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我们生活在一个美丽的世界，这里有阳光、天空、树木、鸣虫和飞鸟，它的多样性令人惊叹。然而，这个世界也有另一种美：在这万花筒般的多样性背后有一个非凡的“统一性”。这个“统一性”是非常直接的，不过人类经过几千年的努力才发现了它。
本书写的是人类对物质核心的探索之旅。世界上所有的东西都是由相同的几个基本成分构成的，虽然这个想法由来已久，但是我们花了几个世纪才搞清楚这些基本成分是什么。现在我们知道了，我们周围的所有事物：你读的这本书、我们呼吸的空气、夜空中的繁星，都是由区区100多种不同原子组成的。这100多种原子之所以能产生如此的多样性，是因为原子组合的方式远比我们能够计算，甚至能想象的要多。
古希腊哲学家留基伯和德谟克利特首先想到了原子这个概念。水可以冻成冰，也可以变成蒸汽，还可以再变回液体状态，这些现象让他们深思：在这些变化过程中保持不变的是什么呢？他们灵机一动，猜想到：一切物质都是由一些微小的、不可分割的原子组成的，而这些原子在物质融化和沸腾等过程中保持着自身的特性。虽然我们现在知道原子可以被“分割”，但这个过程是在极端条件下才能实现的，可不仅仅是用化学品混合或加热就可以完成的。留基伯和德谟克利特的想法的确是在正确的方向上。
和古希腊时期的人们相比，我们对原子的认识已经有了变化——它们的性质早就不是什么关于颜色、形状的问题了。我们不会觉得组成酸的原子是尖锐的，也不会觉得组成铜的原子是淡红色的。我们知道原子类型是和物质类型相关的，例如我们知道世界上有金原子、碳原子和铁原子，但不会有冰激凌原子。因为有些物质纯粹由一种特定的原子组成，而其他物质，像冰激凌之类的则复杂得多，它们是由不同种类的原子构成的。
一位生活在公元前495—前435年的古希腊人恩培多克勒提出了万物是由土、气、火和水4种元素组成的。这个基础观点在当时很不错，显然比他的一位前辈泰勒斯的假说更先进。泰勒斯提出，万物都是由水中产生的。虽然这个想法太朴素，可泰勒斯也是在寻找一切肉眼可见事物的基本成分的道路上走对了方向。经过几千年的努力，我们所确定的元素数量越来越多，现在已经接近120个了。虽然恩培多克勒提出的土、气、火和水并不在其中，但他已经沿着正确的道路迈出了一步。我们现在认识到，世间万物都是由化学元素组合而成的：有些是我们熟悉的元素，比如碳、铁、氢、氧；有些是比较少见的，甚至是极其罕见的，比如镥。
世上还有许多问题需要探索：这些元素从哪里来？为什么它们存在的比例是这样的？比如，为什么碳比金多得多？如果金是普存于世的元素，也许世界会更漂亮，可这样就没有人能欣赏黄金的光芒，因为碳才是生命的基础。
许多热衷于寻找外星生命的人都承认，宇宙中不太可能存在非碳基的生物。此外，碳还不是唯一对生命而言至关重要的元素，地球上的大多数生物还需要氢、氧、氮和其他十几种元素。我们的存在依赖于这些元素的充足供应。那么，所有这些重要的元素是如何来到我们身边的呢？这个问题的答案是贯穿本书的线索之一。
本书涉及的另一个难题是：为什么原子有它们所具有的这些特殊性质？如果碳原子和铅原子一样重，我们可能就不会存在，那么它们为什么会那么轻？这样的问题将会和为什么地球上只有100多种元素，而不是100万种，或是像恩培多克勒所说的只有4种“元素”一起解答。
