在上两章里，虽然你只观察了冰箱贴与冰箱的相互作用并看了原子的表面，但已经有了重要发现。你揭开了电磁作用的“超距”之谜，也看到了物质与光如何互相转化。当然，这种转化只是我们世界的一个小小侧面，但我们渺小人类的感官正依赖于此才能够感知外部世界。光不停地撞击我们的身体上，激发我们血肉之躯中的电子（包括我们眼睛里视网膜上的电子），让构成我们身体的物质发热，给它们能量。原子也能吐出它们的电子所吞噬的光子，让我们和其他物体以一种或多种颜色“发光”，那些颜色就是被某个原子——或某组原子——的电子所吞噬又随后被释放出的光的颜色。就是这个原理给了我们的眼睛、皮肤、头发和衣服，以及所有植物、岩石等物体以色彩，就像它给了遥远的恒星各自独特的色调一样。当光线照到西红柿上时，除了红色之外的其他所有可见光都被西红柿吸收变成热能或其他能量被储存，红光对西红柿的原子没有用，因此被吐出来，重新开始它们的旅程，直到进入我们的眼睛，告诉我们自己正看着一只可爱的红色西红柿。如果没有电子与光子，我们无法看见西红柿或我们彼此，也无法知道我们的宇宙由什么构成，无法了解远处的世界遵循着与我们所处世界一样的物理定律。更奇妙的是，我们的感官让我们的身体能够将所有这些怪异的相互作用转换成能被我们大脑处理的感觉信号。依靠它，人类了解了这些相互作用背后的科学，以及遍布整个宇宙的场的存在。这不仅令人惊讶——简直可以说就是奇迹。

那么原子的内核——原子核里又有什么故事？它也是由电子构成的吗？是否又是电磁场的另一种表现？它必须是，在某种方式上，因为不管你怎么看，你所看到的整个氢原子是电中性的。因此核心必然带有电荷，与围绕着它的电子电荷相反，让从远处看时彼此在电荷上互相中和。但为什么你看不到它？

缩微版的你仔细看着那漂浮在你厨房中间的氢原子，突然意识到氢原子这个家伙看起来实在是一个空空的空间，不管那个内核由什么构成，原子本身就没有多少地方真正被物质占据。这个事实——内核与电子之间空间之大——是宇宙中所有已知原子共同的特点。

奇怪。

为什么冰箱贴不穿过冰箱表面？冰箱贴原子里巨大的空间与冰箱的金属门上原子里的巨大空间完全可以让两者互相穿过而不碰到彼此。为什么两者会牢牢地粘在一起？碰撞中的两个原子难道不应该互不碰撞，就像交错而穿过的两片蒸汽云，不用意识到另一方的存在？幸好不是这样的，不然我们的世界将不再牢固。电子——而不是原子核——是造成这个结果的缘由。要想搞明白为什么如此，你早先准备好的金原子就是最方便的例子。

你观察至今的氢原子是所有原子里最小的。你的那个金原子大了很多。你一下子跳到了它的边上，开始观察。

你首先注意到的是，并不是只有一个波状电子孤独地围绕原子核，而是有七十九个，这七十九个电子中的每一个都与那个孤独地围绕着氢原子核旋转的波状电子一模一样。

其次你注意到，虽然这些波状电子都长得一样，但它们彼此之间完全不分享领地。从来不会。它们简单而执着地避免在相同的时间位于相同的地点。自然界不允许它们这样做：不管它们处于哪种原子之中，波状的电子们之间绝对不会互相重叠，因此在任一原子中，不同个电子之间的可能组合就有了非常严格的限制。它们没有选择，只能居于围绕着原子核的不同的层次中，就像洋葱一样，这就是它们的行为。第一层，也就是最里面一层，最多只能有两个电子，第二层可以有八个，第三层可以有十八个，第四层有三十二个，诸如此类。

我们已经知道这些数字，对于宇宙中所有已知原子来说，相应的数字都是一样的。一个原子与另一个原子之所以不同，在于原子所容纳的电子数不同，而并非因为两个原子所包含的电子本身有什么不同。所有的电子总是相同的。

氢原子是最小的原子，它只有一个电子在第一层电子层做轨道运动。氦原子有两个电子，这两个电子的轨道也在第一层电子层。随便再举个例子，氖原子有十个电子，它的第一层和第二层电子层是饱和的。所有原子的化学和机械属性都与其外部原子的电子壳层的填充状况有关。

如果你想在原子中多增加一个额外的电子，就不能随意安排它的位置，而且肯定不能放到一个已经被占满了的层里。如果把电子看作是一个点状的粒子，这种特性就难以理解。但虽然在某些特殊条件下，电子的确看上去就像小玻璃珠（关于这点，你会在本书第六部分中看到更多），它们也可以不这样，而是按照波的性质行动。波就能很容易地占据一定空间。这就是为什么在一个已经填满电子的层次里，新来者无法找到空位。如果一个新增的电子，（无论这个新来的电子属于这个原子本身，还是另一个原子）真的想加入一个已经构建完成的原子，它或者不得不定居到离原居民更远尚有空位的地方，或者占据某个原居民的地盘，把它踢走。波状的电子们不会互相重叠。这是一个自私自利互相残杀的世界。

