ticoAg/ChineseCorpus-Kaggle-fanti huggingface dataset:
天文學家間偏好的Uranus發音是，強調第一音節；這是標準英文文學上的發音，相比之下大眾口語發音，強調第二音節而且還有個「長音a」。
在英文的行星名稱，天王星的名稱是唯一取自希臘神話而非羅馬神話的，Uranus被鈾的發現者馬丁·克拉普羅特用來命名在1789年新發現的元素鈾，Uranium。
天王星的天文符號是Astronomical symbol for Uranus，是火星和太陽符號的結合，因為天王星是希臘神話的天空之神，被認為是由太陽和火星聯合的力量所控制的。天王星在占星學上的符號，是拉朗德在1784年建議的。在給赫歇爾的一封信中，拉朗德描述它是“un globe surmonté par la première lettre de votre nom”（圓球的上方放置著您名字的首字母）。由于Uranus是希臘神話中的天神，在中國、日本、韓國、朝鮮和越南這些漢字文化圈國家，人們就將這個星名譯做“天王星”。
哈伯太空望遠鏡的天王星影像，可以看見雲帶、環和一些衛星。
天王星每84個地球年環繞太陽公轉一週，與太陽的平均距離大約30億公里，行星上陽光的強度只有地球的1/400。它的軌道參數在1783年首度被拉普拉斯計算出來，但隨著時間，預測和觀測的位置開始出現誤差。在1841年約翰·柯西·亞當斯首先提出誤差也許可以歸結於一顆尚未被看見的行星的引力作用的結果。在1845年，勒維耶開始獨立地進行天王星軌道的研究；1846年9月23日，迦雷在勒維耶預測位置的附近發現了一顆新行星，稍後被命名為海王星。
天王星內部的自轉週期是17小時又14分，但和所有巨行星一樣，其上部的大氣層朝自轉的方向可以產生非常強的風。實際上，在有些緯度，像是從赤道到南極的2/3路徑上，可以看見移動得非常迅速的大氣，靠近南極地區的風速高達720公里/小時，只要14個小時就能完整的環繞行星一週。
天王星的自轉軸可以說是躺在軌道平面上的，傾斜的角度高達97.77275°，這使它的季節變化完全不同於其他的行星。其它行星的自轉軸相對於太陽系的軌道平面都是朝上的，天王星的轉動則像球的傾倒滾動。當天王星在至點附近時，一個極點會持續的指向太陽，另一個極點則背向太陽。只有在赤道附近狹窄的區域內可以體會到迅速的日夜交替，但太陽的位置非常的低，有如在地球的極區。運行到軌道的另一側時，換成軸的另一極指向太陽；每一個極都會有被太陽持續的照射42年的極晝，而在另外42年則處于極夜。在接近分點時，太陽正對著天王星的赤道，天王星的日夜交替會和其他的行星相似。在2007年12月7日，天王星經過了晝夜平分點。
1902年, 1986年
1923年, 2007年
1944年, 2028年
1965年, 2049年
這種軸的指向帶來的一個結果是，在一年之中，天王星的極區得到來自於太陽的能量多於赤道，不過，天王星的赤道依然比極區熱。導致這種結果的機制仍然未知；天王星異常的轉軸傾斜原因也不知道，但是通常的猜想是在太陽系形成的時候，一顆地球大小的原行星撞擊到天王星，造成的指向的歪斜。在1986年，航海家2號飛掠時，天王星的南極幾乎正對著太陽。標記這個極是南極是基於國際天文聯合會的定義：行星或衛星的北極，是指向太陽系不變平面的上方（不是由自轉的方向來決定）。但是，仍然有不同的協定被使用著：一個天體依據右手定則所定義的自轉方向來決定北極和南極。根據後者的座標系，1986年在陽光下的極則是北極。
從1995至2006年，天王星的視星等在＋5.6至＋5.9等之間，勉強在肉眼可見的＋6.0等之上，它的角直徑在3.4至3.7弧秒；比較土星是16至20弧秒，木星則是32至45弧秒。在衝的時候，天王星可以用肉眼在黑暗、無光污染的天空直接看見，即使在城市中也能輕易的使用雙筒望遠鏡看見。使用物鏡的口徑在15至25公分的大型業餘天文望遠鏡，天王星將呈現蒼白的深藍色盤狀與明顯的周邊昏暗；口徑25公分或更大的，雲的型態和一些大的衛星，像是天衛三和天衛四，都有可能看見。
天王星主要是由巖石與各種成分不同的水冰物質所組成，其組成主要元素為氫（83%），其次為氦（15%）。在許多方面天王星（海王星也是）與大部分都是氣態氫組成的木星與土星不同，其性質比較接近木星與土星的地核部份，而沒有類木行星包圍在外的巨大液態氣體表面（主要是由金屬氫化合物氣體受重力液化形成）。天王星並沒有土星與木星那樣的巖石內核，它的質量平均分佈在整個星球。直接以肉眼觀察，天王星的表面呈現藍綠色，這是因為它的甲烷大氣吸收了大部分的紅色光譜所導致。
地球和天王星大小的比較。
天王星的質量大約是地球的14.5倍，是類木行星中質量最小的，它的密度是1.29公克/公分3只比土星高一些。直徑雖然與海王星相似（大約是地球的4倍），但質量較低。這些數值顯示它主要由各種各樣揮發性物質，例如水、氨和甲烷組成。天王星內部冰的總含量還無法精確的知道，根據選擇模型的不同而有不同的結果，但是總是在地球質量的9.3至13.5倍之間。氫和氦在全體中只佔很小的部份，大約在0.5至1.5地球質量。剩餘的質量（0.5至3.7地球質量）才是巖石物質。
天王星的標準模型結構包括三個層面：在中心是巖石的核，中間是冰的地函，最外面是氫與氦組成的外殼。相較之下核非常的小，只有0.55地球質量，半徑不到天王星的20%；地函則是個龐然大物，質量大約是地球的13.4倍；而最外層的大氣層則相對不明確，大約佔有剩餘20%的半徑，但質量大約只有地球的0.5倍。天王星核的密度大約是9公克/公分3，在核和地函交界處的壓力是8百萬巴和大約5,000K的溫度。冰的地函實際上並不是由一般意義上所謂的冰組成，而是由水、氨和其他揮發性物質組成的熱且稠密的流體。這些流體有高導電性，有時被稱為水-氨的海洋。天王星和海王星的大塊結構與木星和土星相當的不同，冰的成分超越氣體，因此有理由將它們分開另成一類為冰巨行星。
上面所考慮的模型或多或少都是標準的，但不是唯一的，其他的模型也能滿足觀測的結果。例如，如果大量的氫和巖石混合在地函中，則冰的總量就會減少，並且相對的巖石和氫的總量就會提高；目前可利用的數據還不足以讓人們確認哪一種模型才是正確的。天王星內部的流體結構意味著沒有固體表面，氣體的大氣層是逐漸轉變成內部的液體層內。為方便起見，我們可將大氣壓力達到1巴（100千帕）之處定為行星的表面。這個表面形成旋轉的扁球體，其半長軸和半短軸分別是25,559±4和24,973±20公里。
這樣的表面將作為這篇文章中高度的零點。
天王星的內熱看上去明顯的比其他的類木行星為低，在天文的項目中，它是低熱流量。目前仍不了解天王星內部的溫度為何會如此低，大小和成分與天王星像是雙胞胎的海王星，放出至太空中的熱量是得自太陽的2.61倍；相反的，天王星幾乎沒有多出來的熱量被放出。天王星在遠紅外線（也就是熱輻射）的部份釋出的總能量是大氣層吸收自太陽能量的1.06±0.08倍。事實上，天王星的熱流量只有瓦/米2，遠低於地球內的熱流量0.075瓦/米2。天王星對流層頂的溫度最低溫度紀錄只有49K，使天王星成為太陽系溫度最低的行星，比海王星還要冷。
