙中的一个完整星系。
现在，让我们追随其中一个小颗粒。这就是我们的星系——银河系。它是2 000多亿颗恒星的家园，而银河系中行星的数量至少也有这么多。这些恒星和行星分布在一种宽达10万光年（超过90万兆千米）的结构上。如果按人类的步行速度计算，你需要20万亿年的时间来横跨这一天体。
深藏在这亿万个天体之间的一颗特殊的行星，被我们称为地球。这颗星球是一颗小小的岩石星球，有一层薄薄的结晶层覆盖在炽热的内核之上，结晶层上方是水和大气。地球围绕着一颗单独的恒星旋转，我们把这颗恒星叫作太阳。身处于100亿岁的星系中，太阳自身却只有45亿岁。
现在回顾一下你生命中了解和经历过的一切：你的家人、朋友、狗、猫、小老鼠、马、房子、沙发、床、比萨、苹果、橘子、树、花、昆虫、灰尘、云、水、雪、雨水、泥巴、阳光……还有满天繁星的夜晚。
再来想一想所有那些曾经活过的人（生物学上的现代人类，总数大约为1 100亿）以及他们在自己的一生中认识的人。所有这些人，数以亿计的人，用几个世纪、几十年、几年、几个月、几天、几小时、几秒甚至一眨眼的时间，感受着他们周围的环境。
对人类来说，有很多特殊的时刻存在。但在35亿年前、人类出现之前，地球上的生物已变得丰富起来：从细菌和古细菌到多细胞集群，从三叶虫到昆虫，从恐龙到头足纲，亿亿万万的生命实体蜿蜒分布在每一个你能想到的生态位上，通过改变化学能电位和概率而成为现实存在。在那漫长岁月中的每一个时刻，每个生物都被自然选择改造着、筛选着，并被永不停歇的分子力学推动着前行。
所有这一切，以及其中每个微小的部分，都存在于这个世界上，存在于无数矿物点中的一个难以察觉的小矿物点中，存在于充满阳光的房间里你所看到的飘浮在空中的一粒小小尘埃上。这就是我们所知的宇宙。
这个小小的、被我们称为银河的尘埃星系，只是一片满是涟漪的网状物质大海中的很小一部分。这片海洋中有超过2 000亿个其他星系，它们有大有小，有些是独立的，有些处于混乱的碰撞中。所有这些，不过是距离我们130亿光年之内的星系，它们处于我们的“视界”之内，这个“视界”即光的行进范围，就如同你房间内可供行走的范围。
宇宙扩张也充斥着电磁辐射，这种能量既能以波的形式存在，也能以粒子的形式运行。这两种形式结合在一起构成的无质量单元被称为光子，它们在宇宙空间中快速地穿梭。某些光子来自早期的一些炙热之地，我们将这些地方统称为宇宙；其他光子则来自一些特殊的、独立的地方：恒星、超新星、温热发光的年轻行星、宇宙碰撞和冲击波，甚至可能是（或者不是）技术文明之间的信息传递。
可观测宇宙的视界。
1027米
宇宙物质网的暗面。
把我们宇宙视界中的所有可见物质，比如质子、中子、电子以及其他亚原子物质加起来，粒子数目的总和大约是1080。虽然这已经是一个非常巨大的数字了，但这些物质真的只是沧海一粟，因为仅是在我们身边穿梭的光子，数量就达到了这个数字的10亿多倍。在可观测的宇宙中，这些携带电磁能量的粒子总数大约是100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000。
然而，这些我们自认为囊括了空间中所有物质的原子和亚原子只不过是其中的16%而已。这只是我们的眼睛和设备能够看到的部分。天文学的证据表明，尚未显露真身的亚原子构成了一个不可见的暗宇宙，占据了宇宙物质总量的84%。这是充满暗物质的地下世界，它用自身的引力统治了全部星系，却不为我们所见。
更奇特的是，所有这些可见物质和暗物质都在一个充满微观量子现象的时空结构中涌动。这些缥缈的量子现象实在是太渺小、太短暂，也太奇特了，除了不断积累而又骇人听闻的暗能量效果外，它们甚至很难被我们注意到。天文学家认为暗能量是导致宇宙不断扩张的头号嫌疑人。时空，也就是宇宙整体的基本结构，随着时间的流逝而不断地膨胀。