除了探索地球上事物的组成外，本书还向外观察宇宙。离我们最近的恒星——太阳，对地球上的生命来说是不可或缺的。通常地球上的所有能量最终都来自太阳：促使植物生长的能量，驱使大气运动的能量（偶尔也会释放成颇为壮观的闪电），全面驱动“科技时代”到来的能量。
大约在20世纪初，人们发现太阳系已有数十亿年的历史。于是 太阳的能量来源 成了一个更大的谜团。什么能量来源可以让太阳保持数十亿年的光亮？没有任何当时已知的热源可以回答这个问题。现在，100多年过去了，这个问题得到了解答。太阳和其他星星为什么发光、如何发光是本书探讨的另一个主题。
太阳的能量来自太阳中心的核聚变，核聚变产生的巨大能量一直逃逸到太阳的外冕，当它在太阳的令人难以置信的强大磁场中扭曲和转动时，它在电离层中绘出了非凡的画面。这张图片是由天基太阳和日球层探测器上的极紫外成像望远镜观测到的。（太阳和日球层探测器/极紫外成像望远镜联盟、欧洲空间局、美国航天局）
要回答上述的所有问题，我们首先需要了解原子核，即每个原子中心的迷你核心。有了这个知识储备，我们才能体会到原子核是如何，又是在哪里诞生的。认识到这些，这个世界的许多现象也就有了解释。除此之外我们还能理解，当原子核发生转化时，能量是如何得以释放的。正是这个转化过程让太阳带给我们温暖，这也是恒星整个生命周期和宇宙历史的关键所在。
也许原子核最广为人知的只是这些：它是一种可怕炸弹的组成部分，它是一种糟糕的发电方式。关于这些，本书自然也会涉及。除此以外，我们还试着解释放射性真正的性质，放射是一个自然的核过程。核过程，包括放射性的应用，早已深入我们生活的方方面面，从医学到地质学，从喷气式发动机的测试到烟雾探测器。举个例子吧，几年前，当加拿大一家核电站的员工罢工时，美国每天约有47 000个医疗程序因受到威胁而被取消。
最后，我们怎么能如此确信我们知道太阳系的年龄呢？对放射性的了解帮我们解开了完全不同领域的谜题，太阳系年龄之谜就是一个例子。100多年前，欧内斯特·卢瑟福在岩石中发生的自然核过程里，发现了测定太阳系年龄的关键。时至今日，在我们探究地球历史的过程中，同样的思路也发挥着关键作用。
很久以前泰勒斯试着用单一物质去解释一切，而这一尝试现在已经取得了成果。如今，我们可以用数量更少的基本粒子来描述所有原子核的结构。
核聚变是太阳的能量来源，在地球上利用它来满足人类的能源需求是全世界许多科学家的目标，他们正在为实现这一目标而共同努力（见图 “在地球上实现核聚变” ）。核聚变的内容将在第9章介绍，我们解释了核聚变是如何既温暖了我们，又创造了构成我们生命的元素。有时这些核过程能产生壮观的结果，比如产生 蟹状星云 的超新星爆发。超新星爆发的确很壮观，但与宇宙诞生时的大爆炸相比不值一提。图“ 模拟宇宙大爆炸 ”是实验室成果的一个模型。最后一章的主题就是在回答，在大爆炸后的百万分之一秒内，整个宇宙是由哪些东西组成的。
许多国家都在致力于研究发展核聚变能源。图中发光的等离子体（电离气体）是向在地球上创造太阳能迈出的一大步。
蟹状星云是一个超新星爆发后的遗迹。我们今天知道的大多数元素都是在大规模恒星爆发中产生的。（欧洲南方天文台）
本图是一位艺术家所描绘的夸克和胶子释放时的景象。当两个金原子核在美国布鲁克黑文国家实验室的相对论性重离子对撞机中以巨大的能量迎面相撞时，夸克和胶子从原子核中逃逸。构成所有原子核的质子和中子都是在大爆炸后不到1微秒的时间内从这样的夸克胶子等离子体中凝结而成的。（布鲁克黑文国家实验室）