在天王星被超重質量的星體撞擊而造成轉軸極度傾斜的撞擊假說中，也包含了內熱的流失，因此留給天王星一個內熱被耗盡的核心溫度。另一種假說認為在天王星的內部上層有阻止內熱傳達到表面的障礙層存在，例如，對流也許僅發生在一組不同的結構之間，也許禁止熱能向上傳遞。
雖然在天王星的內部沒有明確的固體表面，天王星最外面的氣體包殼，也就是被稱為大氣層的部分，卻很容易以遙感測量。遙感測量的能力可以從1巴（100千帕）之處為起點向下深入至300公里，相當於100 巴（10百萬帕）的大氣壓力和320K的溫度。稀薄的暈從大氣壓力1巴的表面向外延伸擴展至半徑兩倍之處，天王星的大氣層可以分為三層：對流層，從高度-300至50公里，大氣壓100巴至0.1巴；（10百萬帕到10千帕）平流層（同溫層），高度50至4000公里，大氣壓力0.1帕至10?10巴（10千帕到10 μ帕）；和增溫層/暈，從4000公里向上延伸至距離表面50,000公里處。沒有中氣層（散逸層）。
天王星大氣層的成分和天王星整體的成分不同，主要是氫和氦。氦的摩爾分數，例如每摩爾中所含有的氦原子數量，在對流層的上層是，相當於質量百分比。這個數值很接近的原恆星質量百分比。顯示在氣體的巨星中，氦在行星中是不穩定的。在天王星的大氣層中，含量佔第三位的是甲烷。甲烷在可見和近紅外的吸收帶為天王星製造了明顯的藍綠或青色的顏色。在大氣壓力1.3巴（130千帕）的甲烷雲頂之下，甲烷在大氣層中的摩爾分數是2.3%，這個量大約是太陽的20至30倍。混合的比率在大氣層的上層由於極端的低溫，降低了飽合的水準並且造成多餘的甲烷結冰。對低揮發性物質的豐富度，像是氨、水和硫化氫，在大氣層深處的含量所知有限，但是大概也會高於太陽內的含量。除甲烷之外，在天王星的上層大氣層中可以追蹤到各種各樣微量的碳氫化合物，被認為是太陽的紫外線輻射導致甲烷光解產生的。包括乙烷, 乙炔, 甲基乙炔, 聯乙炔。光譜研究也揭露了水蒸汽的蹤影，一氧化碳和二氧化碳在大氣層的上層，但可能只是來自於彗星和其他外部天體的落塵。
天王星大氣層的對流層和平流層低層的溫度曲線圖，數層的雲和霾也表示在圖中。
對流層是大氣層最低和密度最高的部份，溫度隨著高度增加而降低，
溫度從有名無實的底部大約320K，?300公里，降低至53K，高度50公里。在對流層頂實際的最低溫度在49至57K，依在行星上的高度來決定。對流層頂是行星的上升暖氣流輻射遠紅外線最主要的區域，由此處測量到的有效溫度是59.1±0.3K。
對流層應該還有高度複雜的雲系結構，水雲被假設在大氣壓力（5到10百萬帕），氨氫硫化物雲在（2到4百萬帕）的壓力範圍內，氨或氫硫化物雲在3和10巴（0.3到1百萬帕），最後是直接偵測到的甲烷雲在（0.1到0.2百萬帕）。對流層是大氣層內非常生氣蓬勃的部份，展現出強風、明亮的雲彩和季節性的變化，將會在下面討論。
天王星大氣層的中層是平流層，此處的溫度逐漸增加，從對流層頂的53K上升至增溫層底的800至850K。平流層的加熱來自於甲烷和其他碳氫化合物吸收的太陽紫外線和紅外線輻射，甲烷光解的結果形成這部分的大氣層。熱也來自增溫層的傳導。碳氫化合物相對來說只是很窄的一層，高度在100至280公里，相對於氣壓是10至0.1毫巴（1000到10千帕），溫度在75K和170K之間。含量最多的碳氫化合物是乙炔、乙烷、與甲烷，相對於氫的混合比率是。一氧化碳在這個高度上的混合比率相似。更重的碳氫化合物、二氧化碳和水蒸氣，在混合的比率上還要低三個數量級。水的豐度7。乙烷和乙炔在平流層內溫度和高度較低處與對流層頂（低於10毫巴）傾向於凝聚而形成數層陰霾的雲層，這可能是天王星上的雲帶出現的部分原因。然而，碳氫化合物集中在天王星平流層陰霾之上的高度比其他類木行星的高度要顯著的低。
天王星大氣層的最外層是增溫層或暈，有著均勻一致的溫度，大約在800至850K。目前仍不了解是何種熱源支撐著如此的高溫，雖然低效率的冷卻作用和平流層上層的碳氫化合物也能貢獻一些能源，但即使是太陽的遠紫外線和超紫外線輻射，或是極光活動都不足以提供所需的能量。在平流層0.1毫巴氣壓等級以上缺乏碳氫化合物造成微弱的降溫效率可能無可否認地對此有所貢獻。除此之外，氫分子和增溫層與暈擁有大比例的自由氫原子，她們的低分子量和高溫可以解釋為何暈可以從行星擴展至50,000公里，天王星半徑的兩倍遠。這個延伸的暈是天王星的一個獨特的特點。他的作用包括阻尼環繞天王星的小顆粒，導致一些天王星環中塵粒的耗損。天王星的增溫層和平流層的上層對應著天王星的電離層。觀測顯示電離層佔據2,000至10,000公里的高度。天王星電離層的密度比土星或海王星高，這可能肇因於碳氫化合物在平流層低處的集中。電離層是承受太陽紫外線輻射的主要區域，它的密度也依據太陽活動而改變。極光活動不如木星和土星的明顯。
天王星的環。最外層是明亮的ε環，還可以看見另外的9個環。
天王星環系統。
天王星有個複雜的行星環系統，它是太陽系中繼土星環之後發現第二個環系統。該環由大小毫米到幾米的極端黑暗粒狀物質組成。目前已知天王星環有13個圓環，其中最明亮的是ε環。所有天王星行星環除兩個以外皆極度狹窄–通常只有幾公里寬。天王星環大概還相當年輕；動力學分析指出它們不是與天王星同時形成的。環中的物質可能來自被高速撞擊或潮汐力粉碎的衛星。而來自這些撞擊結果形成的眾多碎片中，只有少數幾片留存在對應到現今的環的有限數量穩定區域裡。
威廉·赫歇耳聲稱他曾經在1789年看見天王星環，然而這是值得懷疑的，首先該環相當的黯淡，而且隨後的兩個世紀沒有一個觀測者曾經注意到環的存在。儘管如此，赫歇耳正確的描述了ε環大小、其相對於地球間的角度、色澤為紅、以及它隨天王星繞行太陽造成顯著變化。環確實的發現日期是1977年3月10日，在詹姆斯·L.·艾略特、愛德華·W.·杜漢、和道格拉斯·J.·明克透過柯伊伯機載天文臺觀測時意外的發現。他們原本的計畫是觀測天王星掩蔽SAO 158687以研究天王星的大氣層。然而，當他們分析觀測的資料時，他們發現在行星掩蔽的前後，這顆恆星都曾經短暫的消失了五次。他們認為，必須有個環系統圍繞著行星才能解釋。後來他們又偵測到四個額外的環。航海家2號在1986年飛掠過天王星時，直接拍下了這些環。航海家2號也發現了兩圈新的黯淡光環，使環的數量增加到11圈。
在2005年12月，哈伯太空望遠鏡偵測到一對早先未曾發現的藍色圓環。最外圍的一圈與天王星的距離比早先知道的環遠了兩倍，因此新發現的環被稱為環系統的外環，使天王星環的數量增加到13圈。哈伯同時也發現了兩顆新的小衛星，其中的天衛二十六還與最外面的環共享軌道。在2006年4月，凱克天文臺公布的新環影像中，外環的一圈是藍色的，另一圈則是紅色的。
關於外環顏色是藍色的一個假說是，它由來自天衛二十六的細小冰微粒組成，因此能散射足夠多的藍光。天王星的內環看起來是呈灰色的。
航海家2號在1986年觀察到的天王星磁場。
在航海家2號抵達之前，天王星的磁層從未被測量過，因此很自然的還保持著神秘。在1986年之前，因為天王星的自轉軸就躺在黃道上，天文學家盼望能根據太陽風測量到天王星的磁場。