而这在本质上，就是万物的真正含义。
你是否想问，接下来会发生什么？在我们称之为宇宙的空间之外，在所有事物之外的是什么？在我们观测到的现实，即“满是阳光的房间”外面会有什么？这些都是好问题。目前，在我们能够真实地感知到万事万物的宇宙之外的一切，只能被简单地称为“非宇宙”。
在所有已知尺度上展开的现实之旅，以及本书的阅读之旅，均起始于已知和未知边缘。这是一个在我们的宇宙视界内外不断徘徊的地方，而宇宙视界是光在宇宙已知的存在时间内行进的距离所决定的范围，是进入你“房间”的大门门槛。在宇宙视界之内，是可观测的宇宙，而在这之外，是仍为谜团的迷宫。
可观测的宇宙
10-35米是物理学中最短的有意义距离，光走完这段距离大约需要10-44秒。相对而言，某些微波辐射的光子耗费了138亿年时间才撞到你身上，而这些光子走过的距离现在已经扩大到1026~1027米。在“物理学中的最短有意义距离”和“光子行进的距离”这两个尺度之间，就是我们能够观测到的（可能也是我们所知道的）一切。
从单一宇宙，到多重宇宙
事实上我们认为，我们的宇宙在已知视界之外势必还有延续。来自视界之外的那个宇宙的光还来不及抵达我们，而那个宇宙可能比我们所能看见的宇宙要大得多。基于已知的时空几何分析，人们做出了一些预测：在现有宇宙视界的基础上，若想获得一个“完整的”宇宙，可能还要将视界范围扩大至少250倍。另一些预测认为，根据宇宙最初的快速扩张（或膨胀），真实的宇宙可能比我们历来所看到的、所估计的还要大1023倍。
如果这是真的，那么宇宙中很可能存在对人类诞生之地的复刻。甚至连太阳系、行星、生命形式都可能有其翻版，与我们熟悉的那些概念有着不可思议的相似之处。
这是一个尚未被证实的猜想，翻滚的宇宙骰子可能已拥有足够的时间来复制地球和地球的历史。不过，与之相比，我们关于宇宙本质和物理起源的猜想更为神奇。
存在于可观测宇宙之外的另一个世界？
为了演示我们观测到的宇宙（包括时空的“形状”以及宇宙在最大尺度上表现出的相对一致性）是如何生成的，科学家们提出了宇宙膨胀现象。很久以前，在宇宙大爆炸后的短短一瞬，约10-36秒之后，时空迅速扩张了几万亿倍，直到时间指向了10-32秒。这就像是你皮肤上的一个小毛孔迅速膨胀到银河系那么大，而用时仅是人类计时设备所能测量出的最短时间间隔的10-17倍（约十万兆分之一秒）。
口袋宇宙
物理学家们提出了一种观点，认为这一膨胀制造出一系列“口袋”宇宙，其数量极其可观；宇宙的数量10倍又10倍地增长，直到出现了107个宇宙；有无数与我们所在的宇宙相似的宇宙，也会有无数不一样的宇宙。如果这是真的，“多重宇宙”就会孕生出其他版本的我们，演化出我们的分身。
退一步说，这种可能性会产生一些令人不安的问题。这意味着你做出的任何决定，无论好与坏，都有可能在其他地方、以不同形式被决定了很多次。这样一来，当几万亿其他版本的“我”在多重宇宙中的某个地方几万亿次捡起一片垃圾，我捡不捡起它还有什么意义呢？如果我们的宇宙只是众多宇宙之一，而并非我们曾认为的独一无二的存在，我们是否还应该花费时间来揭露宇宙的秘密呢？
让我们暂时保留这一疑惑，先去喝杯茶吧。
从遥远的天际观看
在这本书中，我们的旅程起始于人类现有的知识范畴：我们将从1027米（an octillion meters）这样一个尺度开始我们的深潜。之所以选择这一尺度，是因为如果能够在这一刻、在宇宙视界边界之内测量宇宙的物理直径以及宇宙的范围，我们就会发现，这一数值约为910亿光年，更具体地说是860 951 000 000 000 000 000 000千米，也就是约1027米。
