物質科學解密，塑造宇宙生命的秩序：星際分子×低熵系統×原子結構×生物遺傳，人類想知道的所有關於「萬物本質」的疑問，物質科學來一一解釋！

人們對自然世界和宇宙萬物探究了數百年，
當古希臘的哲學家們第一次提出「萬物本質」的疑問時，
人類就開啟了一個新世界的大門！

從星際分子的碰撞到原子間的相互作用力，
有機物、遺傳訊息、食物鏈流動、正負電荷……
跟你息息相關、一定要知道的「物質科學」！

▎來自古希臘的提問：物質為何？
本書旨在以淺顯易懂的方式向讀者介紹物質科學的基本概念和原理，不僅涵蓋了物質的基本組成，還探討了物質如何影響我們的日常生活和整個宇宙的運作。透過精心設計的章節，讀者將能夠了解到從微觀原子到宏觀宇宙間的奧祕，以及科學如何在人類不斷地探究中摸索這一切的運作。

▎「原子」──組成萬物的基石
從物質的基本單位──原子開始講起，介紹原子的概念是如何在古希臘時期被提出，以及後來科學家是如何進一步發展該理論。透過探索原子的結構和特性，不僅解釋了物質被分割的過程，還描繪了原子不斷融合和變化的動態型態，為讀者揭示了組成世界萬物的基石。

▎原子間的超強相互作用力
書中透過後續章節進一步探討了原子如何以各種力的作用結合成分子，以及這些分子如何構建出我們可見的物質世界。從宇宙大範圍到地球上的日常物質，作者精彩地描述了分子間的相互作用和原理，並解釋了這些規則在自然界中如何被遵循，展示了物質世界的豐富多彩和神祕。

▎賦予生命的物質──物質科學之應用
在探索物質如何被應用以及如何參與生命過程的章節中，本書不僅講述了物質和能量的轉化關係，還詳細解釋了金屬、合金、有機物等材料的特性和用途。此外，書中也討論了物質在生命形成中的角色，從遺傳密碼到生物體的自組織，全面展示了物質科學在現代科技和生活中的重要性。

【本書特色】：
本書透過深入淺出的方式，引導年輕讀者深入物質科學的領域，將複雜的科學知識轉化為易於理解的概念，如原子理論、分子結構、質能轉換理論、DNA結構等等，使科學更平易近人。此外，書中不僅探討了物質科學的基礎理論，還延伸至其在日常生活、自然界生態，甚至整個宇宙中的應用，在生活中激發讀者對於物質科學的好奇與熱情！

孫亞飛，化學博士、青年科普作家，從事科學傳播及新能源領域的研究與產業化工作，著有《元素與人類文明》、《原子王國曆險記》等作。

前言 給青少年的物質科學

小時候，我生活在鄉下。那時的鄉下沒有瓦斯爐，也捨不得用太多電，做飯最常用的就是爐灶，燒柴火把鐵鍋加熱。爐灶操作起來非常麻煩，光是生火就能生出各種意外。所以，家裡大人做飯需要我幫忙搧風。

曾記得，坐在灶邊望著爐火，我搧著風，火苗就會猛烈四竄，一不小心還會衝出灶膛，燒到瀏海。每當這時，我都會感覺臉上一熱，但是習慣之後，倒也不覺得有什麼危險，只是有些好奇。

我好奇的是，吹蠟燭的時候，一點風就能把燭火吹滅，可是搧風越大，為什麼火焰卻會越吹越大？

外婆跟我說，這是因為廚房裡供奉著灶王爺——他是一位管灶火的神仙。有了灶王爺的保佑，爐灶裡的三昧真火才會旺盛，而且還不會因此失火。

後來，看到《西遊記》中孫悟空借來假芭蕉扇揮舞時，火焰山上的火越燒越大，我對三昧真火的這個說法深信不疑。可是，看到《三國演義》裡赤壁之戰東風助陣的場面，我又有些半信半疑了。

