在上兩章裡，雖然你只觀察了冰箱貼與冰箱的相互作用並看了原子的表面，但已經有了重要發現。你揭開了電磁作用的「超距」之謎，也看到了物質與光如何互相轉化。當然，這種轉化只是我們世界的一個小小側面，但我們渺小人類的感官正依賴於此才能夠感知外部世界。光不停地撞擊我們的身體上，激發我們血肉之軀中的電子（包括我們眼睛裡視網膜上的電子），讓構成我們身體的物質發熱，給它們能量。原子也能吐出它們的電子所吞噬的光子，讓我們和其他物體以一種或多種顏色「發光」，那些顏色就是被某個原子——或某組原子——的電子所吞噬又隨後被釋放出的光的顏色。就是這個原理給了我們的眼睛、皮膚、頭髮和衣服，以及所有植物、岩石等物體以色彩，就像它給了遙遠的恆星各自獨特的色調一樣。當光線照到西紅柿上時，除了紅色之外的其他所有可見光都被西紅柿吸收變成熱能或其他能量被儲存，紅光對西紅柿的原子沒有用，因此被吐出來，重新開始它們的旅程，直到進入我們的眼睛，告訴我們自己正看著一隻可愛的紅色西紅柿。如果沒有電子與光子，我們無法看見西紅柿或我們彼此，也無法知道我們的宇宙由什麼構成，無法瞭解遠處的世界遵循著與我們所處世界一樣的物理定律。更奇妙的是，我們的感官讓我們的身體能夠將所有這些怪異的相互作用轉換成能被我們大腦處理的感覺信號。依靠它，人類瞭解了這些相互作用背後的科學，以及遍佈整個宇宙的場的存在。這不僅令人驚訝——簡直可以說就是奇跡。
那麼原子的內核——原子核裡又有什麼故事？它也是由電子構成的嗎？是否又是電磁場的另一種表現？它必須是，在某種方式上，因為不管你怎麼看，你所看到的整個氫原子是電中性的。因此核心必然帶有電荷，與圍繞著它的電子電荷相反，讓從遠處看時彼此在電荷上互相中和。但為什麼你看不到它？
縮微版的你仔細看著那漂浮在你廚房中間的氫原子，突然意識到氫原子這個傢伙看起來實在是一個空空的空間，不管那個內核由什麼構成，原子本身就沒有多少地方真正被物質佔據。這個事實——內核與電子之間空間之大——是宇宙中所有已知原子共同的特點。
奇怪。
為什麼冰箱貼不穿過冰箱表面？冰箱貼原子裡巨大的空間與冰箱的金屬門上原子裡的巨大空間完全可以讓兩者互相穿過而不碰到彼此。為什麼兩者會牢牢地粘在一起？碰撞中的兩個原子難道不應該互不碰撞，就像交錯而穿過的兩片蒸汽雲，不用意識到另一方的存在？幸好不是這樣的，不然我們的世界將不再牢固。電子——而不是原子核——是造成這個結果的緣由。要想搞明白為什麼如此，你早先準備好的金原子就是最方便的例子。
你觀察至今的氫原子是所有原子裡最小的。你的那個金原子大了很多。你一下子跳到了它的邊上，開始觀察。
你首先注意到的是，並不是只有一個波狀電子孤獨地圍繞原子核，而是有七十九個，這七十九個電子中的每一個都與那個孤獨地圍繞著氫原子核旋轉的波狀電子一模一樣。
其次你注意到，雖然這些波狀電子都長得一樣，但它們彼此之間完全不分享領地。從來不會。它們簡單而執著地避免在相同的時間位於相同的地點。自然界不允許它們這樣做：不管它們處於哪種原子之中，波狀的電子們之間絕對不會互相重疊，因此在任一原子中，不同個電子之間的可能組合就有了非常嚴格的限制。它們沒有選擇，只能居於圍繞著原子核的不同的層次中，就像洋蔥一樣，這就是它們的行為。第一層，也就是最裡面一層，最多只能有兩個電子，第二層可以有八個，第三層可以有十八個，第四層有三十二個，諸如此類。