如果你思维敏捷，你可能会对这一数值感到好奇。宇宙的年龄也不过才138亿岁，这一数字怎么会比光在已知时间内所行经的距离还要大呢？答案就是宇宙扩张，即时空膨胀。因此，在这一刻，测得的数值会比预测的要大。
事实上，我们可以绘制出宇宙视界的一面。宇宙在扩张的过程中逐渐冷却，由于光子在空间里穿梭，光波的波长延伸，并失去了能量。如果能够回到过去，我们会在回溯的过程中发现，宇宙变得越来越热，直到宇宙来到约379 000岁时，它的平均温度高达2 726摄氏度（4 940华氏度）。这个温度实在是太高了，致使电子无法被束缚在原子内。在空间中穿梭的光子不断被这些自由电子驱散开来，使得我们年轻的宇宙成了一团无法被电磁辐射穿透的“雾气”。
下一步，坠入宇宙之网。
1026米
但很快，随着宇宙冷却，电子和质子能够结合起来，形成中性的氢原子，几乎不会再造成可见光的散射。“雾气”散开了，光子得以在不与任何粒子发生相互作用的情况下穿梭自如。直到今天，我们还能检测到这些光子，不过现在它们的波长已经非常长了，而且带有空间背景里不可避免的微波噪声。事实上，背景噪声就是宇宙视界的缩影。这就是我们所能看到的最远处。
使用最敏锐的望远镜，我们能够凝视宇宙深处，找到最早的那批恒星和星系（几乎存在于130亿年前）。这些尚在襁褓中的凝聚物是早期膨胀宇宙中的微小异常所播撒的种子，这里的异常是指通过拉取更多的物质而逐渐增加的引力。从这些星系雏形到与我们共享宇宙一隅的众多星系，所有这些形态，帮助我们成功地创建了这幅宏伟的宇宙景观地图。
这幅地图告诉我们，宇宙既是泡沫状的，也是由颗粒组成的，有点像是正在排空的浴缸或水槽中残留的肥皂泡残渣，泡沫的轮廓清晰可见，由一张三维的暗网及发光的物质组成。
附着在这张网上的是紧缩的凝聚物，在这里，引力远远超出时空扩张的力量，到处都是直径达几万亿兆米或者几亿光年的星系组成的超星系团。在这些超星系团中，分布着彼此截然不同的星系族群，辽阔而深邃的重力井能使几百或几千个星系群全都围绕着中心运转，此外，还有大量的热气池和冰冷的暗物质分布在距中心几千万光年的范围内。
星系微粒。
1025米
星系沿着大范围的纤维结构分布。
宇宙中有小型星系、大型星系以及超大型星系。在这些星系中，分布着密密麻麻而又极为微小的恒星和其他恒星残留物，以及宇宙中密度最大的物体：黑洞。黑洞的质量是太阳质量的10倍到上百亿倍。
大型引力结构中的物质流。
值得注意的是，在1027米到1023米这段尺度的旅程中，仅仅跨越了5个量级，我们便能够从可观测宇宙的规模（宇宙视界）缩小至我们的邻居——本星系群（Local Group galaxies）的规模。
换一种说法，我们从一个几乎包含了万事万物的空间（拥有超过2 000亿个星系），来到了我们周边的一个包含50～60个星系的空间。
引力透镜
广义相对论告诉我们，物质使得空间弯曲，而空间引导物质行进的方向。弯曲的空间同样会引导光的路径。因此，来自遥远物体的光能够被介于其间的物质改变方向并放大，这便是透镜效果。我们通过一系列宇宙透镜看到了宇宙。
星系只是一些小点。
1024米
或者，我们可以比较一下1千米的距离（可能就是你早起锻炼所走的距离）和你口袋里一枚硬币的大小。这就是整个已知宇宙的跨度与其中星系的跨度之比。
此刻，你才刚踏上这趟宇宙之旅。这本书余下的部分构成了另一段旅程，其间我们需要穿越57个量级。你准备好了吗？那么我们开始吧！
仅仅跨越5个量级，我们就来到了如同硬币一般的本星系群。
我们的本星系群。
1023米
黑洞会撕裂物质，产生光线。
2 看不见的黑暗与空白
1022米，1021米，1020米，1019米，1018米
约106万光年至106光年
从8至10倍银河系直径那么大，到一个巨大的分子云那么大