这个不许同居的规则有一个名字，叫做泡利不相容原理。一九二五年由瑞士理论物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)发现，他于一九四五年因此成就获得诺贝尔物理学奖。

这个不相容原理就是为什么冰箱贴能贴在冰箱门上而没有穿门而过的理由，或许更重要的是，为什么你不能穿墙而过，或者能够站在地面上不掉下去的理由。它还解释了为什么你能用手抓住这本书：这本书封面上的原子最外层的电子坚决拒绝给你手指上原子的电子让位。而你手上的电子们也同样不肯退缩。因此它们保持距离。依靠你自己的力量绝对不可能让它们改变主意。电子波不会重叠，永远不会。不要试着穿墙而过来证实我（或者泡利）搞错了。就算你被撞得鼻青脸肿，电子也会不理不睬。

不过话说回来，虽然电子喜欢自己的私密，但也不介意被共享。这对我们来说是一件幸事，我们打算构建的物质得以完成，正如你现在将要看到的。

你打算跃入金原子，不过还是等等吧，因为恰好有一个氧原子在附近经过。

你盯着氧原子看。

有着八个电子的氧原子虽然比金原子小，但还是比氢原子大不少。

氧原子的第一壳层已经满了，但在第二层，也就是最外层的壳层还有空间，那里足够容纳八个电子，而现在才只有六个电子。

氢原子那孤单的电子可不会放过这样的机会。

附近这两个氢原子，等着氧原子一经过，跳！一个氢原子的电子跳了过去，住进了氧原子的家里，它再也不会孤单了。

再跳！就像你刚刚看到的那一幕，另一个氢原子的电子也跳进来了，填入了最后一个空位。

因为宇宙中所有的电子都一模一样，所以没有人能够分辨出谁先来，谁后到。它们被彻底同化。

与这些电子结合在一起的原子核没有选择，只能跟着电子走，所以这三个原子互相绑在了一起。两个氢原子与一个氧原子被迫一起生活。

这一步完成后，这里就没有多余的空间来容纳新来的电子了。整个构造变得稳定。

通过上述方式分享电子，原子们构成了一个更大的结构，被称为分子。你刚才看到的那个被构建起来的分子就是由两个氢原子和一个氧原子构成的。

两个H（氢原子）与一个O（氧原子）。

H2O。

就是水。我们知道，对于生命来说，这是最宝贵的分子。

通常，你家里的水集中在厨房，不过，在宇宙尺度上，水存在于外太空，在一团团星团（它们散布在各个星系）之中，天文学家把它们叫作星云。

在星云内部，受到恒星爆炸“锻造”的氧与随处可见的氢混合在一起。

当恒星死亡时，它们便把种子抛向太空，于是水分子被合成出来，连同其他许多别的分子。

通过共享一个或几个电子，许多原子能够以不同的方式结合在一起，形成复杂程度不同的链条。利用这个过程，大自然创建了各种大小和属性不同的分子，有的非常小（比如水分子仅仅由三个原子构成），有的非常大，比如你体内的DNA，它由几十亿个原子结合而成，携带着要“打造”一个像你这样的人的所有必要的信息。

在过去的十年中，我们将许多卫星送入太空，帮助我们了解当初在地球上这些分子如何产生并进而形成生命，以及揭示如今覆盖地球表面70%的水是如何形成的。这些水来自大约四十亿年前撞击我们地球的小行星吗？或者来自那些同样撞击了我们的彗星？是不是那些石块或雪球还携带着那些能形成生命的所有分子们？我们很快就会知道，因为许多这样的卫星已经到达了指定地点，或者正在赶去的路上。

如今，我们至少还知道一件事：地球上生命的存在只需要六种原子：碳、氢、氮、氧、磷、硫，即所谓CHNOPS。

顺便说一下，因为你的整个身体是由这些原子通过不同方式组合形成的各种分子所构成的，因此你就是一个CHNOPS。这么说没有任何冒犯你的意思。

现在，请你把对自己CHNOPS身体的轻视暂放一边，考虑一下脑子里冒出来的另一个问题：既然你和空气都是由这些共享电子的原子所构成，那么，为什么你（非常幸运地）能够穿过空气，却无法穿过墙壁？

这的确是一个很要紧的问题。

我们现在已经了解，空气中满是原子，电子也是要多少有多少，因此它们应该阻止你通过。应该如此，那是泡利的规矩。

答案是，空气中的原子们并不都分享它们的电子，所以没有都绑在一起，而作为固体的你，原子们都绑在一起。空气中的原子们并不阻止你穿过，而是挤向它们的邻居替你让路，顺便说下，这样的移动产生了风，再顺便说下，这就是气体与固体的差别。

在液体里，邻近的原子们互相之间绑得稍微紧一些，但没有紧到可以阻止你的程度，除非你过于用力或进入得太快，例如从悬崖上跳入铅灰色的海中。而固体中的原子不会移到一边，除非你用力逼迫它们——想想用锋利的剪刀剪纸。

