重複一遍：我們對於遙遠宇宙的一切瞭解，都來自我們所見到的光。
要解開它所攜帶的資訊，理解其背後所隱藏的秘密，我們就需要知道光究竟能夠攜帶什麼資訊，以及它如何與它在太空旅途中遇到的物質及其基本構件——原子——之間的相互作用。
在本書後一部分，你將進入原子，去看看我們所知道的一切物質的基本構件是什麼樣子的，但是現在，讓我們把原子描述成一個球形的原子核被其轉動的電子所圍繞就行了。這些電子在原子核周圍形成分層。
人們很容易把這幅圖景想象成行星圍繞恆星的旋轉運動，但這是錯誤的——在英語裡，電子繞著原子核旋轉的軌道的術語是orbital，而非行星軌道的orbit。
只要速度合適，理論上行星可以在任意距離的軌道上圍繞其恆星執行，但對於電子來說基本上不是這樣。與行星軌道相反，電子軌道被電子禁入區所分隔，在這些區域內電子無法存在。不過，電子可以輕易地——甚至是自發地——跨越這些禁入區，從一個軌道跳躍到另外一個軌道。
然而，電子實現躍遷並不是不付出代價的。
電子從一個軌道轉換到另一個軌道，要麼必須吸收能量，要麼必須釋放能量。
電子離原子核越遠，其所攜帶的能量就越高。因此當一個電子從離原子核較近的軌道跳躍到另一個較遠的軌道時，它必須吸收一些能量，就像一隻熱氣球必須加足火焰以供應更多熱氣才能升到天空更高的地方那樣。
相反，要移到離原子核更近的軌道，電子需要釋放一些能量，就像熱氣球釋放一些熱氣以便飛得離地面更近一些。
那麼，這個能量從何而來呢？
它來自光，電子通過吸收或釋放光來實現從一個軌道跳躍到另一個軌道。
但並不是任何光都行。
電子需要吸收或釋放特定數量的能量，也就是特定的光射線，才能夠跨越電子禁入區，從一個軌道轉換到另一個軌道。如果光的能量不夠，那麼電子就無法實現躍遷，只能待在原來的軌道。如果電子被擊中的光能量太強，電子就有可能跨越多個禁入區，甚至逃逸原本它們屬於的原子。
人類在二十世紀初終於認識到了這一點。
這個發現看似不具有開創性，其實不然。
愛因斯坦（他真的是無處不在）因為在研究不同金屬原子時發現了這一點而獲得了一九二一年諾貝爾物理學獎。
通過幾十年對於所有能找到的原子種類進行實驗（與思考），科學家們精確地瞭解了某種原子內電子從一個軌道跳躍到另一個軌道所需要的能量值。這對我們來說真的是非常非常幸運，因為不同的能量值對應不同的光源，並且利用望遠鏡，我們自然能夠獲得來自任何地方的光。
根據這些知識，科學家們可以不用身臨其境就推斷出遙遠的恆星或氣態雲甚至行星大氣的成分。
他們是如何做到這些的呢？讓我們來看看。
想象一個理想的光源，其向各個方向釋放的光線中含有從最低能級的微波到最高能級的伽瑪射線中所有的波長。這個光源產生了一個球狀亮團。
如果在離光源某個距離處存在著一個原子，它的電子籠罩在所有波長的光線之下，會瘋狂地吸收它所能吸收的能量，從自己所在的軌道跳躍到一個更高能量的軌道上去。如果這種跳躍發生，這個電子就變得興奮起來。
興奮？
是的，在英語裡「激發」與「興奮」是同一個單詞：excited。
電子就像是在派對中得到了糖果的小孩。要在事後找出孩子們喜歡哪些糖果並不難（只要看看還剩下些什麼），同樣的道理，你能找出那個原子都吸收了哪些波長的光，只要看看它的影子裡少掉了哪些波長就行。那些沒有被吸收的光線都順利通過，你能夠相當容易地檢測出它們的特徵波長。
