人类已经有能力认识周围的世界，事实上，这种认识对人类——甚至是任何物种都至关重要。很久以来，人们一直认为包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉在内的这五种感觉已经足够应对外部世界。然而，如果我们认为人类是为了努力存活下来，才进化出了这些感觉，那么还有非常重要的第六感觉，即痛觉，可以反映出我们身体的内部环境。实际上，也许还有另一种感觉，即时间的流逝感。这种感觉一直以来是隐藏的，提醒我们生命并非永恒，但如今，这种感觉似乎每天都表现出来。本书中，时间与我们产生的很多想法都有重大关系，因为在没有任何帮助的情况下，我们无法欣赏到在极短和极长的一段时间内发生的动作是如何的重要和美丽。
大多数人类都有完整的感觉，与视觉和听觉相关的器官位于身体的高处，方便我们看得更
远，听得更广。眼睛和耳朵是成对存在的，这样我们就拥有了三维的视野和能感知方向的听力，二者协调工作，每分每秒都在完善我们对于地点和空间的感知，使我们能对周围的环境做出反应。和别的生物相比，我们的感觉不算敏锐，但是却和大脑这个复杂精密的信号处理系统相连。
在人体中，大脑这个器官不仅关系着生命的基本要素，同时也神奇般地从各种感觉中所提供的信号里产生了自我意识和知觉。拥有庞大处理能力的大脑处理传入信息的途径，则与“生存”之间的关系微乎其微，比如对美的欣赏。而正是同一个大脑帮我们创造了艺术和科学。艺术与美感是本书中图像的基础，并且是贯穿始终的主题。书中的很多照片所展示的地点和事物，由于某些原因，是无法直接欣赏到的。有些照片的主体体积太小或者运动速度太快，以至于我们根本注意不到；而一些则十分巨大和遥远，出现时间相当长。寻根究底去探索这些事物，完全出于人类在科学的进程中形成的好奇心，但是探索之后得到的这些图像，总是超乎寻常地美丽，也让人受益匪浅。
尽管人体的所有感觉组合在一起才形成了人类的经验，但向大脑传达信息最丰富多样的还
是眼睛。视觉图像不过就是一张瞬间快相，随着眼睛掠过不同场景，这张快相在每一秒内都要刷新许多次。视觉能在很短时间内提供大量信息。我们的眼睛能分辨出颜色、尺寸、形状、花纹、亮度和其他许多信息，帮助我们建立起视觉感观，也可能会有感官质量和实际用途。眼睛可以促使大脑在一间拥挤的房间中立即辨别出熟人的脸。而这一瞥，也能捕捉到心情和环境，同时传递出友好或警惕。眼睛除了能表达感情之外，感知光线的能力也是一流，使人类仅在星光的闪烁下就能看到地球表面。不过，在满月稍强的光亮下，也就是亮度大约比正午阳光弱一百万倍时，我们就可以自由活动。在没有任何帮助的情况下，我们的眼睛可以辨认出 200 万光年以外、与人类生活的银河系差不多大的仙女座星系。同样的一双眼睛，在大约同样短的时间内，就能看到手背上约 20 微米粗的汗毛。
然而，这项不可思议的技能也是有限的。与其他感觉一样，进化后的眼睛能够适应地球环境，也就是一层显然很独特却十分脆弱的空气和水，围绕在温和的黄色恒星附近的岩石行星上。我们的生命被这个恒星，即太阳的光所照亮，所以眼睛对黄绿光最敏感绝对不是偶然，因为黄绿光是地面森林的颜色，而我们的祖先早期就住在那里。同时，眼睛对光谱中的蓝光段最不敏感。自然界中很少有蓝色的危险因素，崇拜天空的蓝色也对生存没什么帮助，倒是对绿色和黄色的食物需要仔细辨别。此外，血红色带来的冲击力无疑也是至关重要的信号。与之类似，由于在进化上没有急迫的需求，我们也无法看到星星微弱的颜色，或是比跳蚤更小的东西。大自然总是给予人类最宝贵的天赋。