航海家的觀測顯示天王星的磁場是奇特的，一則是他不在行星的幾何中心，再者他的磁場軸相對於自轉軸傾斜59°。事實上，磁極從行星的中心偏離往南極達到行星半徑的三分之一。這異常的幾何關係導致一個非常不對稱的磁層，在南半球的表面，磁場的強度低於0.1高斯，而在北半球的強度高達1.1高斯；在表面的平均強度是0.23高斯。相較之下，地球兩極的磁場強度大約是相等的，並且“磁赤道”大致上也與物理上的赤道平行，天王星的偶極矩是地球的50倍。海王星也有一個相似的偏移和傾斜的磁場，因此有人認為這是冰巨星的共同特點。一種假說認為，不同於類地行星和氣體巨星的磁場是由核心內部引發的，冰巨星的磁場是由相對於表面下某一深度的運動引起的，例如水–氨的海洋。
儘管有這樣奇特的準線，天王星的磁層在其他方面與一般的行星相似：在他的前方，位於23個天王星半徑之處有弓形震波，磁層頂在18個天王星半徑處，徹底發展完成的磁尾和輻射帶。綜上所論，天王星的磁層結構不同於木星的，而比較像土星的。天王星的磁尾在天王星的後方延伸至太空中遠達數百萬公里，並且因為行星的自轉被扭曲而斜向一側，像是拔瓶塞的長螺旋桿。
天王星的磁層包含帶電粒子：質子和電子，還有少量的離子，未曾偵測到重離子。許多的這些微粒可能來自大氣層熱的暈內。離子和電子的能量分別可以高達4和1.2百萬電子伏特。在磁層內側的低能量（低於100電子伏特）離子的密度大約是2公分?3。微粒的分布受到天王星衛星強烈的影響，在衛星經過之後，磁層內會留下值得注意的空隙。微粒流量的強度在100,000年的天文學時間尺度下，足以造成衛星表面變暗或是太空風暴。這或許就是造成衛星表面和環均勻一致暗淡的原因。在天王星的兩個磁極附近，有相對算是高度發達的極光，在磁極的附近形成明亮的弧。但是，不同於木星的是，天王星的極光對增溫層的能量平衡似乎是無足輕重的。
近乎天然顏色（左）和在長波下（右）的天王星南半球，顯示出航海家2號在大氣層中看見的微弱雲帶和羽冠。
在紫外線與可見光波段下與其他的氣體巨星，甚至是與相似的海王星比較，天王星的大氣層是非常平靜的。當航海家2號在1986年飛掠過天王星時，總共觀察到了10個橫跨過整個行星的雲帶特徵。有人提出解釋認為這種特徵是天王星的內熱低於其他巨大行星的結果。記錄到天王星對流層頂的最低溫度是49K，比海王星還要冷，使天王星成為太陽系溫度最低的行星（原來最低的冥王星已不再是行星）。
天王星帶狀風的速度。陰影區顯示南半球的“衣領”區和在北半球的對照區。紅色的曲線是對稱且與數據吻合。
2005年的天王星。可以看見環、南半球的“衣領”和北半球明亮的雲彩。
在天王星觀測到的第一個大暗斑。影像是哈伯太空望遠鏡的先進巡天照相機在2006年拍攝的。
在1986年，航海家2號發現可見的天王星南半球可以被細分成兩個區域：明亮的極區和暗淡的赤道帶狀區（參考右圖）。這兩區的分界大約在緯度?45°的附近。一條跨越在?45°至?50°之間的狹窄帶狀物是在行星表面上能夠看見的最亮的大特徵，被稱為南半球的“衣領”。極冠和衣領被認為是甲烷雲密集的區域，位置在大氣壓力1.3至2巴的高度。（見上文）很不幸的是，航海家2號抵達時正值南半球盛夏，且觀察不到北半球的部份。不過，從21世紀開始之際，北半球極區進入視野，哈伯太空望遠鏡和凱克望遠鏡觀測北半球皆找不到“衣領”和極帽。故天王星看起來是不對稱的：靠近南極是明亮的，從南半球的“衣領”以北都是一樣的黑暗。除了大規模的帶狀結構，航海家2號觀察到了10朵小塊的亮雲，多數都躺在“衣領”的北方數度。在1986年看到的天王星，在其他的區域都像是毫無生氣的死寂行星。
然而，在1990年代的觀測，拜高解析度影像技術之賜，亮雲彩特徵的數量有著明顯的增長。他們多數都出現在北半球開始成為可以看見的區域。早期的解釋—認為是明亮的雲彩在行星黑暗的部份比較容易被分辨出來，而在南半球則被明亮的“衣領”掩蓋掉—被證明是錯誤的，實際上特徵數量已確實顯著增加。不過，兩個半球的雲彩是有區別的，北半球的雲彩較小、較尖銳和較明亮。他們看上去都躺在較高的高度。雲彩的生命期有著極大的差異，一些小的只有幾小時，而南半球至少有一個從航海家飛掠過後仍一直存在著。最近的觀察也發現，雖然天王星的氣候較為平靜，但天王星的雲彩有許多特性與海王星相同。例如，在海王星上很普通的大暗斑，在2006年之前從未在天王星上觀測到，而在2006年暗斑特徵首次被拍到。據推測天王星在春秋分時節變得較像海王星。
追蹤這些有特徵的雲彩，可以測量出天王星對流層上方的風是如何在極區咆哮。在赤道的風是退行的，意味著他們吹的方向與自轉的方向相反，他們的速度從?100至?50米/秒。
風速隨著遠離赤道的距離而增加，大約在緯度±20°靜止不動，這兒也是對流層溫度最低之處。再往極區移動，風向也轉成與行星自轉的方向一致，風速則持續增加，在緯度±60°處達到最大值，然後下降至極區減弱為0。在緯度?40°附近，風速從150到200米/秒，因為“衣領”蓋過了所有平行的雲彩，無法測量從哪兒到南極之間的風速。與北半球對照，風速在緯度+50°達到最大值，速度高達240米/秒。
在2004年3月到5月這一短暫期間，很多片大塊雲彩出現在天王星大氣層裡，這讓天王星有著類似海王星般的外觀。觀察到229米/秒（824公里/時）的破表風速，和被稱為“7月4日煙火”的雷雨風暴。 2006年8月23日，科羅拉多州博爾德市太空科學學院和威斯康辛大學的研究員觀察到天王星表面有一個大黑斑，讓天文學家對天王星大氣層的活動有更多的了解。雖然為何這突如其來活動暴漲的發生原因仍未被研究員所明瞭，但是它呈現了天王星極度傾斜的自轉軸所帶來的季節性的氣候變化。要確認這種季節變化的本質是很困難的，因為對天王星大氣層堪用的觀察數據仍少於84年，也就是一個完整的天王星年。雖然已經有了一定數量的發現，光度學的觀測已經累積了半個天王星年（從1950年代起算），在兩個光譜帶上的光度變化已經呈現了規律性的變化，最大值出現在至點，最小值出現在晝夜平分點。從1960年開始的微波觀測，深入對流層的內部，也得到相似的週期變化，最大值也在至點。從1970年代開始對平流層進行的溫度測量也顯示最大值出現在1986年的至日附近。多數的變化相信與可觀察到的幾何變化相關。
然而，有某些理由相信天王星物理性的季節變化也在發生。當南極區域變得明亮時，北極相對的呈現黑暗，這與上述概要性的季節變化模型是不符合的。在1944年抵達北半球的至點之前，天王星亮度急遽提升，顯示北極不是永遠黑暗的。這個現象意味著可以看見的極區在至日之前開始變亮，並且在晝夜平分點之後開始變暗。詳細的分析可見光和微波的資料，顯示亮度的變化週期在至點的附近不是完全的對稱，這也顯示出在子午圈上反照率變化的模式。最後，在1990年代，在天王星離開至點的時期，哈伯太空望遠鏡和地基的望遠鏡顯示南極冠出現可以察覺的變暗（南半球的“衣領”除外，它依然明亮），同時，北半球的活動也證實是增強了，例如雲彩的形成和更強的風，支持期望的亮度增加應該很快就會開始。
目前對天王星物理變化的機制還不是很清楚，在接近夏天和冬天的至點，天王星的一個半球沐浴在陽光之下，另一個半球則對向幽暗的深空。受光半球的明亮曾被認為是對流層裡來自甲烷雲與陰霾層局部增厚的結果。在緯度?45°的明亮“衣領”也與甲烷雲有所關聯。在南半球極區的其他變化，也可以用低層雲的變化來解釋。來自天王星微波發射譜線上的變化，或許是在對流層深處的循環變化造成的，因為厚實的極區雲彩和陰霾可能會阻礙對流。現在，天王星春天和秋天的晝夜平分點即將來臨，動力學上的改變和對流可能會再發生。
