从史前时期到现代，人类对空间的理解经历了从简单到复杂的演变。史前的原始探索，古代的基础认识，中世纪的理论探索，直至近现代的科学革命和宇宙观念的重塑，这场漫长、崎岖又无比精彩的探险之旅，正是这本书中所要呈现的。在新月升起的晴朗夜空，我们用肉眼可观测到的星星有几千颗。具体的数字取决于观测者的视觉敏锐度、夜空的晴朗程度、视野的广度以及观测者的位置。
17世纪初，人们依然靠肉眼眺望地平线，就像仰望天空时一样。早在此很久之前，放大镜的出现已经使得人们可以更好地观察近处物体的细节，研究其细微之处的特征。在中世纪时，基于透镜相关原理制成的眼镜被引入欧洲，用于矫正人们的视力缺陷。肉眼可见的许多星星，即使距离我们已经相对较近，但还是比我们祖先想象的要远得多。在我们的书中，“距离”一词已经反复出现多次了，它虽然是一个空间概念，却也体现着人类对自我的探寻。
在古代，我们的先人（且不说年代更为久远的原始人）站在山顶，眺望对面的高地，理所当然地认为它和我们的距离并不遥远——一只小小的麻雀振动翅膀，轻而易举地就可以飞过去。但我们作为两条腿的陆地生物，想要到对面去，就要先下山，或许途中还要穿过激流，然后再攀上另一座山……这可能要耗费整整一天。人们常常凭借经验，用时间来衡量距离。
但是近2000年来，也不乏智者通过线性的、可量化的概念（也就是数学的方法）来衡量距离。19世纪，天文学测量被拓宽到更为广阔的范围，天文单位已经不能满足当时的需要了。赫伯特·霍尔·特纳首先提出了秒差距的概念，用于描述研究中涉及的更大的宇宙距离。1秒差距大约等于21万个天文单位（准确来说是206 265个天文单位），现在我们常常使用秒差距的倍数来表示太阳系以外广袤空间中天体的遥远距离。
天鹅座的主星天津四，是肉眼可见的恒星中离我们最远的之一，它距离我们约500秒差距（1600光年），是日地距离的1亿多倍。也就是说，实际上肉眼可见的宇宙也是很广阔的。再比如，仙女座大星云虽然距离我们有254万光年之遥，但在合适的条件下依然可以用肉眼观测到。几个世纪以来，我们只知道仙女座大星云的存在，却不知道它离我们如此遥远，更不知道它其实和银河系一样都属于星系。
现在我们知道，天上的星星其实远不止我们能看到的几千颗，一些亮度很低的恒星用肉眼是感知不到的，正是伽利略首先用天文望远镜观测到了它们。伽利略还发现，银河系之所以呈现出云雾状态，正是数不清的遥远而暗淡的星辰造成的。从那以来的近4个世纪，为了观测到更加遥远、亮度更低的天体，天文学家们从未停止建造更强大望远镜的步伐。几百年里，我们不无惊奇地发现，无论我们观察得有多远，视界之外总有新事物在等待着我们发现。
随着我们欣赏宇宙的能力的增强，我们对宇宙丰富性的认知也在不断提升。在研究恒星分布以及它们之间距离的过程中，我们也渐渐对银河系的大小和形状有了初步的了解。今天我们知道，银河系呈现为旋涡状，它聚集了上千亿颗恒星，如同一个直径10万光年、厚度1000光年的大圆盘。18世纪末，赫歇尔统计了许多位于不同方位的恒星，旨在研究银河系的形状以及太阳系在银河系中的位置。
在当时的人们看来，银河系其实就构成了全部宇宙，赫歇尔也不例外。尽管他下意识地将太阳系置于“宇宙”（银河系）的中心，却还是正确地得出了银河系的形状——三维圆盘状，用他自己的话说，是“磨盘状”（与此同时，他还对银河系的大小做出了估计，不过估计值要比实际值小很多）。赫歇尔以及来自法国的天文学家查尔斯·梅西耶还对望远镜视野中可见的星云进行了系统编目。