设想一下，你是一个充满力量的外星生物，能够随意揉捏银河系里的所有恒星，将它们全部挤压到一起。若将这些星体之间的空余部分去除，你便能把这些恒星塞进一个边长80亿千米（大约是地球公转轨道半径的54倍）的立方体中。这个包含了2 000亿颗恒星的立方体刚好能放在太阳系中海王星的轨道直径内。换句话说，星系之中、恒星之间有着大量的剩余空间。
当然，物理法则并不会允许你这么做，至少不会让你万无一失地做成这件事。把这么多大质量物体堆在一起的问题在于，最终你会制造出一个黑洞。为什么？因为所有这些恒星间的引力将无可估量。然而奇怪的是，这样一个包含了2 000亿颗或银河系中更多恒星的黑洞，实际上比我们设想的恒星立方体要大得多，其体积大约是立方体的146倍。
这是因为，如果你将黑洞的最外围视为黑洞大小的测量边界，那么实际上黑洞中很大一部分的密度是相当低的。这一点可能有点儿反常，但是黑洞的大小，也就是事件视界（event horizon，即不归点，黑洞质量集结的一片区域，在这片区域内，任何东西都无法逃脱）与黑洞的质量成正比。换句话说，如果黑洞的质量翻倍，那么事件视界的半径也将翻倍。
黑洞中的致密物质会猛烈地扭曲空间和时间。
这和发生在一般物体上的情况非常不一样。比如说，将两个相同的面团揉在一起，新面团半径并非原始面团的2倍，而只比之前大了26%。为什么呢？因为普通物质形成的球体半径与质量的立方根成正比，质量增加1倍，半径大小只增加26%。因此，如果我们把黑洞的事件视界看作其物理尺寸的测量范围，那么位于黑洞边界的物质的平均密度就会非常低。一个质量是太阳质量30亿倍的黑洞，其密度可能只与我们呼吸的空气密度一样！但这种说法与我们对宇宙的理解有点出入，之前对这些物体的理解告诉我们，黑洞的全部质量实际上被压缩在一个非常小的、几乎不可见的、围绕中心无限收拢的区域内。
在体积最大的星系的核心处，在那些巨大的奇点存在的地方，情况通常也和我们预期的恰好相反。的确，黑洞是黑的，但是你可能不这么想，因为它们能够产生巨量的光线。气体、尘埃、恒星、行星以及其他某些未知的、能加速的东西，如果离黑洞足够近，就会被撕成碎片，并且被加热。从事件视界之外，直至到达不归点，能量会在这个过程中向外逃逸。如果有足量的向内掉落的物质，那么一个旋转着的黑洞便能将质量转化成能量，其效率甚至比核聚变还要高。在整个宇宙中，散发出最明亮的光的黑洞，释放出的能量是太阳能量的百万亿倍。
物质在密度被压缩到极致的情况下（比如黑洞这类情况），会让我们当中最严谨的人都大吃一惊。而在另一极端，类似银河系这样的星系中的空荡区域同样让人吃惊。
必要的空白
大部分人总会在生命中的某些时刻感受到孤独：在不熟悉的地方迷路时，独自一人在家时，或者被遗留在黑暗、恐怖的森林深处时。但是星系际空间（intergalactic space）和星际空间（interstellar space，也就是星系之间或者星系某些部分的恒星之间）确实是你所能遇到的最孤独的两个地方了。在这些“跨区域”环境中，安全区的跨度非常非常长，其间几乎没有任何东西。
如果你是一个倒霉的宇宙搭便车旅行者，正站在银河系的恒星之间，你的身体就会呈现出一种物质集中的状态，密度大概会是围绕在你身边的星际空间密度的1亿兆倍。换句话说，看看你的小手指头：这么点儿地方就包含1023个原子。而这一数字，正好是1亿立方千米的星际空白中的原子总数。
最终，作为一个被滞留在原地的旅行者，你稍稍有点释怀了，毕竟在宇宙中，你也算挺特别的了。如果你随机地把一个图钉钉在可观测宇宙地图上，它只有极小的可能性会被钉在一个像你的身体或是任何行星、恒星那样富含物质的地方。
星系中的奇怪空白引发了一些其他的有趣特质。假设两个星系发生了碰撞（大概在40亿年内，银河系和其临近星系仙女座就会发生碰撞），在一个如此大型的事故中，恒星本身会撞到一起去吗？不，并不会。与它们之间的广阔空间相比，恒星实在是太小了，根本不可能撞击在一起，即使它们巨大的母星系正在缓慢地穿过彼此。