有些論點認為氣體巨星和冰巨星在形成的時候就有差異存在，太陽系的誕生應該開始於一個氣體和塵土構成的巨大轉動的球體，也就是前太陽星雲。當它凝聚時逐漸形成盤狀，在中心的崩塌形成了太陽。多數的星雲氣體，主要是氫和氦，形成了太陽；同時，顆粒的塵土集合形成了第一顆原行星。隨著行星的成長，有些行星累積到足夠的質量，能夠凝聚星雲中殘餘的氣體。聚集越多的氣體，使它們變得越大；它們變得越大，就越能聚集氣體，直到達到一個關鍵的點，使它們開始以指數的增長。冰巨星所有的星雲氣體只有幾個地球的質量大小，未能達到這個臨界點。目前的太陽系形成理論在計算遠離木星土星的天王星和海王星上遭遇了困難。他們塊頭過大，以至於無法在那個距離上取得足夠的材料來形成。相反的，某些科學家認為這兩顆行星是在離太陽較近的位置形成之後，才被木星驅趕到外面的。然而，近來越來越多將行星漂移計算在內的摹擬，似乎已能在他們現存的位置上形成天王星和海王星。
目前已知天王星有27顆天然的衛星，這些衛星的名稱都出自莎士比亞和蒲柏的歌劇中。五顆主要衛星的名稱是“米蘭達”（天衛五）、“艾瑞爾”（天衛一）、“烏姆柏里厄爾”（天衛二）、“泰坦尼亞”（天衛三）和“歐貝隆”（天衛四）。第一顆和第二顆（天衛三和天衛四）是威廉·赫歇耳在1787年3月13日發現的，另外兩顆天衛一和天衛二是在1851年被威廉·拉索爾發現的。在1852年，威廉·赫歇耳的兒子約翰·赫歇耳才為這四顆衛星命名。到了1948年杰拉德·柯伊伯發現第五顆衛星天衛五。
天王星衛星系統的質量是氣體巨星中最少的，的確，五顆主要衛星的總質量還不到海衛一的一半。最大的衛星，天衛三，半徑788.9公里，還不到月球的一半，但是比土星第二大的衛星土衛五稍大些。這些衛星的反照率相對也較低，天衛二約為0.2，天衛一約為0.35（在綠光）。這些衛星由冰和巖石組成，大約是50%的冰和50%的巖石，冰也許包含氨和二氧化碳。
在這些衛星中，天衛一有著最年輕的表面，上面只有少許的隕石坑；天衛二看起來是最老的。天衛五擁有深達20公里的斷層峽谷，梯田狀的層次和混亂的變化，形成令人混淆的表面年齡和特徵。天衛五過去的地質活動被認為是在某段時候當其軌道比目前更偏心時受到潮汐加熱的影響，偏心的原因大概是跟天衛二軌道共振（過去與現在3:1比例）的結果。與地幔上湧並擠入相關的外部加工很可能是天衛五「賽道」般運河的起源。同樣的，天衛一被認為曾經處於與天衛三4:1軌道共振的位置。
航海家2號航向海王星時拍攝的天王星。
在1986年，NASA的航海家2號拜訪了天王星。這次的拜訪是唯一的一次近距離的探測，並且目前也還沒有新的探測計畫。航海家2號在1977年發射，在繼續前往海王星的旅程之前，於1986年1月24日最接近天王星，距離近達81,500公里。航海家2號研究了天王星大氣層的結構和化學組成，發現了10顆新衛星，還研究了天王星因為自轉軸傾斜97.77°所造成的獨特氣候，並觀察了天王星的環系統。他也研究了天王星的磁場：不規則的結構、傾斜的磁軸、和如同拔塞螺絲般扭曲並斜向一側的磁尾。他對最大的五顆衛星做了首度的詳細調查，並研究當時已知的九圈光環，也新發現了兩道光環。
*  NASA太陽系探索提供的
* 2005年發現天王星衛星和環的相關新聞報道：
**  New Moons and Rings found at Uranus, Space.com
**  Two more rings discovered around Uranus, MSNBC
* Project Shum提供的 天王星資料
* 噴氣推進實驗室提供的 天王星圖集
*  Spring Has Sprung on Uranus
2017年8月21日的日全食，由7張不同曝光時間的照片疊加而成
日環食日偏食
2012年5月21日的日環食（左）及2014年10月23日的日偏食（右）
-{zh-hans:日食;zh-hant:日食;zh-hk:日食;}-，又稱-{zh-hans:日蝕;zh-hant:日蝕;zh-hk:日蝕;}-、天狗食日，是一種天文現象，屬於食的一種，只在月球運行至太陽與地球之間時發生。這時，對地球上的部分地區來說，月球位于太陽與地球中間，因此來自太陽的部分或全部光線被擋住，看起來好像是太陽的一部分或全部消失了。日食只在朔，即月球與太陽呈現合的狀態時發生。
日食分為四種，包括日全食、日環食、日偏食和全環食，其中較罕見的是全環食，只發生在地球表面與月球本影尖端非常接近的情形下，這時不同地區會出現日偏食、日全食或日環食其中一種的日食現象。日全食經常吸引許多遊客和天文愛好者特地到海外去觀賞日全食，也會有旅行社推出專門為這些遊客設計的行程。
日食一定發生在朔，即農歷初一當日在中國史書上記錄的日食中有部分發生在晦日，即農歷三十，如《史記·孝文本紀》有“(二年)十一月晦，日有食之。十二月望，日又食”，“三年十月丁酉晦，日有食之”的記錄；《史記·孝景本紀》有“七年十二月晦，日有食之”，“中三年……九月戊戌晦，日食”的記錄。這因為當時的歷法是采用平朔的方法，這種方法沒有考慮到日月的運行差距，定出的歷法存在偏差，真正的新月有時可能會出現在前一月的最后一天或這個月的第二天。所以會出現日食在晦日的情況。隋唐以后歷法采用定朔的方法，將太陽的黃經和月的黃經一致的那一天作為每月的初一，因此隋唐后日食只可能發生于朔，即農歷初一當日。但由於定朔法是以中國地區的時間為基準，受到時差的影響，只有中國地區可觀測的日食，以北京時間為基準，才有日食必定是初一的說法。例如:2001年12月14下午2點發生在中美洲的日環食，是農曆10月30日，並不是初一。}}。此時月球位於地球和太陽之間時，但因地球軌道（黃道）與月球軌道（白道）成5°9′交角，故並非每次朔日皆有日食發生，而日食發生時，日月兩者皆一定在「黃白交點」（升交點或降交點）附近。
《說文》說“日蝕則朔，月蝕則望”，唐代詩人盧仝的詩句“望日蝕月月光滅，朔月掩日日光缺”，即講述月食發生於望，日食發生於朔的道理。
理論上日全食則只發生在月球的近地點。根據計算，月球的近地點與地球的遠日點同時發生時，地球能夠觀看日全食窗口的寬度約208公里，月球的近地點與地球的近日點發生時，地球能夠觀看全日食窗口的寬度約100公里。至於月球在遠地點時，地球每一個角落就都只能觀測到日環食或日偏食。
::太陽比月球寬400倍，但離地球也是400倍遠。由於對稱的緣故，月球的暗影，也就是落在地球表面的陰影，在恰好的距離上時，其寬度正好可以遮住整個太陽。太陽光球完全被月亮遮住，原本明亮的太陽圓盤被黑色的月球陰影遮蓋。然而，也只有在日全食發生時才可能用肉眼觀測到模糊的日冕。日全食只在月球位於近地點時發生，此時月球的本影錐長度較月地之間距離長，本影錐才能掃到地球表面。由於太陽的實際體積比月球大很多，所以日全食通常只能在地球上一塊非常小的區域見到，因為月亮的本影對太陽來說只是一個小點。（在全食區之外，所見的食相是偏食）。最近一次日全食發生於2020年12月14日，下一次的日全食將發生於2021年12月4日。