电子除了争夺自己的地盘，也会被迫离开，为另一个想要进入的电子腾地方。当一个原子失去一个电子（比如遭受阳光中一个强有力的光子的照射）后，原子核与电子的电荷之和不再是零。失去一个或几个电子的原子成为科学家们所称的“离子”。离子总是想要找到某个东西捆绑在一起，以形成分子。事实上，它们拼命想要找回电子。在物理学术语中，它们具有很高的活性。

同样，分子中由电子形成的绑定也会被打破。通常这个过程伴随着能量的释放，这也是吃东西带给我们的好处。你身体里进行的化学反应降解了食物中所含的分子，释放出它们的能量，被你的组织以各种方式利用，维持你的生命。

好了。

这就结束了我们对电子世界的调查，你只是浏览了三个原子的外层，就已经了解了现代科学对于我们各种日常身体经验的解释。所以，在进一步接近依然保持神秘的原子核之前，让我总结一下在这几章中你所了解到的东西。

宇宙中所有原子的外部都是模糊的、具有波形且体积巨大的带有电荷的电子。它们是电磁场中的基本粒子，还是自己私人空间的严格护卫者。泡利不相容原理不许两个电子在同一时间出现在同一地点，即使宇宙中所有原子的内部绝大多数地方都空无一物，但这个原则确保你无法穿透墙壁、椅子、床或任何固体的东西。要不然，生活就变得太棘手了。

泡利的这条原则还带来了不同种类的原子在结构与化学性质上的差别：因为电子不能都挤在离原子核最近的地方，它们在原子核周围像洋葱似的按层分布，占据自己能够占据的位置，让原子随着电子数目的增加而变大。

我们还要指出，电子并不是唯一遵循泡利不相容原理的粒子。还有其他一些粒子——但不是所有粒子——也遵循这个原则。光子就是例外，你可以在任意小的空间里装入任意多的光子。它们不在乎。事实上，它们还喜欢这样，两个光子越是相似，就越愿意待在一起，就像寒风中的企鹅。激光就是这种癖好带来的发明：完全相同的光子高度集中在一起，形成带有高能量的光束。

现在，你大概会认为宇宙中只有电子和光子两种粒子。但事实不是这样。很快你就会看到原子核中有着其他种类的粒子，这里我只是想强调：就在我们周围，就有粒子不在乎电子对私密性的期望，甚至完全不在乎自身的存在，或者任何我们在这个方面所能想到的一切。它们是那种不属于原子的粒子。

它们中的一些实际上来无影去无踪，大多数时间它们能穿过任何东西，所有一切，不留下自己穿过的任何痕迹。对于这些微粒来说，宇宙肯定看上去无趣而空洞。地球也一样。甚至你也一样。很快你就会与它们见面。

但是现在，你应该再次庆祝一下！你刚才学到的关于电子与光的知识，在半个世纪以前没有几个人了解，那个时候就懂得这些的人大多数都非常聪明，他们都因为弄清楚了这些现象而获得了诺贝尔奖。

还不止这些。

因为他们，你现在可以解释发生在自己身边的几乎所有事情，包括西红柿的颜色，墙壁和大地之所以坚固的原因，以及冰箱贴为什么会跳出你的手指贴到冰箱门上。

你、我和我们的朋友们每天经历的所有事情，都由物质与光的互相作用、互相转化以及电子们断然拒绝与另一个完全相同的电子分享哪怕一点点自己的时空所支配。

下一次你拥抱某人时，不妨想象一下你俩越来越近时虚拟光珠凭空形成并激烈纷飞的场面，直到你们的电子们遵循泡利不相容原理，决定你俩不能再靠得更近为止。虽然我觉得如果是初次约会，你们最好还是不要谈论这些奇特的事实，但我还是随便你吧。

现在，在你继续穿越我们已知物质的行程之前，我要告诉你一个好消息：二〇一四年，在欧洲核子研究中心（简称CERN）位于法国与瑞士边境的巨大的地下科学实验室中，科学家们已经证实，人类到目前为止已经在理论上发现了关于构成我们自身物质的所有秘密。

所有秘密。

当然，这并不意味着我们已经不再有谜题（在第六部分里你将看到足够多的谜题）。它表示的是从二〇一四年开始，我们对于我们宇宙已知的内容——也就是在现代技术范围内可能探索并有所发现的所有东西，都已经有了一个清晰的理解。

这个画面中包含有原子核，那个你现在准备去一探究竟的原子内核。

如果你感觉到自己将会在那里发现一些诡异的事情，那就绝对猜对了。

1. 碰巧泡利在发现此原则前刚被他太太抛弃……他太太的离开是因为一位化学家，对于理论物理学家来说，这实在是奇耻大辱，因此泡利开始用酒精来埋葬自己的悲伤。所以他以“不相容”来命名自己的原则也不再奇怪。讽刺的是，即便在深度抑郁之中，他仍发现了我们能够生活在地球表面而不会陷入地球的根本原因，虽然他看上去失去了自己如此生活的理由。​​​​​

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2. 那些因为某种原因得到了一个或几个电子的原子也被称为离子。离子就是不再拥有自然状态下应该拥有的电子数的原子。​​​​​

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