我們已經知道這些數字，對於宇宙中所有已知原子來說，相應的數字都是一樣的。一個原子與另一個原子之所以不同，在於原子所容納的電子數不同，而並非因為兩個原子所包含的電子本身有什麼不同。所有的電子總是相同的。
氫原子是最小的原子，它只有一個電子在第一層電子層做軌道運動。氦原子有兩個電子，這兩個電子的軌道也在第一層電子層。隨便再舉個例子，氖原子有十個電子，它的第一層和第二層電子層是飽和的。所有原子的化學和機械屬性都與其外部原子的電子殼層的填充狀況有關。
如果你想在原子中多增加一個額外的電子，就不能隨意安排它的位置，而且肯定不能放到一個已經被佔滿了的層裡。如果把電子看作是一個點狀的粒子，這種特性就難以理解。但雖然在某些特殊條件下，電子的確看上去就像小玻璃珠（關於這點，你會在本書第六部分中看到更多），它們也可以不這樣，而是按照波的性質行動。波就能很容易地佔據一定空間。這就是為什麼在一個已經填滿電子的層次裡，新來者無法找到空位。如果一個新增的電子，（無論這個新來的電子屬於這個原子本身，還是另一個原子）真的想加入一個已經構建完成的原子，它或者不得不定居到離原居民更遠尚有空位的地方，或者佔據某個原居民的地盤，把它踢走。波狀的電子們不會互相重疊。這是一個自私自利互相殘殺的世界。
這個不許同居的規則有一個名字，叫做泡利不相容原理。一九二五年由瑞士理論物理學家沃爾夫岡·泡利(Wolfgang Pauli)發現，他於一九四五年因此成就獲得諾貝爾物理學獎。
這個不相容原理就是為什麼冰箱貼能貼在冰箱門上而沒有穿門而過的理由，或許更重要的是，為什麼你不能穿牆而過，或者能夠站在地面上不掉下去的理由。它還解釋了為什麼你能用手抓住這本書：這本書封面上的原子最外層的電子堅決拒絕給你手指上原子的電子讓位。而你手上的電子們也同樣不肯退縮。因此它們保持距離。依靠你自己的力量絕對不可能讓它們改變主意。電子波不會重疊，永遠不會。不要試著穿牆而過來證實我（或者泡利）搞錯了。就算你被撞得鼻青臉腫，電子也會不理不睬。
不過話說回來，雖然電子喜歡自己的私密，但也不介意被共享。這對我們來說是一件幸事，我們打算構建的物質得以完成，正如你現在將要看到的。
你打算躍入金原子，不過還是等等吧，因為恰好有一個氧原子在附近經過。
你盯著氧原子看。
有著八個電子的氧原子雖然比金原子小，但還是比氫原子大不少。
氧原子的第一殼層已經滿了，但在第二層，也就是最外層的殼層還有空間，那裡足夠容納八個電子，而現在才只有六個電子。
氫原子那孤單的電子可不會放過這樣的機會。
附近這兩個氫原子，等著氧原子一經過，跳！一個氫原子的電子跳了過去，住進了氧原子的家裡，它再也不會孤單了。
再跳！就像你剛剛看到的那一幕，另一個氫原子的電子也跳進來了，填入了最後一個空位。
因為宇宙中所有的電子都一模一樣，所以沒有人能夠分辨出誰先來，誰後到。它們被徹底同化。
與這些電子結合在一起的原子核沒有選擇，只能跟著電子走，所以這三個原子互相綁在了一起。兩個氫原子與一個氧原子被迫一起生活。
這一步完成後，這裡就沒有多餘的空間來容納新來的電子了。整個構造變得穩定。
通過上述方式分享電子，原子們構成了一個更大的結構，被稱為分子。你剛才看到的那個被構建起來的分子就是由兩個氫原子和一個氧原子構成的。
兩個H（氫原子）與一個O（氧原子）。
H2O。
就是水。我們知道，對於生命來說，這是最寶貴的分子。