* 日偏食：中國史書上稱“日有食之，不盡如勾”，造成日偏食的原因是因為觀測者落在月球的半影區中，觀測者會看見一部分的太陽被月球的陰影遮蓋，但另一部分仍繼續發光。太陽和月球只有部分重合，依據兩者中心的視距離遠近（太陽被月球遮蓋的最大直徑）來衡量食的大小。通常日偏食是伴隨著其他食相發生，如日全食或日環食或日全環食。但發生在極區的某些日食會是單純的日偏食（不伴隨其他食相），這是因為月球與黃道面的距離稍遠，只有半影碰到地球表面，最近一次不伴隨其他食相的日偏食發生於2019年1月6日，下一次的不伴隨其他食相的日偏食將發生於2022年4月30日。
* 日環食：當月球處于遠地點時，月球的本影錐不能到達地球；到達地球的是由本影錐延長出的偽本影錐。此時月球的視直徑略小於太陽。因此，這時太陽邊緣的光球仍可見，形成一環繞在月球陰影周圍的亮環。（在環食區之外，所見的食相是偏食）。最近一次日環食發生於2020年6月21日，下一次的日環食將發生於2021年6月10日。
* 全環食：全環食只發生在地球表面與月球本影尖端非常接近，或月球與地球表面的距離和月本影的長度很接近的情形下。由於地球為球體之關係，而本影影錐接觸地球時為日全食（常為在食帶中間），在食帶兩端由於影錐未能接觸地球，致只能有偽本影到達地球之下，所看到的是日環食。所以，當全環食發生時，隨著地月之間的相對運動，會先後出現環食→全食→環食，當然，對于某一個具體的地點來說，在一次日食過程中是不會同時看到全食和環食的。全環食發生機率甚少，最近一次全環食發生於2013年11月3日，下一次的全環食將發生於2023年4月20日。
地球與太陽的距離約是地球與月球距離的四百倍，且太陽的直徑大小也約是月亮直徑大小的四百倍。在理論上，由於這兩個比例相當接近，我們由地球觀測太陽與月球時，兩者的大小應該大略相等，或著說他們的視直徑大約相等──差距應該侷限在0.5弧度左右。然而，由於月球及地球的公轉軌道都大約是橢圓形，造成我們觀測而得的月亮及太陽大小不固定。
日全食和日環食在天文學中稱之為中心食，只要發生中心食，必然會發生日偏食。而當日出時，太陽已被食去（日食已經開始）時，當地發生日出帶食或帶食日出，而日落時太陽還在被食（日食尚未結束）時則稱帶食日落或日落帶食。另外月食有半影月食，但日食沒有半影日食（是偏食）。
日食發生時太陽、月球和地球的位置（不依照實際比例）
1001年至2000年的日全食路徑，顯示地球各處都可以（有機會）看見日全食。這張圖是由50張NASA的日食路徑圖合併而成的。
雖然平均每18個月地球就可以有些地區會發生日全食，但日全食仍是很罕見的。據推算，在任何一個地點須平均要間隔370年才能看見一次日全食。因為月影向東移動的速度超過每小時1700公里，因此日全食在一個地點持續的時間只有幾分鐘。日全食持續的時間不會超過7分31秒，而一般都比較短：每一千年中超過7分鐘的日全食通常都少於10次。上次發生如此長的日全食是在1973年6月30日（7分3秒），利用協和式客機在日全食路徑的月球本影中飛行，將觀察日全食的時間延展到74分鐘。下一次超過7分鐘的日全食要到2150年6月25日才會發生。從西元前3000年至西元5000，這8,000年中，最長的日全食將發生在2186年7月16日，持續的時間為7分29秒。環食中，最長是1955年12月14日，是12分9秒。最短是2014年4月29日，是0.4秒。做為比較，20世紀最長的日全食發生在1955年6月20日，持續了7分8秒。
如果知道一次日食的時間和地點，就有可能利用日食週期推測其他的日食。有兩個已知的週期是沙羅週期（saros）和依內克斯週期（ines）。沙羅週期可能是最明和最精確的一個日食週期，依內克斯週期本身就不是個明確的週期，但是在日食週期的分類上非常有用。在一個沙羅序列完成後，新的序列會晚一個依內克斯週期才開始，它的名稱：in-ex，就是這樣來的。沙羅週期為6,585.3天（比18年略長一些），這意味著經過這個週期會發生幾乎相同的日食，但其中最顯著的差異是經度會偏移120度（由於0.3天的差），緯度也稍有變化。沙羅序列永遠以發生在地球極區的日偏食開始，然後經由一系列的日全食和日環食逐漸越過整個地球，並以日偏食在相對的另一個極區結束。沙羅序列的長度從1226年至1550年不等，序列中會發生69次至87次的食，其中大約40次至60次是中心食。
每年會發生2次至5次的日食，每個食季至少發生一次。自從1582年創始格曆之後，曾發生5次日食的年份有1693、1758、1805、1823、1870、和1935年，下次將出現在2206年。5次日食幾乎都是偏食。
+ 1935年的5次日食
日環食(南)
100pxSaros 111
100pxSaros 149
100pxSaros 116
100pxSaros 154
100pxSaros 121
2008年8月1日日食過程，拍攝于俄羅斯新西伯利亞，拍攝時間間隔為三分鐘
日全食（全環食包含在此）的研究價值遠高於其他幾種日食，因為能完全掩蓋光球的強光，觀測日全食時，人們能直視色球層和日冕等太陽大氣，故觀測日全食是天文學家研究太陽大氣的大好時機。愛因斯坦關于太陽引力能使遠方背景恆星光線偏轉的預言就是通過對日全食的觀測得以進行驗證。在日全食發生時，也是發現水內行星的機會，但到現在皆未能發現水內行星的存在。
倍里珠，攝於2017年8月21日日食食甚前4秒
日食的計算涉及到太陽和月亮運動的準確性，因此古代許多天文學家用它來驗證自己的歷法。1969年還有人利用公元2年以前的25次日食記錄來計算地球自轉速率的長期變化。另在日月食中也發現了沙羅周期。
中國是世界上最早觀測日食的國家之一，從最早關於日食的文字記載至今已有四千多年。記錄於夏代仲康時期（前2137年）的“書經日食”是世界上最早的日食記錄。
漢朝時京房發明以盆盛水觀測日食，從而避免直視太陽被日光灼傷危險。此后有用油代水進一步減輕日光灼傷。元朝郭守敬發明仰儀來測定日食時刻。
日食的天文現象，對於人類有各式各樣的影響，這些影響不僅包括對實際自然環境的改變，也體現在了文化與思想當中。
古時，人們將日食視為不吉祥徵兆，是因為文明缺乏天文學知識或是資訊傳播上的落後，所產生的侷限認知，歷史記載上的神話、民間上的傳說，認為是象徵災難的降臨，而在日食時舉行救日行動之類的儀式。但在現代社會中，這層無科學角度的不合理解釋已逐漸為人們所拋棄（仍有部分國家地區的民眾聽信謠言），只被當作神話當中的日食故事，作為天文愛好者們互相傳遞的會心一笑之故事。
中國：將日食當作是上天的警告，認為是肇因於天狗食日，必須敲鑼打鼓趕走天狗，因此統治者對日食的觀測非常關心，《日蝕說》曰：「日者，太陽之精，人君之象。君道有虧，有陰所乘，故蝕。蝕者，陽不克也。」。據說在夏朝，羲和因為漏報了日食而被斬首。也因此，中國保存了非常完整豐富的日食記錄，記作「日有食之」，最早可推至《詩經·小雅·十月》：「十月之交，朔月辛卯，日有食之，亦孔之丑」。據統計，不包括甲骨文中的日食記錄的話，春秋時期到清代同治十一年（前770年－1874年），有記載的日食共985次（錯誤有8次）。《春秋》記載了36次日食，加上續經1次。有時還有所謂「日再旦」（天亮兩次）的記載。從《乙巳占》上的觀點，李淳風認為，發生日食，是天子失德的表現。日食一般應驗在君死、國亡上，更可以引起兵災、天下大亂、死亡、失地上面。發生災害的性質可以從天象的具體表現判斷出來。日食從上面開始出現，天子行政失誤；日食從旁邊開始出現，將內亂，有大兵起，有更立天子之兆；日食從地下面開始發生，是后妃或大臣自恣太、行為失律所致。
