下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
我们都很熟悉的宏观物质构成了包括你我在内的所有日常物体，我们每天也能体验到四种基本相互作用之一的引力对宏观物质的作用。我们之所以能意识到引力的存在，是因为它让我们的双脚牢牢地踩在地面上，并确保我们每天清晨醒来都能看到太阳升起。宏观物质由分子组成，分子则由各种化学元素构成，而“元素”（element）一词在现代语境中指的是不能通过化学手段分解成更小构成单位的物质。
宇宙中最常见的元素是氢和氦，它们是宇宙在名为“大爆炸”（Big Bang）的事件中诞生后残留下来的。大爆炸发生时，物质处于极端的密度和温度条件下，宇宙从一块非常小的空间开始迅速膨胀。我们如今看到的比氢和氦更重的元素大多是在恒星内部后来合成的。这种被称为核聚变的过程始于氢和氦等较轻的元素，核聚变为包括太阳在内的恒星提供能量。
下一页的专栏中解释了“轻”“重”等对物体重量的描述与质量之间的区别。之后，这些重元素通过罕见而壮观的超新星爆发分散至整个宇宙。超新星爆发时，恒星在短短几秒的时间内经历毁灭性的坍缩并将自身大部分物质喷向宇宙空间。让很多人难以相信的事实是，构成我们身体的物质曾经是遥远年代恒星的一部分。
尽管“质量”和“重量”两个词经常被混用，但它们并不是一回事。质量是对“一个物体有多少”的测量，无论该物体在宇宙中的什么位置，结果都应是相同的。一个物体的质量决定了它在力的作用下如何运动。重量则是引力作用在一个物体上产生的力。一个特定质量的物体在月球表面的重量要比在地球表面轻：原因是地球的质量比月球大得多，地球对这个物体产生的引力自然也要大得多。在地球表面，重量相当精确地与质量成比例，因此我们在某些情形下可以说某个物体的重量是1千克，尽管千克实际上是一个质量单位。
你或许对俄国化学家德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）在1869年构造的元素周期表（periodic table of the chemical elements）的现代形式很熟悉。门捷列夫的原始表格旨在展现元素性质中反复出现的趋势，这也是周期一词的由来。随着时间的推移和新元素不断被发现，元素周期表得到扩充和完善。如今的元素周期表包含94种天然存在的元素：其中一些元素十分常见，例如氧和碳，是生命不可或缺的组成部分；另外一些元素则在日常生活中很少见。元素周期表中甚至包括一些极为罕见的不稳定元素，例如钋和钫，由于它们在自然界中的含量太低而无法被准确测量，其丰度尚不确定。
分子由各种元素的原子按单一特定的比例组成，通过电磁相互作用结合成一体。电磁相互作用是我们从电流和磁体的表现中发现的引力之外的第二种基本相互作用。我们遵循古希腊人的传统，沿用原子一词描述元素的最小单位。一方面，物质的原子模型优雅地解释了许多在早期化学实验中观察到的现象；另一方面，20世纪到来时，许多元素的原子质量和大小都得到了测量。原子小得不可思议。举个例子，你现在看到的字母“i”上的这个小点直径约为10 -5 米，包含大约10 11 个碳原子。下方的专栏中介绍了数的表示方法——科学记数法。如果想用眼睛直接看到当中单独的原子，这个小点需要被放大至直径100米以上。原子的质量也非常小：最重的原子大约有5×10 -25 千克，而最轻的原子质量不足前者的1%。你现在正阅读的本书中有至少10 26 个原子，这个数大得令人难以想象。
粒子物理学相关测量中常常出现极大或极小的数。为了避免写下一长串0，我们用科学记数法表达这些数：将它们写作1至9之间的十进制数乘以10 n 。这里的10 n 代表1后面跟着 n 个0，10 - n 则是1除以10 n 得到的结果。例如，1.2×10 3 等于1 200，而1.2×10 -3 则等于0.001 2。