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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）
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？”
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？
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！
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！
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。
本书的主题是对这些数字中的六个数进行探讨。这六个数决定了宇宙的主要特征：它是如何膨胀的；能否形成行星、恒星和星系；是否存在有利于进化的化学条件。而且，宇宙的本质敏感地取决于这些数字。如果你想通过调谐这六个数来构造一个可以孕育生命的宇宙，那么调谐必须精确。这六个数的出现是天意还是巧合？它们是“万物理论”唯一确定的结果吗？相关解释似乎都没有说服力。我认为，这种明显的“调谐”暗示了一种更值得关注的东西：当前的可见宇宙，也就是我们借助最大倍数的望远镜所能看到的一切，只是整体的一部分，而整体的宇宙中存在各种各样的物理定律。这虽然只是一种推测，但与我们现有的理论相一致。
众所周知，有些恒星也有行星相伴，就像地球绕着太阳运行一样。那么，这些行星拥有什么样的栖息地呢？它们的引力是不是太弱而不能留住大气层？它们是否太热、太冷或者太干燥而无法孕育出生命？它们之中可能只有少数能提供适合生存的环境。所以，在更大的尺度上，可能存在无数其他的宇宙，我们无法观测到它们，因为它们的光永远无法到达地球。这些宇宙是否适宜于进化出某种生命形式，就像在当前的可见宇宙中，至少有一颗恒星周围至少有一颗行星进化出了生命？在大多数宇宙中，这六个数可能是不同的，因此只有少数宇宙会被恰当调谐成适合生命存在的状态。在当前的宇宙中，这些数字似乎是按照天意调谐的，对此我们不应该感到奇怪，因为我们自己正处于一颗相当特殊的行星之上，它的引力维持着一个大气层，适宜的温度保证了水的存在，这颗行星自身正围绕着一颗稳定且长寿的恒星运行。