人眼最多能看到彩虹中所有的色彩，有时甚至比这个范围还小。这些色彩的波长范围从最短（蓝紫光）到最长（红光） 。彩虹中所有的颜色，包括红光和紫光，都来自白光，也能重新组合产生白光。这个发现来自英国一位数学家及物理学家艾萨克 ? 牛顿爵士（1643 － 1727） ，1666 年，牛顿已经揭开了色彩的本质，并给出了对自然界色彩的解释。这里提到的波长，指的是电磁波的波长，而牛顿对电磁波一无所知。可见光只是电磁波谱上很小的一部分，用音乐术语来说的话，可见光的波长仅仅覆盖了小于一个八度的范围。而处于电磁波谱中间，波长为 550 纳米的黄绿光，相当于 C 调中央的位置。 1 纳米及其微小，是 1 米的十亿分之一（10 -9 ） ，但电磁波谱的整个范围非常广——从短波 γ 射线到长波无线电波——这个范围十分惊人，相当于 75 个八度。这些各种各样带有能量的电磁波，物理性质相同，均以光速传播，但各自的特性不同。几乎所有的电磁波对人眼来说都是不可见的，有些甚至对生命是有害的。本书中，我们将拓宽人类相对狭窄的视野，使用摄像及其他一些近些年发展的间接成像技术，展现不可见光中的一部分。
人类无法直接用肉眼看到热量、紫外光、无线电波和 X 射线等，因此无法了解全部的自然世界。不仅如此，更多情况下，自然世界不能全部展现出来的原因，在于有些事物太小、太短暂、太微弱、太遥远，或者是太大而无法被肉眼发现。在这些看不见的世界中，大大小小的层次，都充满了激发人类好奇心与兴趣的东西。不过我们有必要去了解这些隐藏的世界吗？对于日常生活来说，恐怕没有必要，毕竟千秋万代的人类子孙对地球外的宇宙一无所知。在发明望远镜之前，连太阳和月亮都十分神秘。现在我们已经知道，宇宙中存在数十亿个星系，其中每一个都包含无数个像太阳一样的恒星。知道这些，并不会对我们的日常生活造成任何直接影响，但是如果不了解这些的话，我们的知识就变得相当贫乏。
上个世纪，随着高精度显微镜的出现，以及通过其他一些方式，人类能够对极其微小的事物进行研究。正因为如此，人类才懂得蝴蝶的翅膀如何呈现出色彩，能够欣赏到细菌和病毒的存在，也能看到晶体的本质和原子的结构。基于这些发现，人类在医药、计算机芯片、核武器领域发展出各种技术，大大改变了我们的生活方式，尽管这些改变并不都是向着好的方向发展。了解到人类所认识到的最小和最大的实体，能帮助我们在事物的格局中找到自己的位置。更让人惊讶的是，我们发现人类所处的位置，正是我们已知事物里最小和最大的中间。地球（当然也包括人类）不是世界的中心，这一确切的观点最先由 15 世纪的天文学家尼古拉 ? 哥白尼（1473 － 1543）得出，后来又被 17 世纪早期的意大利天文学家伽利略 ? 伽利雷（1564 － 1642）所证实。这些有力的观点为文艺复兴确定了方向，改变了人们的观念，为人类指出通向现代科学的道路。
科学进步让我们注意到了自然世界中各种大小的事物，但是“第七种感觉” ，才真正让我们意识到时间的长河以及我们真切地置身其中。这个意义上的时间几乎是感知不到的，但是我们在一天又一天、一年又一年中能意识到它时间的流逝。从人类这一物种的角度来说，存在时间远远不到 100 万年，但我们生活的这个行星，却已经围绕太阳转了 40 亿年。而整个宇宙产生的时间更久，是地球绕太阳公转时间的 3 倍。
我们仍旧有很多东西要学，也许还有足够的时间。本书中的很多图像都由特殊设备获得，而这些设备是专门用来拓展人眼视力范围并开阔人类思维空间的，其中最重要的就是显微镜和望远镜。尽管人类从很早开始就懂得用曲面玻璃的放大和缩小功能，但将镜片组合到一起的仪器却是 400 年前才出现的。人们经过反复试验，终于制造出了仪器成品，尽管成像效果并不完美，却产生了巨大的影响。现代科学的发展，正是归功于这些早期的光学技术。