在星系与星系接近时，物质的引力作用会扭曲和破坏星系的形状及星辰的运行轨道，但另一方面，就像是两群虫子或者鸟迎头相遇一般，这些小星星会直接从彼此之间的空隙处溜过去。
星系际空间的物质稀疏度甚至比星际空间的更加极端。若是被困在星系际空间（比如从银河系到邻近的仙女座星系的旅途中），你需要压缩的体积至少是星际空间的100万倍，才能使其中的物质和你身体内的物质数量达到同一级别。
最坏的情况下，你正好位于星系际“空白”处，那么这时需要压缩的体积可达星际空间的1 000万倍以上。在星系之间、物质呈网状分布的一些地带，几乎没有可发光的物体存在。泡沫一般的宇宙空白跨度能超过3 000万光年（约3×1023米）。在这些区域，物质的密度甚至小于宇宙平均密度的1/10，这使得这些地方极度压抑，除非你享受这样的空无一物。
但这并不意味着这些空白是毫无用处的，事实远非如此。在这些地方，空间的扩张实际上会更快一点，因为这里没有那么多物质产生的引力。因此，宇宙空白能够“自我清洁”，将物质堆放在它们的边界处，也就是推到周围密集的星际空间里。这样的话，它们就能直接将物质聚集起来，送到明亮的星系和恒星网里了。
视野中的我们的星系。
1022米
本星系群内部。
我们的（略微有点功能失调的）星系家族
明亮的星团和星系组群中的个体并非孑然一身，它们彼此之间的距离只有大约300万光年，或者3×1022米。举个例子，从银河系的中心到下一个最近的大型星系——仙女座（也称梅西耶31或M31）的中心，距离相对没那么远，这一“鸿沟”约有250万光年，或者2.5×1022米。
也有证据表明，仙女座周边有一片稀薄的等离子云（由正离子和电子组成的气体），这片等离子云向外延伸的距离约有100万光年（1022米）。这是一种非常轻薄的物质，凭借人类的感知是无法将其与真空区分开来的。但在这一气体混合物中，某些组成部分的温度约为100万摄氏度，包含碳和硅，以及氢和氦。我们目前还不知道银河系是否有类似的光环。
银河系（远远的左侧）与同一比例下的仙女座。
我们已经发现，银河系引领着一大群更小的卫星星系。其中拥有最多恒星的是我们熟悉的大、小麦哲伦云，它们是一对不规则矮星系，分别包含约300亿颗和30亿颗恒星。但在150万光年的距离之内，至少还有30个矮星系存在，大部分都位于围绕银河系的轨道上。
我们也发现这并不是一个完全幸福的家庭。这些矮星系的轨道会导致它们自己的恒星被引力拉走，从而被剥离出去，进入围绕银河系的巨大“潮汐流”（tidal streams）中。这些恒星残骸区是了解星系成长的线索。一个大的星系有时会用几十亿年的时间来蚕食自己的小伙伴，从而增加自身重量。
这些围绕着银河系的潮汐流极其黯淡，因为它们仅表现为分散在星系空间鸿沟中的一小部分恒星。然而，灵敏的望远镜所获得的数据能够揭露它们的存在。一个绝佳的例子就是人马座星流，这是一个宽阔而混乱的恒星环，环绕着银河系，不停歇地游走。
这种星流也能够揭露银河系引力场的基本形状。从这个角度来说，恒星的轨迹便是天然的引力探测器，其测量点位散落在几万、几十万光年的范围内。
这些测量也是一种强有力的提醒，点明了作为宇宙核心谜题的一个事实：在一个类似银河系的结构中，可见的、明亮的、由正常物质组成的恒星、气体和尘埃只不过是一小部分组成物罢了。在我们的星系中，暗物质的数量大约是正常物质数量的10～30倍。
什么是暗物质？研究单个星系的运行是解决这一难题的好方法。目前最受推崇的答案就是，暗物质是一种亚原子粒子，仅通过引力和弱力相互作用，而且这种物质并不会反射或吸收电磁辐射。
