1 規則的宇宙

從最小的粒子到最大的星系，宇宙中的一切無不遵循物理定律所描述的規則。將這些定律寫成公式傳統上是物理學家的工作，而將天體繪制成圖表并歸類的工作是由天文學家完成的。出于這些物理定律在整個宇宙中都應適用的認識，新型的科學家——天體物理學家出現了。天體物理學家運用天文學家的觀測結果和物理學家提出的規則，根據在地面的實驗室中驗證過的物理學定律來解釋宇宙中的物體和現象。

除了被認為是彌散于整個宇宙中的神秘暗物質外，其他所有可見的物質都是由五種穩定的基本粒子——電子、質子，中子、中微子和光子——組成。也可能存在名為引力子的第六種基本粒子。前三種粒子組成了宇宙中全部的可見物質，另外兩種粒子以及假想的引力子攜帶著由前三種粒子相互作用產生的能量。這些相互作用是由自然力所引起的。總共存在有四種基本力——強核力、弱核力、電磁力和引力。宇宙中任何物體間的相互作用都可以用這四種力來解釋。

遙望星空

眼睛是人們觀察電磁波譜的聚焦光線、探測大腦進行處理的代望遠鏡被用以聚焦并完成計算前的準備工作。鏡像眼睛一樣使聚焦來自夜空的大部分大型天文使用反射鏡將光焦。使用大型望遠是因為它們能夠小型望遠鏡匯聚更多的光線，使天文學家看清更加模糊的物體。世界上最大的單體望遠鏡是位于夏威夷莫納克亞山的凱克望遠鏡，它有著10米大的光圈。事實上，凱克望遠鏡包括雙子望遠鏡--凱克Ⅰ和凱克Ⅱ。世界上最大的望遠鏡--超大望遠鏡（VLT）位于智利加羅帕拉拿，是一架歐洲設備，它有著四臺8米望遠鏡，能夠協同工作。

為了充分利用這些望遠鏡所有優勢，它們被安放在海拔很高的偏遠地區。它們必須距離城市光源很遠，并且盡量位于所需穿越的大氣層厚度較小的地區，以減少對來自天體的光線的干擾。位于太空中的望遠鏡完全離開了地球的大氣層，能夠提供最清晰的圖像。

使用透鏡的望遠鏡稱為折射式望遠鏡，使用反射鏡的叫做反射式望遠鏡。反射鏡被用于大型望遠鏡上是因為光線能夠在鏡筒中被“折疊”，這意味著它們不需要像折射望遠鏡那么長。牛頓式設計使用一個彎曲的主鏡和一個平坦的副鏡將光線聚集，卡塞格倫式望遠鏡通過使用兩個曲面鏡對它進行了改進。

盡管性能好的望遠鏡能夠在正對天體時給出高質量圖像，但大多數望遠鏡還是不能對天體非直線傳來的光線成功聚焦，例如位于同一視場中的兩個天體，這就是所謂的離軸像差。還有色度光行差和球面光行差等類型。色度光行差是由透鏡無法將不同波長（顏色）的光匯聚到同一個焦點而產生的。這要通過使用兩種或者多種玻璃的復合透鏡糾正。球面光行差對反射鏡和透鏡都有影響，是由于打磨它們曲面的難度造成的。不存在光行差的反射望遠鏡可以通過透鏡和反射鏡的組合構成，它們被稱為鏡面反射。

從地球上看，恒星好像在天空中穿過，這種“天體視動”是由地球的旋轉產生的。如果用一臺望遠鏡對著天空，并拍下看到的圖像，圖像將會是模糊的，因為恒星在夜空中穿過。因此望遠鏡的底座也必須移動來抵消旋轉的影響，保持望遠鏡正對著所關注的目標。最簡單的是地平式裝置，但它需要計算機以跟蹤天體，因為這兩個軸必須被同時立即移動。另一種更好的設計是所謂的赤道式裝置。它們的軸向與赤道和地球旋轉軸對齊，只需要一個發動機來驅動望遠鏡，繞極軸旋轉來跟蹤物體。

其他一些用于天文學的儀器有光度計——被用來測量具有不同波的天體亮度，還有分光計——將光分成可用于研究的光譜。

狹義相對論

狹義相對論由阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出。他在這一理論中給出了對宇宙可觀測特性的最詳盡的數學描述。由于物理定律宇宙普適性，忽略觀測者是處于靜止還是運動，宇宙的這些特性對任何觀測者來說都是一樣的。狹義相對論給出了這么一種解釋——盡管它只適用于觀測者的運動是恒定的。如果觀測者的速度變化（例如受到引力影響），那么必然有一個外力作用于他，這一狀況在愛因斯坦1915年的廣義相對論中被解釋。

