Những khoảng cách vũ trụ to lớn hơn nhiều so với bất cứ khoảng cách nào chúng ta đã quen thuộc, nên thật chẳng dễ gì hình dung hay hiểu chúng một cách trọn vẹn thậm chí trong trí tưởng tượng của chúng ta. Vì thế, chúng ta hãy bắt đầu với những khoảng cách lớn nhất có thể hiểu được dễ dàng từ quan điểm kinh nghiệm của chúng ta.
Một tuyến đường hàng không rất dài có thể mất 15 giờ bay và bay xa 9000 dặm đường, một chặng đường bằng nửa hành trình vòng quanh Trái đất. Một người đi lại nhiều có thể đáp những chuyến bay như thế vài lần trong năm. Ta biết rằng máy bay có tốc độ khoảng 600 dặm trên giờ và không tiện lợi chút nào, nhất là trong một lớp học kinh tế, cho một thời gian dài như thế mang lại một ấn tượng mạnh rằng khoảng cách đó xa bao nhiêu. Tất nhiên, hồi một trăm năm trước, con người chưa từng đi xa như thế trong một ngày bao giờ nhưng nay chúng ta đã đi như thế và nó mang lại cho chúng ta cảm giác về kích cỡ của hành tinh chúng ta và dùng kích cỡ đó làm một độ dài để so sánh.
Khoảng cách lớn tiếp theo ta nghĩ tới là khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trăng. Khoảng cách này bằng chừng ba mươi lần hành trình bay vừa nói và với tốc độ máy bay như trên ta mất khoảng ba tuần bay, hay với phi thuyền của NASA thì mất chừng vài ngày. Khoảng cách đến Mặt trăng, do đó, là có thể tưởng tượng: nếu bạn đi bộ bốn dặm mỗi giờ không nghỉ không ngủ thì bạn sẽ mất tám năm mới đến nơi và tám năm nữa để đi về. Tuy nhiên, sự có mặt trên Mặt trăng của các nhà du hành Armstron và Aldrin hồi tháng 7 năm 1969 là một trong những sự kiện đáng nhớ nhất của thế kỉ qua. Nó đáng nhớ chỉ một phần vì khoảng cách đến Mặt trăng, một phần là do suy nghĩ lần đầu tiên có con người đi lại trên một thiên thể khác ngoài Trái đất ra.
Mặt trăng có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm, và thỉnh thoảng xuất hiện vào ban ngày nhờ sự phản xạ ánh sáng Mặt trời của nó. Mặt trời là ngôi sao gần chúng ta nhất và năng lượng phát ra của nó là yếu tố sống còn đối với sự sống trên Trái đất. Vậy Mặt trời ở xa bao nhiêu? Nó bằng khoảng mười nghìn lần chặng đường bay đã nói và sẽ mất khoảng hai mươi năm để đi tới với tốc độ của máy bay chở khách. Không phải kẻ có đầu óc lành mạnh nào cũng muốn đi tới nơi có nhiệt độ bề mặt cao hơn cả nhiệt độ nóng chảy của sắt như thế. Mặt trời ở xa hơn Mặt trăng khoảng bốn trăm lần, và một khoảng cách lớn như thế là vượt quá những cái mà chúng ta quen thuộc. Khoảng cách này giúp hình dung ra quy mô của hệ Mặt trời, với Trái đất quay xung quanh trục của nó mỗi ngày một vòng, quay một vòng quanh Mặt trời mất một năm ở khoảng cách chừng chín mươi ba triệu dặm. Những hành tinh khác thì Thủy tinh và Kim tinh, quay phía trong quỹ đạo của Trái đất, còn những hành tinh khác như Hỏa tinh, Mộc tinh và Thổ tinh thì quay phía ngoài Trái đất.
Hầu như không thể nào hình dung nổi có một người nào đó có thể đi ra khỏi hệ Mặt trời trong cuộc đời của mình vì kích cỡ mênh mông của nó. Nhưng ở quy mô của vũ trụ nhìn thấy, hệ Mặt trời, trái lại, là nhỏ bé và tầm thường đến mức không tưởng nổi. Nếu không có sự sống ở nơi nào khác ngoài Trái đất ra thì vũ trụ dường như là một vật thể lớn đến mức vô lí nếu như sự sống là mục tiêu chính của nó.