其实，早在1750年，托马斯·赖特就提出：这些星云可能是某种“外部创造物”或者“宇宙岛”（这一观点后来被著名哲学家康德进一步阐述）。19世纪，随着越来越多先进的望远镜被制造出来，人们对星云的研究也不断深入，可以更好地验证它们究竟是未知的恒星集合，还是一些弥漫在宇宙中的物质。但不管怎么说，当时绝大多数人都认为星云是银河系的一部分。
1845年，威廉·帕森斯（也就是罗斯伯爵三世）制造出了当时世界上最大的天文望远镜——利维坦，它的口径约为1.8米，长度约为16米，能够很好地观测星云的形态，甚至能分辨出部分星云的旋涡状结构。利用利维坦，人们还发现了一些星云上的亮点、带状深色区域以及明亮的细丝。随着天文观测的外部条件越来越成熟，人们渐渐意识到宇宙比当时任何人所想象的都要宽广得多。
在加利福尼亚州利克天文台任职的天文学家希伯·柯蒂斯是最先发觉这一点的人之一。20世纪初，他在仙女座大星云附近观测到了大量新星，它们的亮度大约只有银河系中新星亮度的万分之一。通过对观测数据的分析，柯蒂斯得出结论，仙女座大星云距离我们大约有50万光年之遥（真实距离是该数值的5倍），从空间尺度上看，该星云显然不属于银河系的范围。
在数据的鼓舞下，他再次提出了“宇宙岛”的假设，认为所谓的星云其实是与银河系相似的星系，它们处在银河系之外，距离我们十分遥远。天文学家哈罗·沙普利对这一假设提出了异议。1920年，这两位科学家在华盛顿举办了一场辩论赛，两人就星云的本质和宇宙的大小展开了激烈的争论。然而，关于这一问题的争论并没有持续很久。
1925年，埃德温·哈勃将口径2.5米的胡克望远镜（当时世界上最大的反射望远镜）伸向仙女座大星云以及一些其他星云，进而发现了许多造父变星。通过测量造父变星的光变周期，他计算得出了造父变星的绝对星等（代表其固有的亮度），然后将其与视星等（我们观测到的亮度）做比较，最终得出了仙女座大星云等星云与我们之间的距离。结果证明柯蒂斯的观点是正确的，这场争论也就此画上了一个圆满的句号。
就这样，人类对宇宙大小的认识又一次得到了修正。宇宙的规模扩大了上亿倍，银河系也不再是孤立存在的了，就像在此100多年前赖特和康德所设想的一样，宇宙中有数不清的其他星系与银河系并存。撇开20世纪下半叶兴起的多重宇宙论不谈，单单是证明银河系外还有无数遥远而明亮的其他星系，就已经构成了人类宇宙认知史上的一大飞跃。
哈勃以及赫马森对星云（现在更名为星系）的系统化研究为后来的宇宙膨胀模型和大爆炸理论奠定了基础。首先提出宇宙膨胀模型的是比利时天文学家、教会神甫勒梅特，他的观点综合了爱因斯坦的广义相对论和维斯托·斯里弗最初的光谱学研究成果。斯里弗观察了一些旋涡星云（星系）的光谱，发现其中原子跃迁产生的特征谱线与实验室中的相比，产生了向红端的位移。
就像声波的多普勒效应所揭示的一样，当光谱中显示出的颜色偏红（该现象也因此得名星系红移）时，表明光源正在离我们远去。从此我们认识到，人类生存的空间不仅广袤，而且是动态的，其性质也在发生变化。广义相对论指出，时间和空间这两个在当时毫不相干的概念其实有着密不可分的联系。而在量子力学中，普朗克长度告诉我们，距离这一概念也是受到限制的。从18世纪末到20世纪末，人类对宇宙的认识发生了翻天覆地的变化。
一开始，人们认为宇宙静止不变，直径只有10万光年。只用了大约200年，人们便意识到宇宙诞生于大约140亿年前，直径约为930亿光年（从诞生以来一直在膨胀），由数千亿个星系组成，且在未来规模还将不断扩大。