狹義相對論有著兩個指導原則。第一條被稱為“相對性原則”，指出運動不是絕對的，只能是相對于其他事物。例如，如果坐在以100千米/小時的速度向西行駛的車上的特技演員攀爬以完全相同速度飛行的飛機上的梯子，飛機相對他就是靜止的。

但是，對于站在地面上的觀測者來說，車輛和梯子上的人確實是以100千米/小時的速度向西運動的。但是如果相同的事件從太陽上或者太陽系中的不受地球引力影響的一點上看，車輛的運動將疊加上地球的自轉和它環繞太陽的運動。

前一個觀測者相對于地球來測量汽車的運動；后者則相對于太陽觀測。但即便是太陽也并不是靜止的：如果觀測者能夠拋開它的引力影響，并且再次測量汽車的運動，那么汽車、梯子、飛機、地球和太陽的運動將是相對于我們星系的星系核的。近幾年，科學家證實了銀河系本身也正在宇宙中運動，因此根據狹義相對論，宇宙中不存在能夠用以觀測的絕對靜止點。

相對性原則也指出：不存在能夠給出某人在空間中的絕對運動的實驗。攀爬移動中的汽車和飛機間的梯子的難度將和它們靜止的時候一樣。只有外部事件比如氣流能夠讓車上的人、飛機或是梯子確定車是在運動還是靜止的。類似的，在地球上不能感受到地球的轉動，這只能通過外部事件（太陽在天空中明顯的運動）作為參照被觀測到。

第二條前提性假設是：當所有的其他運動都是相對于一個觀測點時，光的速度是絕對的并且恒定的。19世紀90年代的實驗表明：光速不論實驗在測量時具有多快的移動速度，始終保持不變。愛因斯坦聲稱他在推導狹義相對論時并沒有意料到這一結論。

愛因斯坦發現兩個相對運動中的觀測者會得到關于長度、時間、速度、質量、動量和能量的不同觀測結果，這些不同隨著速度的增加而增大。

這兩個原則的另兩個重要推論由愛因斯坦得出。第一條是沒有任何物體能以超越光速的速度穿過空間，因為在那樣的速度下，它的質量將變為無窮大。第二條是質量是能量的體現。當太空飛船接近光速，它的質量增加，用以加速的能量轉化為它的質量。這一質量和能量的關系式在愛因斯坦的著名等式：E=mc2（能量等于質量乘以光速的平方）中體現。

不相容和測不準

原子周圍的電子更傾向以量子態存在而不是存在于軌道上，這是因為每個電子都擁有其獨一無二的量子態，由它的能量、角動量和自旋等特性所定義。電子根據所含的能量聚集成群，被稱為電子殼。在這些電子殼中，電子按照它們的角動量又分組為子殼。最后，電子也具有自旋，這指示了電子的磁場的方向。

不存在圍繞任意原子的具有相同量子態的兩個電子，使它們具有相同的量子態就像是兩個物體嘗試占據桌面的同一個物理空間一樣。例如，如果環繞某個原子核的兩個電子有著相同的能量和角動量，那么它們的自旋肯定不同，這樣它們這種不處于相同的量子態上。

這種電子在特定狀態上的不相容性就是泡利不相容原理（以奧地利裔瑞士物理學家沃爾夫岡·泡利[1900～1958]的名字命名）。因為電子被限制在特定的量子態中，這就給原子的結構下了明確的定義。這一結構決定了原子的行為方式。總之，這導致了宇宙中大部分的物理現象的產生。

不相容原理給出了電子環繞原子核的確定規則，但另一個原理建立了它們位置和動量的不確定性。測不準原理是基于波粒二象性的：粒子占據了空間中一個確定的位置，而波通常被認為是被拉伸的物體蜿蜒穿過空間。通過簡單的數學計算，德國物理學家沃納·海森堡（1901～1976）說明定位波的一個部分--波包是可能的，它將被看作是一種粒子：光子。另一個例子是德布羅意對于電子的表述。但是定位只是在一定的精度上的，同時確切知道一個波包或者一個粒子的位置和它的運動方向是不可能的。粒子的位置被測量得越準，它運動的細節能夠被知道的也就越少。粒子因此仍顯得有些神秘。

測不準原理是位于最小尺度上的宇宙的基礎特征。時間和能量的量同樣與測不準原理相關。將能量具體化為質量的粒子能夠存在一定的時間，由能量的量的乘積得出的生命周期不超過普朗克常數。這就是測不準原理解釋虛粒子如何短暫存在的問題的方面。