通常，你家裡的水集中在廚房，不過，在宇宙尺度上，水存在於外太空，在一團團星團（它們散佈在各個星系）之中，天文學家把它們叫作星雲。
在星雲內部，受到恆星爆炸「鍛造」的氧與隨處可見的氫混合在一起。
當恆星死亡時，它們便把種子拋向太空，於是水分子被合成出來，連同其他許多別的分子。
通過共享一個或幾個電子，許多原子能夠以不同的方式結合在一起，形成複雜程度不同的鏈條。利用這個過程，大自然創建了各種大小和屬性不同的分子，有的非常小（比如水分子僅僅由三個原子構成），有的非常大，比如你體內的DNA，它由幾十億個原子結合而成，攜帶著要「打造」一個像你這樣的人的所有必要的信息。
在過去的十年中，我們將許多衛星送入太空，幫助我們瞭解當初在地球上這些分子如何產生並進而形成生命，以及揭示如今覆蓋地球表面70%的水是如何形成的。這些水來自大約四十億年前撞擊我們地球的小行星嗎？或者來自那些同樣撞擊了我們的彗星？是不是那些石塊或雪球還攜帶著那些能形成生命的所有分子們？我們很快就會知道，因為許多這樣的衛星已經到達了指定地點，或者正在趕去的路上。
如今，我們至少還知道一件事：地球上生命的存在只需要六種原子：碳、氫、氮、氧、磷、硫，即所謂CHNOPS。
順便說一下，因為你的整個身體是由這些原子通過不同方式組合形成的各種分子所構成的，因此你就是一個CHNOPS。這麼說沒有任何冒犯你的意思。
現在，請你把對自己CHNOPS身體的輕視暫放一邊，考慮一下腦子裡冒出來的另一個問題：既然你和空氣都是由這些共享電子的原子所構成，那麼，為什麼你（非常幸運地）能夠穿過空氣，卻無法穿過牆壁？
這的確是一個很要緊的問題。
我們現在已經瞭解，空氣中滿是原子，電子也是要多少有多少，因此它們應該阻止你通過。應該如此，那是泡利的規矩。
答案是，空氣中的原子們並不都分享它們的電子，所以沒有都綁在一起，而作為固體的你，原子們都綁在一起。空氣中的原子們並不阻止你穿過，而是擠向它們的鄰居替你讓路，順便說下，這樣的移動產生了風，再順便說下，這就是氣體與固體的差別。
在液體裡，鄰近的原子們互相之間綁得稍微緊一些，但沒有緊到可以阻止你的程度，除非你過於用力或進入得太快，例如從懸崖上跳入鉛灰色的海中。而固體中的原子不會移到一邊，除非你用力逼迫它們——想想用鋒利的剪刀剪紙。
電子除了爭奪自己的地盤，也會被迫離開，為另一個想要進入的電子騰地方。當一個原子失去一個電子（比如遭受陽光中一個強有力的光子的照射）後，原子核與電子的電荷之和不再是零。失去一個或幾個電子的原子成為科學家們所稱的「離子」。離子總是想要找到某個東西捆綁在一起，以形成分子。事實上，它們拚命想要找回電子。在物理學術語中，它們具有很高的活性。
同樣，分子中由電子形成的綁定也會被打破。通常這個過程伴隨著能量的釋放，這也是吃東西帶給我們的好處。你身體裡進行的化學反應降解了食物中所含的分子，釋放出它們的能量，被你的組織以各種方式利用，維持你的生命。
好了。
這就結束了我們對電子世界的調查，你只是瀏覽了三個原子的外層，就已經瞭解了現代科學對於我們各種日常身體經驗的解釋。所以，在進一步接近依然保持神秘的原子核之前，讓我總結一下在這幾章中你所瞭解到的東西。
宇宙中所有原子的外部都是模糊的、具有波形且體積巨大的帶有電荷的電子。它們是電磁場中的基本粒子，還是自己私人空間的嚴格護衛者。泡利不相容原理不許兩個電子在同一時間出現在同一地點，即使宇宙中所有原子的內部絕大多數地方都空無一物，但這個原則確保你無法穿透牆壁、椅子、床或任何固體的東西。要不然，生活就變得太棘手了。