显然，与其他亚原子粒子相比，暗物质粒子数量极多。暗物质的特性可总结为一个首字母缩略词：“WIMPs”，即弱相互作用大质量粒子（Weakly Interacting Massive Particles）。“弱相互作用大质量粒子真实存在”这一理念符合很多宇宙测量结果，包括已推断出的星系和星系团的引力场、引力透镜的观测，以及宇宙微波背景辐射模型。问题在于从未有过任何弱相互作用大质量粒子被直接检测到，有很多仅针对地球的实验仍在积极地寻找它们。或许并不存在什么暗物质，不过是我们对引力本身的性质理解得不够完整罢了。
古老的银河系
不管是否有弱相互作用大质量粒子，我们的银河系都是个了不起的典范，它展示了宇宙是如何收集物质的。银河系横跨100 000光年（约1021米）的距离，包含总质量相当于太阳质量1万亿倍的可见物质和暗物质，可谓是一头猛兽。
这个扁平的、飞碟状的星系是时间的产物，而这段时间是一个引力下降、能量散逸、角动量守恒的过程。
从宇宙中一颗流浪行星的地平线上升起的银河系。
1021米
星系动物园
星系可以如动物物种一样分门别类（根据不同的历史以及不同的恒星、气体、星际尘埃混合的情况予以分类）。
这些“物种”也在大小和恒星数量上跨越了好几个数量级。
星系与恒星潮汐流的冲撞。
还有其他一些明显的线索可以追溯银河系的过去，比如更古老恒星的中央核球（central bulge）。这些古老恒星之间的距离比银河系中太阳周围恒星的间距更近。在这接近银河系几何中心的地方，恒星的空间密度大幅上升。在距离中心300光年的范围内，恒星的数量比太阳附近任何指定空间区域的恒星数量的100倍还要多。如果再向内前进一点，恒星密度会继续上升，甚至达到一个难以想象的峰值：恒星密度会比我们惯常认为的高100万倍。
这意味着恒星间的距离是用光周（light-weeks，约1014米）而不是光年来计算的。在这种环境下，任何行星的天空都会充满明亮的光点。如果我们住在星系核心深处，夜晚的天空将会布满100万颗如天狼星般明亮的恒星，这些恒星用比我们熟悉的满月时的亮度还要亮200倍的星光照亮了整个世界。
在这个明亮的核心深处，坐落着一个神秘的区域。这里有一个由气体、尘埃和恒星组成的圆环状结构，围绕在范围仅有几光年的星系中心周围。这个圆环结构笼罩着一个黑洞，也就是所谓的人马座A。这可是一头怪兽，质量大约是太阳质量的400万倍，它将自身紧紧地包裹住，形成了一个不断聚集物质的旋转圆盘。
但这只不过是银河系的一个特殊部分。古老的银河系是一个无序而又复杂的地方，在这里，超过2 000亿颗恒星用它们的方式环绕或者穿越可怕的引力井和星际垃圾。银河系最具标志性的特点就是其明亮的旋臂。这些旋臂是不断移动的区域，是炙热而明亮的新恒星形成的地方。与这些旋臂相关的是围绕在星际圆盘周边的恒星及气体密度缓慢发生的改变，像是涟漪一般。从这方面来说，银河系和其他类似星系的宏大结构，多多少少带有些虚幻的色彩，这是广阔而相对温和的物质波造成的结果。
在我们的附近，也就是距离银河系中心26 000光年（2.5×1020米）的地方，恒星沿轨道运行，需要2 300万年才能绕行银河一圈。我们认为太阳目前正处于绕行银河第20周的旅途中，或者说是第20个“银河年”（galactic year）。但我们邻近的恒星并不完全与这一运动同步，恒星更像是稍微有些混乱的鸟群。
接近银河系中心。
银河系猎户座旋臂上方。
1020米
靠近银河系中心的一颗行星。
银河系外稀疏的恒星、星云及流浪行星。
围绕在我们身边的恒星以几十千米每秒的速度在不同的方向上飘移着。随着时间的流逝，这种运动会产生一些混乱，所以今日离我们很近的东西可能在百万年前并非如此。事实上，我们并不知道在45亿年前，恒星群中与我们的太阳一同诞生的其他那些“太阳”现如今在哪儿。可能它们仍在某地组团，也可能彼此相距甚远。
