An einem Augustabend 1864 richtete der englische Amateurastronom William Huggins sein Spektroskop auf den planetarischen Nebel NGC 6543 und sah statt des kontinuierlichen Spektrums eines Sterns drei helle Emissionslinien vor dunklem Grund. Der Nebel war glühendes Gas, nicht unaufgelöste Sterne — doch die Linien widersetzten sich einer leichten Deutung: Eine konnte Huggins dem Wasserstoff zuordnen, während die beiden hellsten jahrzehntelang unbestimmt blieben, einem vermeintlichen Element „Nebulium“ zugeschrieben und erst 1928 als verbotene Linien von zweifach ionisiertem Sauerstoff erkannt. Zwei Jahre zuvor hatten Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen in Heidelberg verkündet, jedes Element erzeuge sein eigenes charakteristisches Muster von Spektrallinien — einen Fingerabdruck im Licht. Cecilia Payne-Gaposchkin nutzte 1925 in ihrer Dissertation die neue Quantentheorie der Atomspektren, um stellare Absorptionslinien zu lesen, und schloss, die Sonne bestehe überwältigend aus Wasserstoff und Helium — ein Ergebnis, das der herrschenden Überzeugung so sehr widersprach, dass ihr Betreuer Henry Norris Russell sie drängte, es abzumildern, und ihr später recht gab.
Verschiedene Frequenzen elektromagnetischer Strahlung ertasten verschiedene physikalische Vorgänge in der Materie, und die Quantenmechanik schreibt vor, dass Atome und Moleküle diskrete Energiezustände besitzen: Übergänge zwischen Zuständen absorbieren oder emittieren Photonen mit einer Energie gleich der Lücke (ΔE = hν). Jede Art von Übergang belegt einen anderen Energiebereich, was jedem spektroskopischen Verfahren seine charakteristische Information gibt. Rotationsübergänge liegen im Mikrowellenbereich, Schwingungsübergänge im Infraroten, valenzelektronische im UV-sichtbaren, kernnahe elektronische im Röntgenbereich, nukleare im Gammabereich. Das Infrarot erkennt funktionelle Gruppen an ihren charakteristischen Streckschwingungen; das UV-sichtbare ist das Zugpferd für Chromophore und Übergangsmetallkomplexe; die Röntgenfluoreszenz identifiziert Elemente; die Röntgenbeugung bestimmt Kristallstrukturen brief 281; die Radioastronomie hat über 250 verschiedene Moleküle in interstellaren Wolken über ihre Mikrowellen-Rotationslinien nachgewiesen. Zwei Verfahren ragen für die organische Chemie und die Biologie heraus. Die NMR-Spektroskopie — Übergänge des Kernspins in einem starken Magnetfeld — ist das mächtigste Einzelwerkzeug zur Bestimmung der Molekülstruktur in Lösung; der Nobelpreis 1991 an Richard Ernst würdigte die Fourier-Transform-NMR, der Nobelpreis 2002 an Kurt Wüthrich dehnte sie auf die Proteinstruktur aus. Die Massenspektrometrie — die Ionisierung erzeugt Ionen in der Gasphase, Massenanalysatoren trennen sie nach m/z — brachte John Fenn und Koichi Tanaka den Chemie-Nobelpreis 2002 für ihre ESI- und MALDI-Verfahren ein, die sie für biologische Moleküle zur Routine machten. Die astronomische Spektroskopie dehnt dieselbe Physik auf extreme Entfernungen aus: Die Dopplerverschiebung verrät die Radialgeschwindigkeit von Exoplaneten; die Transmissionsspektroskopie transitierender Exoplaneten identifiziert atmosphärische Moleküle.
Die Spektroskopie ist das operative Rückgrat der modernen Chemie, Biologie, Materialwissenschaft und Astronomie. NMR und Massenspektrometrie bestimmen zusammen praktisch jede neue in der Chemie veröffentlichte Molekülstruktur. Die Protein Data Bank enthält über 250.000 Einträge, die Cambridge Structural Database über eine Million — das Korpus, an dem AlphaFold trainiert wurde. Die hyperspektrale Bildgebung dient der landwirtschaftlichen Überwachung, der kunsttechnologischen Analyse (die Unterzeichnungen sichtbar macht, ohne Proben zu nehmen), der ökologischen Fernerkundung (Methanfahnen aus Satelliten) und der chirurgischen Gewebeunterscheidung. Die Einzelmolekülspektroskopie arbeitet mit Empfindlichkeiten, die die Begründer für unmöglich gehalten hätten, und beobachtet einzelne Proteine in Echtzeit beim Falten. Die atmosphärische Spektroskopie — die satellitengestützte Fernerkundung von Treibhausgasen — ist das operative Rückgrat der heutigen Klimaüberwachung; das JWST dehnt dieselben Techniken auf die Biosignaturen von Exoplaneten aus.