漢朝的中國學者張衡，卻針對日食和月食提出合理的科學解釋，並說明原理，詳見月食和張衡條目。但古時候在傳播資訊上的侷限問題，不見得每個古人都知道。
日本地區：根據日本神話天照大神說，當日食發生之時，代表侍奉太陽神的巫女卑彌呼的靈力消失，會遭到邪馬臺國人民加以殺害。
北歐神話當中，蘇爾（Sol）是太陽的化身，當發生日食的時候，就表示追逐太陽的兇狼斯庫爾（Skoll）追上了蘇爾，這時候地上的人們就會敲鑼打鼓以嚇走天狼。
日食也會對地球環境乃至人類社會的運作產生一定的影響，以下是科學角度認知上的災害：
* 天災方面：造成能見度下降、氣溫降低（沙漠地區最為明顯）、溼度上升，對於交通運輸的生產作業、通信安全（定位衛星斷訊）等，或是某些敏感的動植物會應日食產生不尋常的變化。因此在日食（尤其日全食）期間，受到影響的地區需要調整照明設備以維護交通安全。
* 人禍方面：根據歷史的事件紀錄分析，有發生過有心人士將日食當作時間點的指標，藉由此引起國家動亂、起義戰爭、奪取統治階級的生命等各種意圖的時機。在社會治安上，則會有人刻意散播不實謠言（或者是藉由網路等手法），造成民眾的迷信猜測和心理恐慌等帶來一定影響。
日食觀測眼鏡
在觀測日食時，不應當直接目視太陽，即使是在黃昏或日環食時，刺眼的太陽光（光球）也會引起視網膜破壞而影響視力。如果要直視太陽，需使用保護措施，如專用於目視太陽觀測的濾光片（如巴德膜）、焊接用14號或以上的護目眼鏡。否則可以投影法觀看（如簡單的針孔照相機在紙上成像，或利用望遠鏡把太陽影像投影於白紙上）。以墨水倒影，隔著煙薰黑的玻璃、已曝光的底片（含有銀的黑白底片除外）、太陽眼鏡、偏振光濾鏡等，因為不能過濾紅外線和紫外線，減光效果不佳，皆不安全。直接看很危險。1999年8月11日是20世紀觀看的人最多的。使用日食眼鏡觀測60秒，需休息30秒以上再繼續觀測。
日全食與日環食的完整過程包括五大階段：
# 初虧：因月球自西向東繞地球公轉，當月球東沿相切於太陽西沿，日食正式開始，太陽開始出現虧損。
# 食既：月球繼續向東運行，當東沿相切於太陽東沿時，月球完全落在太陽盤面上，稱為食既。日全食（日環食）開始。
# 食甚：當月球東移至中心與太陽中心重合的位置，日食達到極點，稱為食甚。
# 生光：月球繼續東移，當西沿相切於太陽西沿，太陽開始露出，光芒開始重現，稱為生光。日全食（日環食）結束。
# 復圓：生光後月球遮擋太陽越來越少，當月球西沿相切於太陽東沿，太陽圓盤形狀完全恢復，整個日食過程結束。
下表列出於1900年至2100年最長和最短的日全食和日環食。
最短（食甚持續時間：少於0.5秒）
1955年6月20日（食甚持續時間：7分8秒）
1928年5月19日及2043年4月10日
1955年12月14日（食甚持續時間：12分9秒）
1950年3月18日及2014年4月29日
在考古斷代中，根據歷史中的日食記載，可以幫助精確地確定歷史事件的具體時間，是十分可信的手段。
1919年天文學家亞瑟·愛丁頓利用日食時遮蔽強烈的太陽光線觀察星光被太陽引力扭曲而驗證相對論。
排列在拉西拉天文臺峰頂上的天空。
天文事件是涉及一個或多個天體的天文現象。天文體事件的一些例子有：月球週期性的月相變化、日食和月食、凌日和掩星、行星的衝和合、流星雨、彗星的飛越、分點和至點等等。
* 各類天體位置：如太陽、月球、行星、衛星、小行星等位置
* 天體與地球、太陽的相對位置的更替
** 月球與地球相對位置：朔─上弦─望─下弦、月球過遠（近）地點
** 內行星視運動：上合（外合）─東大距─留─內合（下合）─留─西大距─上合（外合）
** 外行星（小行星）視運動：留─衝日─留─合日
* 天體與天體之間視位置接近，如行星合月、雙（三或更多）星伴月、土星合鬼星團、五星連珠等等。
突發而不能預期的天象：
* 行星表面的現象：火星的沙塵暴、木星的雲帶變化、土星的白斑
* 新星、超新星、甚至彗星撞木星
嚴格來說，太空站凌日或凌月，銥閃光等人造衛星的現象等，雖然不是天文現象，但由於可根據其軌道計算出可見地區和時刻，近年來也成為天文愛好者觀測的對象之一。
須要注意的是，暈、彩虹等這些由大氣或相關大氣衍生的現象，不算是天文現象；在1999年以來，每年皆有民眾甚至傳媒把黃昏（日落前後不久）在西方暮光中看到的明亮的飛機尾跡誤當作為異常明亮的彗星。
德國的，二戰期間用于加密機密郵件。
密碼學可分為古典密碼學和現代密碼學。在西方語文中，密碼學一詞源於希臘語“隱藏的”，和“書寫”。古典密碼學主要關注信息的保密書寫和傳遞，以及與其相對應的破譯方法。而現代密碼學不只關注信息保密問題，還同時涉及信息完整性驗證（消息驗證碼）、信息發布的不可抵賴性（數字簽名）、以及在分布式計算中產生的來源于內部和外部的攻擊的所有信息安全問題。古典密碼學與現代密碼學的重要區別在于，古典密碼學的編碼和破譯通常依賴于設計者和敵手的創造力與技巧，作為一種實用性藝術存在，并沒有對于密碼學原件的清晰定義。而現代密碼學則起源于20世紀末出現的大量相關理論，這些理論使得現代密碼學成為了一種可以系統而嚴格地學習的科學。
密碼學是數學和計算機科學的分支，同時其原理大量涉及信息論。著名的密碼學者羅納德·李維斯特解釋道：「密碼學是關於如何在敵人存在的環境中通訊」，自工程學的角度，這相當于密碼學與純數學的差異。密碼學的發展促進了計算機科學，特別是在於電腦與網路安全所使用的技術，如存取控制與資訊的機密性。密碼學已被應用在日常生活：包括自動柜員機的晶片卡、電腦使用者存取密碼、電子商務等等。
直到現代以前，密碼學幾乎專指加密算法：將普通信息（明文）轉換成難以理解的資料（密文）的過程；解密算法則是其相反的過程：由密文轉換回明文；加解密包含了這兩種算法，一般加密即同時指稱加密與解密的技術。
加解密的具體運作由兩部分決定：一個是算法，另一個是密鑰。密鑰是一個用於加解密算法的秘密參數，通常只有通訊者擁有。歷史上，密鑰通常未經認證或完整性測試而被直接使用在加解密上。
密碼協議是使用密碼技術的通信協議。近代密碼學者多認為除了傳統上的加解密演算法，密碼協議也一樣重要，兩者為密碼學研究的兩大課題。在英文中，“”和“”都可代表密碼學，前者又稱密碼術。但更嚴謹地說，前者指密碼技術的使用，而后者指研究密碼的學門，包含密碼術與密碼分析。密碼分析是研究如何破解密碼學的學門。但在實際使用中，通常都稱密碼學（即），而不具體區分其含義。
編碼：它意指以取代特定的明文。例如，以『蘋果派』替換『拂曉攻擊』。編碼已經不再被使用在嚴謹的密碼學，它在信息論或通訊原理上有更明確的意義。
在漢語口語中，電腦系統或網路使用的個人帳戶通行碼也常被以密碼代稱，雖然通行碼亦屬密碼學研究的範圍，但學術上通行碼與密碼學中所稱的金鑰並不相同，即使兩者間常有密切的關連。
對稱金鑰加密是密碼學中的一種加密法，是以轉換其中一個數字、字母或僅字串隨機字母，一個秘密金鑰會以特定的方式變更訊息里面的文字或字母，例如更換字母相對位置（例如變成）。只要寄件者與收件者知道秘密金鑰，他們可以加密和解密並使用這個資料。
公開金鑰加密（也稱為非對稱加密）是密碼學中的一種加密法，非對稱金鑰，是指一對加密金鑰與解密金鑰，某使用者使用加密金鑰加密後所獲得的資料，只能用該使用者的解密金鑰才能夠解密。如果知道了其中一個，並不能計算出另外一個。因此如果公開了其中一個金鑰，並不會危害到另外一個。因此公開的金鑰為公鑰；不公開的密鑰為私鑰。