多年以後，我讀到了拉瓦錫反駁「燃素」論的故事，對於這個問題的好奇總算告一段落。燃燒是一種氧化現象，通常需要氧氣的參與，因此，當煽風送風給爐灶時，加大了空氣壓力，更多的氧氣被一同送入了灶膛。於是，有了氧氣的加持，火焰也會更旺盛。不過，風在刮來新鮮氧氣的同時，卻也帶走了熱量，若是火焰的溫度因此而降低到燃點以下，火就可能會被吹滅。因此也就很容易理解，為什麼風能吹滅小火，卻會揚起大火。

對於童年時期的疑惑，用這樣物理的概念去解釋，或許有些許的無趣，不像「三昧真火」那麼引人入勝，但它卻是好奇的最佳夥伴。它不會讓童心泯滅，只會帶著這種「不安分」走向新的空間。

所以，青少年知道多一點物理科學，應該是件好事。

本書是我首次系統性地創作「物理科學」的作品。任何一門自然科學都是研究物質的科學，只是研究的角度不同：物理學研究物質之間的作用力與能量；化學研究物質的組成、結構、反應與功能；生物學研究的是物質如何能夠「活」起來；天文學研究物質誕生的「老家」……很多時候，關於物質的種種，並不只是單純的科學問題，更是人類反覆思索的哲學問題。

將這些問題完整地解答出來，是從古至今所有人的共同使命。

在物質世界形成的時空中，翻開這本由物質構成的小書，如果能夠因此引發我們對物質的思考，那麼物質世界也一定會因為我們的思考而改變。

前言　給青少年的物質科學
1 物質是什麼
2 世界萬物的基石—原子的概念是怎樣被提出來的
被分割的物質
古希臘先哲們在思考
給原子排排隊
永不停息的融合
3 讓原子組合起來—物質世界是如何組裝的
星際分子
從太空到地球
分子的遊戲
不變的規則
4 無處不在的相互作用力—物質為何能結合在一起
電子的巨大魔力
原子的結構
原子之間的電磁吸引力
同性因何不相斥？
5 永不消失—物質和能量是怎樣轉化的
奇妙的等式
被激發的電子
看清物質
物質的狀態
6 萬物爭輝—物質是怎樣為我們所用的
並不只是簡單地混合—金屬與合金
從石器到陶瓷
無窮無盡的有機物
結構決定性質
7 活著的奇蹟—賦予生命的物質
從簡單到複雜
低熵系統
物質的自組織形式
遺傳密碼
8 衝突與重生—物質世界會終結嗎
誰殺死了恐龍？
食物鏈的物質流動
被浪費的物質
天地間，人為貴
9 物質是什麼

2 世界萬物的基石——原子的概念是怎樣被提出來的

被分割的物質

當人們對宇宙中的物質的了解發展到原子層面的時候，似乎一切故事都將變得簡單而清晰，畢竟原子的世界，是一個我們很容易觸碰到的物質世界。儘管我們早已明白，原子並非是最小的物質單位，但還是會將它看作構成這個世界的基礎，因為它是組成單質和化合物分子的最小微粒。

然而，想像出「原子」這種模型，對人類來說無異於一場巨大的思想變革。

地殼表面的一塊岩石，無論它有多結實，在水、生物與風力等因素的長期聯合作用下也會發生崩解——這就是地質學所說的風化作用。這樣的風化作用，它可以是物理的、也可以是化學的或生物的作用。例如，大石頭逐漸風化成小石頭，而小石頭還可能會繼續裂開，再被苔蘚附著，伴隨著生物的作用，變成砂礫，最後實在太過微小，和黏土揉在一起，不分彼此。

這樣一種司空見慣的現象，會給人帶來自然而然的啟發：大塊頭的物質是由小個子物質組合而成，而小個子物質又是由更小的物質組成。

毫無意外，順著這個思路，我們會進一步展開聯想，向自然界發問：如果把石頭這樣的物質一直切割下去，是否存在最小的石頭單元？把這種最小的石頭單元堆砌起來，是否又可以重新變成石頭？