光学显微镜可以将附近小范围内通常照明较好的场景，放大到眼睛视网膜或其他光敏探测器中。最早的光学显微镜放大倍数很低，如今最高级的光学仪器放大倍数可以达到 1500 倍。放大率不受技术本身限制，而是受到仪器所使用波长的限制。光学望远镜大约与显微镜出现在同一时期，即 17 世纪早期，二者工作原理相似，但光学望远镜能够采集到大范围的图像，有时甚至是遥远的地方十分微弱的光线下，然后形成缩小像，方便人眼看到或者记录下来。虽然二者都大大拓宽了人类的视野，但只有在与摄影技术结合之后，才让更多的人看到，我们的世界并不只有我们眼睛看到的那样。如果说显微镜和望远镜是科学与技术的结合，那么 19 世纪 40 年代中摄影技术的发明则为艺术地呈现提供了可能。而本书中将要探索的，就是三者的相互作用。
70 年前，显微镜的潜能被开发出来，即利用电子束而非可见光来成像。这项进步10要归功于德国的科学家厄恩斯特 ? 卢斯卡（1906 － 1988） 。电子束能产生比可见光更短的波长，允许显微镜看到小的分子甚至是单个原子。这些在电子光学磁透镜研究上的进展也让扫描电子显微镜的构思成为可能，之后便发展为极具生产性的图像制作机器，用来检测带有诸多精致细节的物体表面，堪称完美。从那以后，扫描显微镜所利用的原理就促进了一系列光学衍生品的诞生，使用到的扫描粒子束包括激光和其他外来的光学混合电子束。在技术高超的人手中，这些现代仪器能够拍摄出十分壮观而精细的图片。如果显微镜工作者还有对于照片的见解，那么这些利用科技所呈现出的图像，也能同时成为艺术品。
在望远镜的发展过程中又形成了另一个类似的分支，不过其动机和机械原理却截然不同。望远镜与双筒镜无疑可以完成地球表面的工作，并且，望远镜最早是因为在军事和航海方面为人类提供了便利而被重视起来。但是只有在天文领域，望远镜才变得不可或缺。与显微镜一样，自从伽利略在 1609 年最早将设备用于探索天空之后，仪表化的改变大大超出了我们的认知。尽管大多数天文望远镜都能照相，但在专业的天文领域，照相并不是望远镜最基本的用途。对天文学家而言，望远镜更像是一个聚光设备，而不是一个照相机；望远镜越大，则能聚集起来更多的光用作分析。很久以前人们发现，大面积的反光镜比透镜更容易制造，所以大部分的望远镜都是反射镜。这其中就包括射电望远镜，当镜头或者普通成像无法适用某些波长时就会被用到。
当然，最大的望远镜还是来自于自然界。大约 100 年前，理论物理学家阿尔伯特 ? 爱因斯坦（1879-1955）预言：看不到的重力能够使光线弯曲。听上去不大可能发生，但这个预言已经很多次找到了依据，其中最富戏剧性的一次是在 1979 年，人们发现在某个相对较近的星系团中意外出现的拱形结构，竟然是视线中位于同一直线的另一个非常遥远的星系扭曲产生的图像，该遥远星系的光线在重力的聚焦作用下被“放大” 。
通常情况下，即便自己愿意，天文学家也无法像显微镜工作者那样能与自己研究的东西互动。相反，他们都是依靠接收的射线所携带的信息来研究与人类生活的生物圈迥异的另一个世界。深邃的太空中展现着惊人的美丽——这些宇宙景观能揭示出非常遥远的地方的化学及物理性质，尽管这些地方可能早就不复存在了。除了各种各样的显微镜和望远镜，人类还有其他办法探索隐藏的世界，通常是使用看不到的电磁波。德国物理学家马克思 ? 冯 ? 劳厄（1879－1960）于 1912 年发明的 X 射线射是一种成像技术，当一束单色 X 射线入射到晶体时，会产生衍射纹样，反映出该晶体内部的分子结构，其精度让任何显微镜都望尘莫及。正是 X 射线衍射让我们发现了 DNA 这一“生命分子”的双螺旋结构。传统的 X 射线照片就是一张简单的射线照片，肌肉和骨骼显示出不同的透明度。不过一些更加复杂的技术，如计算机 X 射线轴向分层造影扫描图（CAT 扫描） ，能够用三维图像十分清楚地显示出人体的内部结构和其他不透明结构。其余的成像技术，如核磁共振（MRI） ，使用强大的磁力来激活人体内的原子释放无线电波并呈像，同样也可以探察到隐藏在皮肤、脂肪或是肌肉下精细的结构。
在另一个不同的频率范围内，超声波束能够穿透身体，在图像中显示出子宫内的胚胎，
