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循环系统中有血红细胞的参与，这些内部元素仅有7微米长，它大致是一米的十万分之一。它是一张信用卡厚度的1/100，与雾滴的尺度相当，是我们肉眼能见最小尺度（略细于一根头发丝）的1/10。
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血流与血液循环并非医生随着岁月的推移而可以解读的唯一事物，对人类内部结构的探索也没有终结在微米尺度上。从那之后，全新的元素与系统在越来越小的尺度上不断被发现，不管是人体系统，还是无生命的物理系统。
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下到1/10微米的尺度，即一米的一千万分之一，我们可以看到DNA这一编码基因信息的基本生命基石。这个尺度依旧是原子尺度的1000倍，此时分子物理学（即化学）已经开始扮演重要的角色了。即便没有完全被理解，与DNA共同出现的分子层级进程也蕴含于遍布地球的丰富生命广谱之下。DNA分子包含数以百万计的核苷酸，因此无疑它们遵守量子力学所支配的原子规则。
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DNA本身可以被归入很多尺度中。它们具有扭曲的螺旋分子结构，因此人类DNA的总长度可以以米来计量。然而DNA的宽度仅有一微米的2‰，即2纳米。这略小于微处理器上最小的晶体管门电路，后者的大小约为30纳米。单独的核苷酸长度仅有0.33纳米，与水分子尺度的量级差不多。基因的长度是核苷酸的1000～100000倍，对基因最有用的描述牵涉到问题的类型之广远多于单个的核苷酸。因此，DNA在不同的尺度上以不同的方式运作着。关于DNA，科学家们提出了许多问题，并且在不同的尺度上建立了不同的理论。
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在描述小单元共同构成可见的大尺度结构时，生物学与物理学有一些相似之处，然而生物学牵涉的内容远比理解生命系统的个体组分要广泛。生物学的目标更加雄心勃勃。即便我们坚信隐藏在人体工作机理之下的是物理定律，机能性的生物学系统却曲折复杂，它往往有着难以预料的结果。理解这些基本单位与错综复杂的反馈机制非常困难，而当它们以遗传密码的形式组合在一起时，问题就更复杂了。即便我们已经掌握了有关基本单位的知识，解决一些更加复杂的突现科学问题依旧是一件艰深的任务，尤其是那些要为生命负责的问题。
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物理学家也是这样，理解了个体子单位的结构并不意味着能理解更大尺度上的过程，然而大多数物理系统就这些方面而言，比生物学系统简单。即便组合结构可能极为复杂，而且有着与小单位截然不同的特性，反馈机制和演化而来的结构往往并不影响什么。于物理学家而言，找到最简单、最基本的组分才是重要的目的。
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在人体与原子之间
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当我们离开生命系统的机理，“跋山涉水”以寻求能够理解基本物理元素本身的尺度时，我们将立即停在原子尺度，即100皮米（1皮米=10-12 米）上，它大约是一米的一百亿分之一。原子的精确尺度难于确定，因为它包含着永不停息地围绕原子核旋转的电子。但习惯上，我们把电子到原子核的距离称为原子的尺度。
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人们想象出各种解释那些小尺度上物理过程的图景，然而它们必须以类比为基础。我们别无选择，唯有应用我们所熟悉的、日常生活中大尺度上的语言，以描述那些呈现出奇异、反直觉行为的完全不同的结构。
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想以我们最惯常使用的生理学基础，即感官与人类尺度上的手工灵敏度，忠实地画出原子的内景是不可能的。例如，视觉需要借助电磁波组成的光才能使现象变得可见。那些光谱中的光波波长分布在380～750纳米的范围之内，这比尺度仅有1/10纳米的原子要大多了（见图5-2）。
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图5-2 即便与最小的可见光波长相比，一个单独的原子也只是一个微粒而已。
