重复一遍：我们对于遥远宇宙的一切了解，都来自我们所见到的光。
要解开它所携带的信息，理解其背后所隐藏的秘密，我们就需要知道光究竟能够携带什么信息，以及它如何与它在太空旅途中遇到的物质及其基本构件——原子——之间的相互作用。
在本书后一部分，你将进入原子，去看看我们所知道的一切物质的基本构件是什么样子的，但是现在，让我们把原子描述成一个球形的原子核被其转动的电子所围绕就行了。这些电子在原子核周围形成分层。
人们很容易把这幅图景想象成行星围绕恒星的旋转运动，但这是错误的——在英语里，电子绕着原子核旋转的轨道的术语是orbital，而非行星轨道的orbit。
只要速度合适，理论上行星可以在任意距离的轨道上围绕其恒星运行，但对于电子来说基本上不是这样。与行星轨道相反，电子轨道被电子禁入区所分隔，在这些区域内电子无法存在。不过，电子可以轻易地——甚至是自发地——跨越这些禁入区，从一个轨道跳跃到另外一个轨道。
然而，电子实现跃迁并不是不付出代价的。
电子从一个轨道转换到另一个轨道，要么必须吸收能量，要么必须释放能量。
电子离原子核越远，其所携带的能量就越高。因此当一个电子从离原子核较近的轨道跳跃到另一个较远的轨道时，它必须吸收一些能量，就像一只热气球必须加足火焰以供应更多热气才能升到天空更高的地方那样。
相反，要移到离原子核更近的轨道，电子需要释放一些能量，就像热气球释放一些热气以便飞得离地面更近一些。
那么，这个能量从何而来呢？
它来自光，电子通过吸收或释放光来实现从一个轨道跳跃到另一个轨道。
但并不是任何光都行。
电子需要吸收或释放特定数量的能量，也就是特定的光射线，才能够跨越电子禁入区，从一个轨道转换到另一个轨道。如果光的能量不够，那么电子就无法实现跃迁，只能待在原来的轨道。如果电子被击中的光能量太强，电子就有可能跨越多个禁入区，甚至逃逸原本它们属于的原子。
人类在二十世纪初终于认识到了这一点。
这个发现看似不具有开创性，其实不然。
爱因斯坦（他真的是无处不在）因为在研究不同金属原子时发现了这一点而获得了一九二一年诺贝尔物理学奖。
通过几十年对于所有能找到的原子种类进行实验（与思考），科学家们精确地了解了某种原子内电子从一个轨道跳跃到另一个轨道所需要的能量值。这对我们来说真的是非常非常幸运，因为不同的能量值对应不同的光源，并且利用望远镜，我们自然能够获得来自任何地方的光。
根据这些知识，科学家们可以不用身临其境就推断出遥远的恒星或气态云甚至行星大气的成分。
他们是如何做到这些的呢？让我们来看看。
想象一个理想的光源，其向各个方向释放的光线中含有从最低能级的微波到最高能级的伽玛射线中所有的波长。这个光源产生了一个球状亮团。
如果在离光源某个距离处存在着一个原子，它的电子笼罩在所有波长的光线之下，会疯狂地吸收它所能吸收的能量，从自己所在的轨道跳跃到一个更高能量的轨道上去。如果这种跳跃发生，这个电子就变得兴奋起来。
兴奋？
是的，在英语里“激发”与“兴奋”是同一个单词：excited。
电子就像是在派对中得到了糖果的小孩。要在事后找出孩子们喜欢哪些糖果并不难（只要看看还剩下些什么），同样的道理，你能找出那个原子都吸收了哪些波长的光，只要看看它的影子里少掉了哪些波长就行。那些没有被吸收的光线都顺利通过，你能够相当容易地检测出它们的特征波长。
另一方面，在由各种颜色和其他光线组成的连续彩虹中有几小块颜色变暗，就对应了被原子吸收的波长。这个图表被称为光谱，暗淡的部分被称为吸收线。
科学家们只需要看一眼光谱中缺少了哪些光的波长，就能够知道位于你与光源之间的是哪种原子。
这样，你就有了一种方法，通过光线来了解远处有什么物质而无需亲临其境。
人类使用的所有望远镜至今为止都告诉我们，宇宙中所有的恒星的成分都与太阳，与地球乃至与我们相同。整个宇宙中，一切物质所含的原子与我们的一样。
如果不是这样，我们的望远镜会告诉我们。
统治大自然的定律因此可被认定在各处都成立。
这就是人人认可宇宙第一原则的原因。
多么令人放心！
事实上，这是一个很好的消息，我们可以再看一眼远处的星系，了解它们由什么构成。漂亮吗？它们那些美丽的光谱，充满了缺失的线条，对应于氢、氦，以及……
现在，等一下。
等等。
有些地方不对……
仔细检查一下光谱，发现从远处恒星过来的光谱中缺失的线条的确在那里，但它们的位置不在它们原本应该在的位置……
地球上某些化学元素吸收蓝光激发它们的电子，同样的元素在遥远的星系里，吸收的光线稍微偏绿色一些。
而地球上喜欢黄色的原子在宇宙的其他地方似乎更爱稍带些橙色的光。
这里喜欢橙色的，在那里却喜欢红色的。
为什么？怎么可能这样？
在太空里颜色移动了吗？
还是我们搞错了？
你又看了一遍。这次是另一个遥远的光源。没错，所有的颜色都往红色那边移动。
而且更糟的是，光源离我们越远，它们颜色的偏移就越明显……
该死！原先想得多好！
到底发生了什么？
是不是大自然的定律在宇宙的不同地方终究还是不同的？如果你能在一个类似地球的行星上漫步，而且这颗行星围绕着的恒星也与太阳相似，只是位于十亿光年之外，那里的天空、海洋和蓝宝石是不是绿色的？那里的植物和祖母绿是黄色的，柠檬却是红色的？
不是。
如果你真的旅行到了那里，你会发现那个地球上的景象与我们这里一样，也是一个柠檬是黄色天空是蓝色的世界。我们所观察到的颜色移位不是因为那里的自然定律与我们的不同。真正的原因比这个怀疑更深刻。它甚至改变了整个人类两千多年以来的信念。
你给吉他调过音吗？或者其他弦乐器？你有没有注意到当人们转动调音旋钮时，该音弦上发出的声音会变化？弦绷得越紧，音调越高，对不对？
你刚才在天空中所见到的与调音是同一种现象，只是用光线代替了声音，而音弦也不再是音弦。在太空里，光线并不通过音弦传播，而是通过宇宙构造本身。为了解释你观察到的颜色移动，我们必须考虑宇宙的构造。
为什么？
因为以完全相同的方式影响所有颜色的光线，估计不是光本身的问题，而是它赖以传播的介质。
用调音旋钮拉紧音弦能让它发出声音的音调移向“更高”，这不是因为声音本身发生了变化，而是因为音弦被拉紧了，而且这种效应对于所有泛音都有同样的作用。
现在，想象你能将我们宇宙的构造像吉他弦一样拉紧，每拉紧一些就会让在其中传播的光的波长立刻变“高”。为什么？因为光可以被认为是一种波，拉紧能够增加连续两个波峰之间的距离，也就是波长。蓝色变成绿色，绿色变成黄色，黄色变成红色，依此类推。
在光谱中，意味着宇宙远处所产生的颜色往红色方向移动，它们被“红移”了。