很難說這些問題的實際價值如何，它們看起來像是我們現代人吃飽喝足才會擁有的樂趣。至於使用石器的史前人類，在面對滿地形狀怪異的石頭時，他們是否也有過這樣的想法，如今早已不得而知。

但是，隨著人類文明逐漸建立，這些問題在生活中其實是難以迴避的。

比方說，河東和河西有兩個部落做買賣。河西邊的部落有黃金，不妨就叫黃金部落；河東邊的部落有貝殼，那就叫貝殼部落。黃金和貝殼這兩種物品，都曾經被作為貨幣使用，所以，這兩個部落都有了採購物品的資本。

有一天，黃金部落有個人帶了一錠黃金去河東做生意，而這錠金子可以買一頭大牛或者兩頭小牛犢。閒逛了半天以後，他在貝殼部落看中了一頭小牛犢，就想買下它。這牛犢只要半錠金子，於是黃金部落的這位買家就和牛主人商量，把金錠切一半，剛好可以買下小牛犢。對牛主人來說，這個辦法似乎沒有理由拒絕，他就順理成章答應了。

過了幾天，貝殼部落的這位牛主人也去黃金部落趕集了，他帶了一枚稀有的貝殼，想去買個木犁回來耕地。巧得很，上次買牛犢的那個人是位木匠，剛好打了一把很不錯的木犁，被牛主人瞧上了。但是，一枚貝殼能買下兩把這樣的木犁，於是牛主人就思索，要不和上次一樣，把貝殼也一分為二，問題不就解決了？顯然，對於黃金部落的木匠來說，他不太可能會答應這個要求，因為常識告訴他，被分為兩半的貝殼不值錢。

到底是什麼決定了黃金和貝殼各自的價值？從這兩筆買賣中很容易看得出來，雖然黃金和貝殼都是貨幣，但是黃金的價值在於這種物質本身，和它的外形無關；而貝殼的價值卻展現在物品之上，和它的外形有關。換句話說，把一錠黃金一分為二，得到的是兩錠小一些的黃金；把貝殼一分為二，得到的卻是貝殼的碎片，而非兩個小一點的「黃金」。

生活中還有比這更複雜的情況。

我們稍加留心就會發現，不同規格的書，大小差異很大。一般來說，出版社會根據書的內容來確定選用什麼樣的規格。除了圖書，生活中我們還時常會見到報紙、便箋、作業本、日記本、海報等各式各樣、大小不一的紙。這說明，一張紙，依照需求裁剪之後，便可以發揮相應的價值。相應地，如果不依照需求裁剪，就會變成廢紙。

可見，紙張和黃金還有貝殼又不一樣。它既不像黃金那樣，無論怎麼切割都能保留貨幣屬性，但也不像貝殼那樣，哪怕只是切成兩部分都會一文不值。

黃金部落的那個木匠，總是要和各種木頭打交道，而他在收集木頭的時候，也會面臨和紙張一樣的問題，大一點的木頭能做房梁，小一點的木頭可以打木犁或作為各種家具部件，可要是把木頭鋸得太細碎，最後就只能當柴火燒了。

貝殼部落的那個耕農，要是牛犢子不幸夭折，等他含淚賣牛肉的時候，還會碰到更蹊蹺的事情——同一塊牛肉，分割成兩塊同樣大小的肉之後，要是一塊肥、一塊瘦，就算大小相同，實際價值也是不一樣的。

對於古人來說，因為貿易雙方需要評定商品的價值，必然會對不同商品在分割之後的特徵進行分析，哪些商品可以任意分割、哪些商品可以適當分割、哪些商品根本不能分割，這都不能大意。這些問題反映到一般意義的物質上，就不由得令人好奇：要是把一種物質無限分割下去，會發生什麼？