另一方面，在由各種顏色和其他光線組成的連續彩虹中有幾小塊顏色變暗，就對應了被原子吸收的波長。這個圖表被稱為光譜，暗淡的部分被稱為吸收線。
科學家們只需要看一眼光譜中缺少了哪些光的波長，就能夠知道位於你與光源之間的是哪種原子。
這樣，你就有了一種方法，通過光線來了解遠處有什麼物質而無需親臨其境。
人類使用的所有望遠鏡至今為止都告訴我們，宇宙中所有的恆星的成分都與太陽，與地球乃至與我們相同。整個宇宙中，一切物質所含的原子與我們的一樣。
如果不是這樣，我們的望遠鏡會告訴我們。
統治大自然的定律因此可被認定在各處都成立。
這就是人人認可宇宙第一原則的原因。
多麼令人放心！
事實上，這是一個很好的訊息，我們可以再看一眼遠處的星系，瞭解它們由什麼構成。漂亮嗎？它們那些美麗的光譜，充滿了缺失的線條，對應於氫、氦，以及……
現在，等一下。
等等。
有些地方不對……
仔細檢查一下光譜，發現從遠處恆星過來的光譜中缺失的線條的確在那裡，但它們的位置不在它們原本應該在的位置……
地球上某些化學元素吸收藍光激發它們的電子，同樣的元素在遙遠的星系裡，吸收的光線稍微偏綠色一些。
而地球上喜歡黃色的原子在宇宙的其他地方似乎更愛稍帶些橙色的光。
這裡喜歡橙色的，在那裡卻喜歡紅色的。
為什麼？怎麼可能這樣？
在太空裡顏色移動了嗎？
還是我們搞錯了？
你又看了一遍。這次是另一個遙遠的光源。沒錯，所有的顏色都往紅色那邊移動。
而且更糟的是，光源離我們越遠，它們顏色的偏移就越明顯……
該死！原先想得多好！
到底發生了什麼？
是不是大自然的定律在宇宙的不同地方終究還是不同的？如果你能在一個類似地球的行星上漫步，而且這顆行星圍繞著的恆星也與太陽相似，只是位於十億光年之外，那裡的天空、海洋和藍寶石是不是綠色的？那裡的植物和祖母綠是黃色的，檸檬卻是紅色的？
不是。
如果你真的旅行到了那裡，你會發現那個地球上的景象與我們這裡一樣，也是一個檸檬是黃色天空是藍色的世界。我們所觀察到的顏色移位不是因為那裡的自然定律與我們的不同。真正的原因比這個懷疑更深刻。它甚至改變了整個人類兩千多年以來的信念。
你給吉他調過音嗎？或者其他絃樂器？你有沒有注意到當人們轉動調音旋鈕時，該音弦上發出的聲音會變化？弦繃得越緊，音調越高，對不對？
你剛才在天空中所見到的與調音是同一種現象，只是用光線代替了聲音，而音弦也不再是音弦。在太空裡，光線並不通過音弦傳播，而是通過宇宙構造本身。為了解釋你觀察到的顏色移動，我們必須考慮宇宙的構造。
為什麼？
因為以完全相同的方式影響所有顏色的光線，估計不是光本身的問題，而是它賴以傳播的介質。
用調音旋鈕拉緊音弦能讓它發出聲音的音調移向「更高」，這不是因為聲音本身發生了變化，而是因為音弦被拉緊了，而且這種效應對於所有泛音都有同樣的作用。
現在，想象你能將我們宇宙的構造像吉他弦一樣拉緊，每拉緊一些就會讓在其中傳播的光的波長立刻變「高」。為什麼？因為光可以被認為是一種波，拉緊能夠增加連續兩個波峰之間的距離，也就是波長。藍色變成綠色，綠色變成黃色，黃色變成紅色，依此類推。
在光譜中，意味著宇宙遠處所產生的顏色往紅色方向移動，它們被「紅移」了。