Các obitan đầu tiên của nguyên tử hydro.

Một số lĩnh vực khoa học xem tự nhiên là vật chất chuyển động tuân theo những quy luật nhất định của tự nhiên mà khoa học đang tìm hiểu. Vì lý do đó, nền tảng cơ bản nhất của khoa học được hiểu một cách chung là "vật lý học" – tên gọi mà vẫn có thể nhận ra nó ám chỉ nghiên cứu về tự nhiên.

Vật chất thường được định nghĩa là chất cấu thành nên vật thể vật lý. Nó cấu tạo nên vũ trụ quan sát được. Các thành phần này của vũ trụ hiện được tin là chỉ chiếm 4,9% tổng khối lượng. Phần còn lại 26,8% là vật chất lạnh tối và 68,3% là năng lượng tối.[72] Số liệu chính xác của các thành phần này vẫn chưa được biết rõ và hiện đang được các nhà vật lý nghiên cứu.

Trạng thái của vật chất và năng lượng thông qua việc quan sát được vũ trụ cho thấy chúng tuân theo các định luật vật lý rõ ràng. Các định luật này được áp dụng để thành lập các mô hình vũ trụ đã giải thích thành công cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được. Các biểu thức toán học của các định luật vật lý sử dụng một bộ 12 hằng số vật lý[73] có vẻ như là tĩnh đối với vũ trụ quan sát được.[74] Giá trị của các hằng số này đã được đo đạc cẩn thận nhưng nguyên do để có được các con số này vẫn là điều bí ẩn.

Bên ngoài Trái Đất

NGC 4414 là thiên xà xoắn ốc trong chòm sao Coma Berenices có đường kính khoảng 56.000 năm ánh sáng và cách Trái Đất khoảng 60 triệu năm ánh sáng.Các hành tinh và hành tinh lùn trong hệ Mặt Trời (kích thước theo tỉ lệ, khoảng cách không theo tỉ lệ)

Không gian ngoài thiên thể chỉ vùng không gian tương đối rỗng của vũ trụ bên ngoài khí quyển của các thiên thể. Không có ranh giới rõ ràng giữa khí quyển Trái Đất và không gian ngoài thiên thể, vì áp suất khí quyển giảm từ từ theo độ cao tăng dần. Không gian ngoài thiên thể trong hệ Mặt Trời được gọi là không gian liên hành tinh, nó trải rộng đến không gian liên sao tại nơi được gọi là nhật quyển.

Không gian ngoài thiên thể gồm một số ít các loại vật chất phân tử hữu cơ được phát hiện bởi các sóng quang phổ viba, phông nền bức xạ vũ trụ còn tồn dư sau vụ nổ Big Bang và nguồn gốc của vũ trụ, và các tia vũ trụ chứa các hạt nhân nguyên tử bị ion hóa và nhiều loại hạt hạ nguyên tử khác. Cũng có một số chất khí, plasma và bụi, và các thiên thạch nhỏ. Ngoài ra, các dấu hiệu của sự sống loài người phát vào không gian ngày nay như các loại vật liệu còn lại từ các vật thể có và không người lái từng phóng lên không gian có tiềm năng gây hại cho các tàu vũ trụ. Một số mảnh vỡ này theo định kỳ quay trở lại khí quyển Trái Đất.

Mặc dù Trái Đất hiện là thiên thể duy nhất được biết là có sự sống trong hệ Mặt Trời, các bằng chứng hiện tại cho rằng trong quá khứ xa xôi của Sao Hỏa từng tồn tại các vực nước ở dạng lỏng trên bề mặt của nó.[75] Như vậy, Sao Hỏa cũng có khả năng hỗ trợ sự sống và hiện tại người ta cho rằng vẫn còn nước trên hành tinh này ở dạng băng. Nếu sự sống tồn tại trên Sao Hỏa, nhiều khả năng bên dưới mặt đất của nó nước có thể tồn tại.[76]

Các môi trường của các hành tinh đất đá khác như Sao Thủy và Sao Kim cho thấy khó có khả năng hỗ trợ sự sống. Nhưng con người phỏng đoán rằng Europa, vệ tinh lớn thứ tư của Sao Mộc, có thể có biển nước lỏng bên dưới bề mặt của nó và có tiềm năng hỗ trợ sự sống.[77]

Ngày nay, các nhà thiên văn học đã và đang bắt đầu khám phá các hành tinh giống Trái Đất bên ngoài hệ Mặt Trời – các hành tinh nằm trong vùng có thể định cư trong không gian quanh các ngôi sao, mà chúng có thể hỗ trợ cho sự sống.[78][79]