Ngoài Mặt trăng và một số hành tinh, chúng ta còn có thể nhìn thấy hàng nghìn ngôi sao với đôi mắt trần. Đa số những ngôi sao này giống với Mặt trời của chúng ta nhưng mờ hơn nhiều vì chúng ở quá xa chúng ta. Vậy khoảng cách đến những ngôi sao gần nhất là bao nhiêu? Câu trả lời là chừng hai triệu lần khoảng cách đến Mặt trời. Vì thế, trong khi chúng ta có thể đi tới Mặt trời trong hai mươi năm với tốc độ của máy bay chở khác, để đi tới ngôi sao gần nhất trong hai mươi năm đòi hỏi một tốc độ nhanh gấp hai triệu lần. Một phép tính nhanh cho biết tốc độ này tăng từ sáu trăm dặm mỗi giờ lên ba mươi lăm nghìn dặm mỗi giây. Để so sánh, tốc độ của ánh sáng là khoảng một trăm tám mươi nghìn dặm mỗi giây. Điều này có nghĩa là chiếc máy bay tưởng tượng của chúng ta, thích hợp là nên chuyển sang phi thuyền vũ trụ, phải chuyển động ở tốc độ bằng một phần năm tốc độ ánh sáng để đi tới ngôi sao gần nhất trong hai mươi năm.
Ở đây chúng ta thấy những hạn chế đối với khả năng đi lại không chỉ trong quãng đời của chúng ta mà là cái dường như là mãi mãi. Theo lí thuyết tương đối, không có lí do gì để nghi ngờ, không có cái gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Cho nên, nếu tuổi thọ của con người được tăng thêm nhờ những tiến bộ y khoa lên tới hai trăm năm hoặc thậm chí một nghìn năm, thì trong một đời người vẫn không thể đi xa hơn vài trăm lần khoảng cách đến ngôi sao gần nhất. Vì thế, dường như chẳng có cách nào rời khỏi thiên hà đặc biệt của chúng ta – gọi là Dải Ngân hà, tên gọi xuất phát từ diện mạo của nó trên bầu trời đêm.
Tuy nhiên, có hai chỗ hở trong lập luận này. Thứ nhất, theo thuyết tương đối, thời gian trôi chậm đi khi vật chuyển động ở gần tốc độ ánh sáng. Thứ hai, người ta có thể nghĩ ra một phương pháp đông lạnh nào đó để làm chậm tốc độ của sự sống và tăng đáng kể tuổi thọ của con người. Cho dẫu vậy, việc đi ra khỏi thiên hà của chúng ta dường như mãi mãi là không thể và vũ trụ học có thể vẫn chỉ là một môn thể thao có khán giả xem mà thôi.
Hồi một trăm năm trước, người ta thường tin rằng vũ trụ chỉ gồm có Dải Ngân hà. Kích cỡ của thiên hà của chúng ta chỉ bằng mười nghìn lần khoảng cách đến đến ngôi sao gần nhất và bằng hai trăm nghìn lần khoảng cách đến Mặt trời. Do đó, kích cỡ thiên hà là bằng hai tỉ lần (một tỉ là một nghìn triệu) khoảng cách Trái đất đến Mặt trời. Kích cỡ của thiên hà có vẻ tương đối độc lập với thời gian và vì không biết vũ trụ to lớn hơn nhiều so với chỉ một thiên hà, nên trước thập niên 1920 người ta tin rằng bản thân vũ trụ là tĩnh tại, không đang giãn ra cũng không đang co lại.
Khi thuyết tương đối tổng quát được đề xuất vào năm 1915, tình trạng hiểu biết dựa trên quan trắc như thế này đã gây trở ngại đối với cái có thể dự đoán, đó là sự giãn nở tổng thể của vũ trụ. Sự giãn nở này, một đặc điểm quan trọng của vũ trụ và sẽ dẫn chúng ta tới kết luận rằng nó một sự khởi đầu rõ ràng, chỉ trở thành một sự lựa chọn bởi những quan sát muộn hơn sau này trong thập niên 1920.
Giờ chúng ta đi tới bước nhảy cuối cùng trong quy mô khoảng cách. Vũ trụ nhìn thấy hóa ra khoảng chừng bằng bốn trăm nghìn lần kích cỡ của Dải Ngân hà, lớn hơn rất nhiều so với tưởng tượng trước đây. Nghĩa là, không chỉ hệ Mặt trời có kích cỡ có thể bỏ qua so với toàn vũ trụ mà cả Dải Ngân hà cũng thế. Thật vậy, trong vũ trụ học lí thuyết, các thiên hà được xem là những hạt điểm. Và cuộc chạy đua của nhân loại có thể bị hạn chế mãi mãi bên trong một trong những điểm này!
Chúng ta đã thấy rằng kích cỡ của thiên hà là lớn hơn khủng khiếp, gấp hàng tỉ lần, khoảng cách đến Mặt trời. Và rồi vũ trụ nhìn thấy còn lớn hơn nhiều so với một thiên hà, nên để nghiên cứu vũ trụ mỗi thiên hà có thể xem là một cái chấm bên trong nó. Không cần dùng quá nhiều lời, so sánh này đủ để bạn hình dung vũ trụ nhìn thấy to lớn dường nào. Bây giờ chúng tôi sẽ trình bày làm thế nào chúng ta biết được sự giãn nở hiện nay (và có khả năng là bản thân thời gian nữa) có một sự khởi đầu đâu đó chừng 14 tỉ năm về trước.