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这意味着，试图以观测可见光的方式直接通过肉眼了解原子的行为，犹如试图戴着拳击手套穿针引线。这些问题牵涉到的波长迫使我们使用那些过度延展的、分辨率永远不够的光波，以将更小尺度上的信息模糊掉。所以从本质上来讲，我们是不可能在字面意义上“看到”夸克甚至质子的——我们没有准确看到那里存在什么的能力。
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然而，混淆我们描绘现象的能力以及我们对其实在性的信心，是科学家们所不能承受的错误。不能看到或者不能在脑海中想象，并不意味着我们不能推断出物理元素或者在那些尺度上正在发生的物理过程。
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从我们假设的原子尺度的优越地位来看，世界会变得无比奇妙，因为这个尺度上的物理定律与以我们熟悉的尺度上适用的物理定律截然不同。原子的世界与人眼可见的物质世界是全然不同的（见图5-3）。
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图5-3 原子由原子核与围绕原子核旋转的电子构成；原子核由带一个单位正电荷的质子与不带电的中子构成。
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人们已经发现的最震撼的事实是，原子内部空无一物（当然，其间存在电磁场，然而实际上并不存在真正的物质）。原子核，即原子的中心，其半径是电子绕其旋转的轨道的万分之一。原子核的平均大小约是10-14 米，即10费米。氢原子核的大小是这个数值的1/10。与原子半径相比时，原子核的大小可以类比为与太阳系相比时，太阳的大小。原子的内部几乎是“空的”。原子核的体积只有原子体积的一万亿分之一。
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这与我们把拳头打在门上或者用吸管饮用冷饮时所见到或者触及到事物时的感觉完全不同。感官让我们相信物质是连续、致密的。然而在原子尺度上，我们发现物质的内部却空空如也。这仅仅是因为我们的感官将小尺度取了平均值，因此物质都看似是连续、致密的。然而，在原子尺度上却并非这样。
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“几乎空无一物”并非原子尺度上事物唯一令人惊奇的特质。曾经在物理学界兴风作浪，今日依旧困扰着物理学家与非物理学家们的事情是：即使是最基本的牛顿物理学的前提假设也在那些小尺度上失效了。物质的波动性与不确定性原理，即量子力学的关键元素之一，对理解原子中的电子是十分关键的。它们并非如我们经常刻画的那样，沿着确定路径的简单曲线运动。根据量子力学，不可能以任意的精确度同时确定一个粒子的位置和动量，这是能够建立物体随时间运动轨迹规律的一个必要前提。由维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）于1926年提出的海森堡不确定性原理告诉我们，已知的位置精确度限制了人们能测量到的动量最大精确度。[20] 如果电子拥有经典意义上的轨道，我们就能同时精确地知道它的速率和运动方向，进而得知它在任意时刻的位置，而这与海森堡不确定性原理相悖。
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量子力学告诉我们，在原子中，电子并不占据任何我们在经典图景中所主张的确定位置。取而代之的是概率分布的描述，它告诉了我们电子在原子空间中任意一点出现的概率，而这是我们能得知的全部信息。我们可以求出电子的坐标随时间变化函数的平均值，然而任何特定的测量都受不确定性原理的支配。
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请牢记，这些概率分布并不是随意的。电子不可能具有任意的能标或者概率分布。没有适用于描述电子轨道的经典方法，它只能用概率论的术语来描述，然而这些概率分布却是精确的函数。应用量子力学，我们可以写出电子波函数的解，它可以告诉我们在空间中任意一点电子出现的概率。
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另一个在经典牛顿物理学视角看来不可思议的原子性质是，原子中的电子只能占据固定的、量子化的能标。电子轨道仅仅被它的能量所决定[21] ，那些特定的能标与相伴的概率必须符合量子力学的规则。
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电子的量子化层级对理解原子而言很重要。20世纪早期，一条促使经典规则发生根本性变化的线索是：在经典图景下，电子围绕着原子核旋转的结构是不稳定的。电子会在旋转中不断辐射能量，并很快掉入原子核中。这不仅与实际原子的情况不符，更不可能允许稳定原子的存在以产生我们所知的物质结构。