可見，先民對物質的探索，就不只是一件閒閒沒事才會去想的問題。從古至今，幾乎所有的哲學家都會表述自己對物質的看法。

古希臘先哲們在思考

大約距今3,000年的時候，位於現代希臘到土耳其一帶的那片地方紛紛建起了一些城邦，像雅典、斯巴達之類的地名，都起源於那個時代的城邦名。

古希臘的這些城邦，即便不是地中海的港口城市，到港口的距離也不會太遠。於是，他們發展出精湛的航海技術，在各個港口之間穿梭，並形成了發達的商貿文化。來自天南海北的各種商品，都在這裡交會，形成了一張龐大的網路，貿易複雜程度遠不是買牛犢和木犁這麼簡單。

正如前面所說，商品的分割成為迫在眉睫的論題，對它刨根問底，就是在尋找物質的本源，一大批思想家對此爭論不休。

最初，在一座叫米利都（Miletos）的古希臘城邦（今屬土耳其），湧現出大批哲學家。米利都的舊址位於現在的小亞細亞半島西岸，在陸地上只能算是偏僻的邊陲地區，但是從海上來看，卻是一座四通八達的交通樞紐。在西元前8世紀後，米利都成為古希臘工商業和文化中心之一，也是在東部最大的城市。當時，除了希臘各城邦外，無論波斯、新巴比倫還是埃及、敘利亞，貿易路線都離不開米利都。可以說，米利都占盡地利，也因此彙集了各地的思想。

關於物質的本源，在如今留下的記載中，最早就來自米利都的泰勒斯（Thales，約西元前624年～約前547年），他甚至被稱為古希臘的第一位哲學家，被譽為「希臘七賢」之一。他的思想影響深遠，甚至由此誕生了以他為首的古希臘第一個哲學學派——米利都學派。由於米利都所處的地區在當時被稱為伊奧尼亞（Ionia，也叫愛奧尼亞），所以他建立的這個學派的理論成為伊奧尼亞哲學的主要組成部分。

泰勒斯原本的興趣是在幾何學與天文學的研究上，提出過一些幾何定理，為此還學習了埃及和巴比倫的相關知識。他最為世人所稱道的，就是曾經成功預測了西元前585年5月28日這一天的日食。雖然這個典故至今還存有疑問，但他的確利用自己的所學，估算出了太陽的直徑，並解釋了日食的形成原因。對於航海貿易而言，海潮、風向都可能會讓一筆原本獲利頗豐的買賣瞬間打了水漂，因此，各種天文現象都很重要。可以想見，像泰勒斯這樣精通天文學的哲學家，在當時商人們的眼中就如同神明一般，人們必然也會將「物質本源」的答案寄託在他身上。

他說，物質的本源，就是水。萬物皆由水而生成，又復歸於水。

這個離奇的想法，實在有些讓人難以理解。對此，他解釋道，水本身是液體，可以結冰，也可以變成氣體，而自然界中所有的物質，無非就是固、液、氣三種狀態。可見，水是萬物之源，萬物都有水的特性，水的特性也在世界萬物中都展現了出來。他還說，連大地都來源於水，就像埃及氾濫的尼羅河會把淤泥沖積成潮間帶或三角洲一樣，我們生活的這個大地也漂浮在水上。

顯然，他並沒能解釋明白物質的本源，甚至迴避了實體的物質分割後是否還是原來物質的基本問題。

但是不管怎麼說，這是人類歷史上第一次有人清晰地闡述了萬物之根本，泰勒斯思考的精神會一直留下來。

在此之後，米利都學派的其他成員又進一步發展和修正了泰勒斯的觀點。有人提出了氣，有人提出了火，還有人提出了土。最後，出生於阿克拉加斯（今義大利阿格）的古希臘哲學家和詩人恩培多克勒（Empedocles，約西元前495年～約前435年）提出四元素說（即「四根說」）。他把萬物的本源稱作「根」，認為水、氣、火、土就是這個世界上的四種基本元素，它們是不變和永恆的，不能自己運動和相互轉化，但可以由這四種元素按不同比例組合和排列，構成不同性質的物質。換句話說，把世界萬物進行切割，最終就會得到不同比例的這四種元素。這些元素都是以我們看不到的微粒形式存在，它們之間透過作用力結合在了一起。