泡利的這條原則還帶來了不同種類的原子在結構與化學性質上的差別：因為電子不能都擠在離原子核最近的地方，它們在原子核周圍像洋蔥似的按層分佈，佔據自己能夠佔據的位置，讓原子隨著電子數目的增加而變大。
我們還要指出，電子並不是唯一遵循泡利不相容原理的粒子。還有其他一些粒子——但不是所有粒子——也遵循這個原則。光子就是例外，你可以在任意小的空間裡裝入任意多的光子。它們不在乎。事實上，它們還喜歡這樣，兩個光子越是相似，就越願意待在一起，就像寒風中的企鵝。激光就是這種癖好帶來的發明：完全相同的光子高度集中在一起，形成帶有高能量的光束。
現在，你大概會認為宇宙中只有電子和光子兩種粒子。但事實不是這樣。很快你就會看到原子核中有著其他種類的粒子，這裡我只是想強調：就在我們周圍，就有粒子不在乎電子對私密性的期望，甚至完全不在乎自身的存在，或者任何我們在這個方面所能想到的一切。它們是那種不屬於原子的粒子。
它們中的一些實際上來無影去無蹤，大多數時間它們能穿過任何東西，所有一切，不留下自己穿過的任何痕跡。對於這些微粒來說，宇宙肯定看上去無趣而空洞。地球也一樣。甚至你也一樣。很快你就會與它們見面。
但是現在，你應該再次慶祝一下！你剛才學到的關於電子與光的知識，在半個世紀以前沒有幾個人瞭解，那個時候就懂得這些的人大多數都非常聰明，他們都因為弄清楚了這些現象而獲得了諾貝爾獎。
還不止這些。
因為他們，你現在可以解釋發生在自己身邊的幾乎所有事情，包括西紅柿的顏色，牆壁和大地之所以堅固的原因，以及冰箱貼為什麼會跳出你的手指貼到冰箱門上。
你、我和我們的朋友們每天經歷的所有事情，都由物質與光的互相作用、互相轉化以及電子們斷然拒絕與另一個完全相同的電子分享哪怕一點點自己的時空所支配。
下一次你擁抱某人時，不妨想像一下你倆越來越近時虛擬光珠憑空形成並激烈紛飛的場面，直到你們的電子們遵循泡利不相容原理，決定你倆不能再靠得更近為止。雖然我覺得如果是初次約會，你們最好還是不要談論這些奇特的事實，但我還是隨便你吧。
現在，在你繼續穿越我們已知物質的行程之前，我要告訴你一個好消息：二一四年，在歐洲核子研究中心（簡稱CERN）位於法國與瑞士邊境的巨大的地下科學實驗室中，科學家們已經證實，人類到目前為止已經在理論上發現了關於構成我們自身物質的所有秘密。
所有秘密。
當然，這並不意味著我們已經不再有謎題（在第六部分裡你將看到足夠多的謎題）。它表示的是從二一四年開始，我們對於我們宇宙已知的內容——也就是在現代技術範圍內可能探索並有所發現的所有東西，都已經有了一個清晰的理解。
這個畫面中包含有原子核，那個你現在準備去一探究竟的原子內核。
如果你感覺到自己將會在那裡發現一些詭異的事情，那就絕對猜對了。
碰巧泡利在發現此原則前剛被他太太拋棄……他太太的離開是因為一位化學家，對於理論物理學家來說，這實在是奇恥大辱，因此泡利開始用酒精來埋葬自己的悲傷。所以他以「不相容」來命名自己的原則也不再奇怪。諷刺的是，即便在深度抑鬱之中，他仍發現了我們能夠生活在地球表面而不會陷入地球的根本原因，雖然他看上去失去了自己如此生活的理由。
那些因為某種原因得到了一個或幾個電子的原子也被稱為離子。離子就是不再擁有自然狀態下應該擁有的電子數的原子。