數位簽章（又稱公鑰數位簽章、電子簽章）是一種類似寫在紙上的簽名，但是使用了公鑰加密領域的技術實現，用於鑒別數位信息的方法。在網路上，我們可以使用“數位簽章”來進行身份確認。數位簽章是一個獨一無二的數值，若公鑰能通過驗證，那我們就能確定對應的公鑰的正確性，數位簽章兼具這兩種雙重屬性："可確認性"及"不可否認性（不需要筆跡專家驗證）"。
許多物理裝置被用來輔助加密，例如古希臘斯巴達的密碼棒，這是一個協助置換法的圓柱體，可將資訊內字母的次序調動，利用了字條纏繞木棒的方式，把字母進行位移，收信人要使用相同直徑的木棒才能得到還原的資訊。在歐洲中世紀時期，用在某類隱寫術上。
多字元加密法出現後，更多樣的輔助工具出現，如阿伯提發明的密碼盤、特里特米烏斯發明的表格法、以及美國總統湯瑪斯·傑佛遜發明的（約在1900年再次獨立發明改進）。
二十世紀早期，多項加解密機械被發明且被註冊專利，包括最有名的，第二次世界大戰德軍所用，別名『謎』式密碼機（恩尼格瑪密碼機），其加密法是在第一次世界大戰後針對當時破密術所做最好的設計。
二十世紀早期的密碼學本質上主要考慮語言學上的模式。從此之後重心轉移，現在密碼學使用大量的數學，包括資訊理論、計算複雜性理論、統計學、組合學、抽象代數以及數論。密碼學同時也是工程學的分支，但卻是與別不同，因為它必須面對有智能且惡意的對手，大部分其他的工程僅需處理無惡意的自然力量。檢視密碼學問題與量子物理間的關連也是目前熱門的研究。
在近代以前，密碼學只考慮到訊息的機密性：如何將可理解的訊息轉換成難以理解的訊息，並且使得有秘密訊息的人能夠逆向回復，但缺乏秘密訊息的攔截者或竊聽者則無法解讀。近數十年來，這個領域已經擴展到涵蓋身分認證（或稱鑒權）、訊息完整性檢查、數字簽名、互動證明、安全多方計算等各類技術。
古中國周朝兵書《六韜．龍韜》記載了密碼學的運用，其中的《陰符》和《陰書》便記載了周武王問姜子牙關於征戰時與主將通訊的方式：
太公曰：「主與將，有陰符，凡八等。有大勝克敵之符，長一尺。破軍擒將之符，長九寸。降城得邑之符，長八寸。卻敵報遠之符，長七寸。警眾堅守之符，長六寸。請糧益兵之符，長五寸。敗軍亡將之符，長四寸。失利亡士之符，長三寸。諸奉使行符，稽留，若符事聞，泄告者，皆誅之。八符者，主將祕聞，所以陰通言語，不泄中外相知之術。敵雖聖智，莫之能識。」
武王問太公曰：「…符不能明；相去遼遠，言語不通。為之奈何？」
太公曰：「諸有陰事大慮，當用書，不用符。主以書遺將，將以書問主。書皆一合而再離，三發而一知。再離者，分書為三部。三發而一知者，言三人，人操一分，相參而不相知情也。此謂陰書。敵雖聖智，莫之能識。」
陰符是以八等長度的符來表達不同的消息和指令，可算是密碼學中的，把資訊轉變成敵人看不懂的符號。至於陰書則運用了移位法，把書一分為三，分三人傳遞，要把三份書重新拼合才能獲得還原的資訊。
進入宋朝，有字驗的加密方法。
其實在公元前，秘密書信已用於戰爭之中。西洋「史學之父」（pater historiae）希羅多德的《歷史》當中記載了一些最早的秘密書信故事。公元前5世紀，希臘城邦為對抗奴役和侵略，與波斯發生多次衝突和戰爭。於西元前480年，波斯秘密結了強大的軍隊，準備對雅典和斯巴達發動一次突襲。希臘人在波斯的蘇薩城裏看到了這次集結，便利用了一層蠟把木板上的字遮蓋住，送往並告知了希臘人波斯的圖謀。最後，波斯海軍覆沒於雅典附近的。
據說，斯巴達司令派人給前線送一條這樣的腰帶：
指揮官拿到后，把它纏在一條木棍上，得到明文“”，如下：
即每4位取一個字母。其他字母是干擾的。但此傳說并未得到證實，因為故事發生的地點在希臘和波斯，但密文卻是英文。
由於古時多數人並不識字，最早的秘密書寫的形式只用到紙筆或等同物品，隨著識字率提高，就開始需要真正的密碼學了。最古典的兩個加密技巧是：
* ：將字母順序重新排列，例如『』變成『』；與
* 替換式密碼：有系統地將一組字母換成其他字母或符號，例如『』變成『』（每個字母用下一個字母取代）。
這兩種單純的方式都不足以提供足夠的機密性。凱撒密碼是最經典的替代法，據傳由古羅馬帝國的皇帝凱撒所發明，用在與遠方將領的通訊上，每個字母被往後位移三格字母所取代。
加密旨在確保通訊的秘密性，例如間諜、軍事將領、外交人員間的通訊，同時也有宗教上的應用。舉例來說，早期基督徒使用密碼學模糊他們寫作的部份觀點以避免遭受迫害。666年或部分更早期的手稿上的616年是新約聖經啟示錄所指的野獸的數字，常用來暗指專迫害基督徒的古羅馬皇帝尼祿。史上也有部份希伯來文密碼的記載。古印度慾經中也提及愛侶可利用密碼來通信。隱寫術也出現在古代，希羅多德記載將訊息刺青在奴隸的頭皮上，較近代的隱寫術使用隱形墨水、縮影術或數字水印來隱藏訊息。
除了應用於軍事外，西元四世紀婆羅門學者所書的《慾經》4中曾提及到用代替法加密資訊。書中第45項是，用以幫助婦女隱瞞她們與愛郞之間的關係。其中一種方法是把字母隨意配對互換，如套用在羅馬字母中，可有得出下表：
由經典加密法產生的密碼文很容易洩漏關於明文的統計資訊，以現代觀點其實很容易被破解。阿拉伯人津帝便提及到如果要破解加密資訊，可在一篇至少一頁長的文章中數算出每個字母出現的頻率，在加密信件中也數算出每個符號的頻率，然後互相對換，這是頻率分析的前身，此後幾乎所有此類的密碼都馬上被破解。但經典密碼學現在仍未消失，經常出現在謎語之中（見）。這種分析法除了被用在破解密碼法外，也常用於考古學上。在破解古埃及象形文字時便運用了這種解密法。
本質上所有的密碼仍然受到上述的破密法的危害，直到阿伯提約在1467年發明了，阿伯提的創新在於對訊息的不同部分使用不同的代碼，他同時也發明了可能是第一個自動加密器，一個實現他部分想法的轉輪。多字元加密法最典型的例子是維吉尼亞加密法：加密重複使用到一個關鍵字，用哪個字母取代端視輪替到關鍵字的哪個字母而定。儘管如此，多字母加密法仍然受到頻率分析法的部分危害，不過這直到十九世紀中期才被查爾斯·巴貝奇發現。
比較近代的著名的例子可數中世紀蘇格蘭的瑪麗女王、第一次世界大戰德國的齊默爾曼電報和第二次世界大戰的「恩尼格瑪」。
西元1578年，瑪麗女王被伊莉莎白女王軟禁。在1586年1月6日瑪麗收到一批秘密信件，得悉了安東尼·貝平頓（Anthony Babington）的計劃。安東尼和幾個同黨在密謀營救瑪麗，並計劃行刺伊莉莎白女王。他們的信件被轉成密碼，並藏在啤酒桶的木塞以掩人耳目。但卻被英格蘭大臣華興翰（Walsingham）從中截獲、複製、還信入塞，並由菲力普·馬尼斯（Philip van Marnix）破解信件。信件破解後，華興翰使菲力普摹擬瑪麗的筆跡引誘安東尼行動，把叛逆者一網成擒，審判並處死瑪麗女王。問題在於錯誤地使用脆弱的加密法會製造虛假的安全錯覺：安東尼對他們的通訊方式太過有信心，令他的加密方法過於簡單，輕易被敵人破解。