1019米
我们邻居的时间机器
人类历史被地球发出的光裹挟着，快速进入了宇宙。从附近的恒星到仙女座，我们的星系邻居随着地球之光的行进路线，目睹了我们故事的每一个阶段。
更近的视角
在我们周围100光年以内有约10 000颗恒星。
过去100年内发生的所有事（世界大战，物理学、生物学、基因学上的突破，太空探索，各种发现，社会变迁，艺术和音乐）可能都被几千个与太阳类似的恒星上的生命——目睹着。
今天，我们住在银河系里一个相对不那么显眼的地方。在距离我们50光年的范围内，有约130颗在夜晚裸眼可见的恒星，以及至少1 300颗比较黯淡却能被望远镜检测到的恒星。这并不是很多，甚至听起来易于掌控，范围也相当有限。然而我们人类这样的物种在过去的4万年里还不能到达离我们最近的相邻恒星。这样说来，我们就是星际荒原上的一座孤岛。
随着旅程的继续推进，我们会探讨这个孤岛是否值得一游。
姊妹恒星，45亿年前。
在中心处，那很难注意到的，就是我们的太阳。
1018米
3
万物，过去和现在
1017米，1016米，1015米，1014米
从大约10光年到92光时，或者668天文单位（astronomical units）
从星云的大小到奥尔特云的内缘大小
组成你的原子在50亿年前广泛分布于宇宙之中，其分布范围大约是现在的1 000万倍。对于组成你周围每个人和每件事物的原子来说都是如此，从你手中的这本书，到你冰箱里还没吃的芝士，以及邻街吵闹的邻居；组成太阳系中每一颗流星、卫星和行星的原子也是如此，甚至太阳这个热核球体本身的构成粒子也是这样。
我们所有人都曾经在漫无边际的星际空间中飘荡。在你体内任何一个细胞里的1.8米长的DNA链中筑巢扎根的这些特定原子，很有可能在宇宙的历史中第一次聚集得如此紧密。
这是怎么形成的呢？
简单来说，我们都是经过压缩的。宇宙的基本物理性质就是促成一系列原子和分子聚集在一起，而这些原子和分子曾经占据着比如今大1亿兆倍的空间。
由于粒子间复杂的相互作用（由引力、电磁力、量子物理及亚原子物理导致），所有这些微小的成分各自找到了凝聚在一起的方法，形成了恒星、行星、卫星、小流星、吵闹的邻居、冰箱里的芝士以及你和这本书。
这种物质的聚集形成了人类这一物种所代表的量级，也形成了地球和太阳那一量级，这在当今的宇宙中多少有些特殊。正是在这一物理范围中，一系列连贯而又相当复杂的结构得以形成。也是在这一范围中，宇宙内物质的4种基本状态（固体、液体、气体和等离子体）可以共存。此外，若不是形成了小小的人类，我们所处的这方微小的宇宙天地绝不可能创造出，或者说再现某些物质状态，例如粒子对撞机中的夸克–胶子等离子体这样的超高能态，或者像实验室里的玻色–爱因斯坦凝聚体这样的超低能态，以及低温超流体和超导体等，不一而足。
物质的状态
物质的组成物（离子、原子、分子）能够以不同的方式组织起来或表现出来，我们将其称为物质的“状态”（或阶段）。物质在微观层级上发生的事经常会导致更大层级上的天壤之别：从固态的冰或铁，到奔流的河水，再到行为古怪的中子星。
常规状态
固体
组成单元紧紧地聚合在一起，并与另外的组成单元形成固定的空间关系（暂且不考虑这些单元所进行的小小的热振动）。固体的例子包括有序结晶固体，比如金属、钻石和冰；非典型固体包括非晶态固体，比如某些聚合物、塑料、煤和玻璃。
液体
组成单元关联紧密，但没有固定的秩序。液体能够改变外形并且流动。
稀有状态
玻色-爱因斯坦凝聚体
将某些物质，如氦原子降温至接近绝对零度，它们便能够聚集成一个单一的量子实体。单个的原子失去自身特征，成为“超级原子”的一部分。只要条件合适，甚至光子也能形成玻色-爱因斯坦凝聚体。