1914年8月25日德國的馬格德堡巡洋艦（Magdeburg）在芬蘭灣（Gulf of Finland）擱淺，俄國搜出多份德國的文件及兩本電碼本，一本被送往英國的「40號房間」（Room 40）進行密碼分析。同時，無線電的發明亦使得截獲密信易如反掌。由於德國通往美國的電纜在大戰開始時被剪斷了，德國借用了美國的海底電纜發電報到華盛頓，但電纜經過了英國，1917年1月17日齊默爾曼電報被「40號房間」截獲。同年2月23日，密電內容揭開了，內容指德國將在1917年2月1日開始『無限制潛艇戰』，用潛艇攻擊戰時包括中立國在內的海上商運船。為了阻止美國因此參戰，德國建議墨西哥入侵美國，並承諾幫助墨西哥從美國手中奪回得克薩斯、新墨西哥和亞利桑那三州。德國還要墨西哥說服日本共同進攻美國，德國將提供軍事和資金援助。密電內容揭開後，美國在4月16日向德國宣戰。
德國汲取了第一次大戰的教訓，發展出以機械代替人手的加密方法。雪畢伍斯（Arthur Scherbius）發明了「謎」（ENIGMA，恩尼格瑪密碼機），用於軍事和商業上。「謎」主要由鍵盤、編碼器和燈板組成。三組編碼器合、加上接線器和其他配件，合共提供了一億億種編碼的可能性。1925年，「謎」開始有系列生產，在20年間，德國軍方購入了3萬多臺「謎」，亦難倒了「40號房」，成為德國在二次大戰的重要工具。波蘭位於德國東面，俄國的西面，一直受到威脅，故成立了波蘭密碼局（Biuro Szyfrow）以獲取情報。波蘭從漢斯-提羅·施密德（Hans-Thilo Schmidt）處得到諜報，由年輕的數學家馬里安·雷耶夫斯基（Marian Rejewski）解譯，用了一年時間編纂目錄，並在1930年代製造了「炸彈」（bomba），漸漸掌握瞭解「謎」的技術。
1938年12月德國加強了「謎」的安全性，令波蘭失去了情報。「謎」成為了希特勒（Hitler）閃電戰略的核心，每天更改的加密排列維繫了強大快速的攻擊。1939年4月27日德國撤銷與波蘭的互不侵犯條約，波蘭才不得不決定把「炸彈」這個構想與英、法分享，合力破解新的「謎」。1939年9月1日，德國侵擊波蘭，大戰爆發。英國得到了波蘭的解密技術後，40號房間除了原有的語言和人文學家，還加入了數學家和科學家，後來更成立了政府代碼暨密碼學校（Government code and Cipher School），5年內人數增至7000人。1940至1942年是加密和解密的拉鋸戰，成功的解碼提供了很多寶貴的情報。例如在1940年得到了德軍進攻丹麥和挪威的作戰圖，以及在不列顛戰役（Battle of Britain）事先獲得了空襲情報，化解了很多危機。但「謎」卻並未被完全破解，加上「謎」的網絡很多，令德國一直在大西洋戰役中佔上風。最後英國在「順手牽羊」的行動中在德國潛艇上俘獲「謎」的密碼簿，破解了「謎」。英國以各種虛假手段掩飾這件事，免得德國再次更改密碼，並策劃摧毀了德國的補給線，縮短了大西洋戰役的持續時間。
第二次世界大戰後計算機與電子學的發展促成了更複雜的密碼，而且計算機可以加密任何二進位形式的資料，不再限於書寫的文字，以語言學為基礎的破密術因此失效。多數計算機加密的特色是在二進位字串上操作，而不像經典密碼學那樣直接地作用在傳統字母數字上。然而，計算機同時也促進了破密分析的發展，抵消了某些加密法的優勢。不過，優良的加密法仍保持領先，通常好的加密法都相當有效率（快速且使用少量資源），而破解它需要許多級數以上的資源，使得破密變得不可行。
雖然頻率分析是很有效的技巧，實際上加密法通常還是有用的。不使用頻率分析來破解一個訊息需要知道目前是使用何種加密法，因此才會促成了諜報、賄賂、竊盜或背叛等行為。直到十九世紀學者們才體認到加密法的演算法並非理智或實在的防護。實際上，適當的密碼學機制（包含加解密法）應該保持安全，即使敵人知道了使用何種演算法。對好的加密法來說，金鑰的秘密性理應足以保障資料的機密性。這個原則首先由奧古斯特·柯克霍夫提出並被稱為柯克霍夫原則。資訊理論始祖克勞德·艾爾伍德·香農（Claude Shannon）重述：「敵人知道系統。」
大量公開的學術研究出現于現代。這起源於一九七零年代中期，美國國家標準局（, NBS；現稱國家標準技術研究所，, NIST）制定數位加密標準（DES），惠特菲爾德·迪菲和提出的開創性論文，以及公開釋出RSA。從那個時期開始，密碼學成為通訊、電腦網路、電腦安全等上的重要工具。許多現代的密碼技術的基礎依賴於特定計算問題的困難度，例如因數分解問題或是離散對數問題。許多密碼技術可被證明為只要特定的計算問題無法被有效的解出，那就安全。除了一個著名的例外：一次性密碼本（，OTP），這類證明是偶然的而非決定性的，但是是目前可用的最好的方式。
密碼學演算法與系統設計者不但要留意密碼學歷史，而且必須考慮到未來發展。例如，持續增加計算機處理速度會增進蠻力攻擊的速度。量子計算的潛在效應已經是部份密碼學家的焦點。
現代密碼學大致可被區分為數個領域。對稱金鑰密碼學指的是傳送方與接收方都擁有相同的金鑰。直到1976年這都還是唯一的公開加密法。
現代密碼學重視分組密碼與流密碼的研究及應用。區塊加密法在某種意義上是阿伯提的多字元加密法的現代化。區塊加密法取用明文的一個區塊和金鑰，輸出相同大小的密文區塊。由於訊息通常比單一區塊還長，因此有了各種方式將連續的區塊編織在一起。DES和AES是美國聯邦政府核定的區塊加密法標準（AES將取代DES）。儘管將從標準上廢除，DES依然很流行（三重資料加密演算法變形仍然相當安全），被使用在非常多的應用上，從自動交易機、電子郵件到遠端存取。也有許多其他的區塊加密被發明、釋出，品質與應用上各有不同，其中不乏被破解者。
串流加密法，相對於區塊加密，製造一段任意長的金鑰原料，與明文依位元或字元結合，有點類似一次一密密碼本（one-time pad）。輸出的串流根據加密時的內部狀態而定。在一些串流加密法上由金鑰控制狀態的變化。RC4是相當有名的串流加密法。
密碼雜湊函數（有時稱作消息摘要函數，雜湊函數又稱散列函數或哈希函數（Hash））不一定使用到金鑰，但和許多重要的密碼演算法相關。它將輸入資料（通常是一整份文件）輸出成較短的固定長度雜湊值，這個過程是單向的，逆向操作難以完成，而且碰撞（兩個不同的輸入產生相同的雜湊值）發生的機率非常小。
訊息認證碼或押碼（Message authentication codes, MACs）很類似密碼雜湊函數，除了接收方額外使用秘密金鑰來認證雜湊值。
公開金鑰密碼學，簡稱公鑰密碼學，又稱非對稱金鑰密碼學，相對於對稱金鑰密碼學，最大的特點在於加密和解密使用不同的金鑰。
在對稱金鑰密碼學中，加密和解密使用相同的金鑰，也許對不同的訊息使用不同的金鑰，但都面臨金鑰管理的難題。由於每對通訊方都必須使用異於他組的金鑰，當網路成員的數量增加時，金鑰數量成二次方增加。更尷尬的難題是：當安全的通道不存在於雙方時，如何建立一個共有的金鑰以利安全的通訊？如果有通道可以安全地建立金鑰，何不使用現有的通道。這個「雞生蛋、蛋生雞」的矛盾是長年以來密碼學無法在真實世界應用的阻礙。
1976年，惠特菲爾德·迪菲與馬丁·赫爾曼發表開創性的論文，提出公開金鑰密碼學的概念：一對不同值但數學相關的金鑰，公開金鑰（公鑰, public key）與私密金鑰（私鑰, private key or secret key）。在公鑰系統中，由公開金鑰推算出配對的私密金鑰於計算上是不可行的。歷史學者這樣描述公開金鑰密碼學；「從文藝復興的多字元取代法後最革命性的概念。」