和原子一樣，我們的核心都是獨一無二

一位身穿襯衫和卡其褲的巨漢翩然走進教室，張開雙臂說道：「每次都這樣！女生在這一邊，男生在另一邊！」他站在一整排男生面前，發號施令：「你們這排，全都起來，快快快。」接著他走到我旁邊那排女生前方。他指向剛才被清空的那一排，還有一堆搞不清楚狀況的男生。他用這種方法讓男生女生交錯坐。我們很無奈地互相看了看。一陣混亂中，有人的書本掉了。我們目瞪口呆地看著這位老師。他轉身面對黑板，用粉筆寫下自己的名字，但我們根本不知道要怎麼念。然後他又轉過身面對大家，說：「你們可以叫我G先生。坐這一排的女士，妳們的實驗夥伴就是妳左手邊的那位男士。」他往右站了一步，重覆相同程序，直到全班都兩兩配成一組。「這樣好多了。再過幾個月就是舞會，如果男生女生都不講話，怎麼可能找得到舞伴？」

我旁邊那個男孩真是遜到爆：不合身的制服褲子、頭髮亂到不行、全身都是汽油跟炸薯球的味道。難道我真的得跟這傢伙一起參加舞會？「接下來，跟實驗夥伴做個自我介紹。」 「我是克莉斯汀。」我對著炸薯球說，仔細研究他用藍筆在網球鞋上畫出的條紋。「我叫史胖奇。」他回答，還露出誇大而古怪的微笑。但我還是伸出手和他握了一握。一週一週過去，G先生帶領我們深入化學的殿堂，我對他有了更多認識。他用鍵結、耦合、氧化還有電子親和力看待萬事萬物。

他忍不住要把學生配成對，還鼓勵我們要彼此連繫；經過他的強迫配對，課堂的氣氛的確變得比較自然。在此同時，G先生也協助同學們破解週期表的密碼：一百一十八個畫上不同顏色的小格子，裡頭有一或兩個字母，左上角和右上角都有數字。這些格子一列有十八欄，共排成七列，有些頭頂少了幾格，有些底下多出幾格。

 

很顯然，他的問題都可以在這裡面找到答案。就像猜謎節目的主持人，他會問：「有誰知道碳有幾個質子？」 我們就會搜尋週期表，找到裡頭寫著「C」的那一格，看看它上頭的數字，好幾人同時喊：「六個。」「你們太棒了。真是嚇壞我了。」他還會不帶表情地這麼說。G先生讓我們信心大增，鼓起勇氣了解元素週期表的基礎知識。每個格子裡的字母都代表一種化學元素、一種特別的原子；氫有一格、金有一格、氖有一格，每種已知的元素都有一格。很明顯的，碳用C表示，字母C上面有個數字6，那就是它的質子數，而原子核內的中子數可能等於質子數（如果不是的話，這種原子會稱為該元素的同位素，那就更有意思了。但目前我們只看質子數和中子數相同的原子）。 碳，有六個質子和六個中子一起擠在核心裡，還有六個電子繞著它打轉。我們可以把它想像成一個小型的太陽系（但是等到我高四上物理時，知道電子會有一些非常特殊的行為，完全無法用「原子的太陽系模型」解釋）。

G先生指指窗外的足球場，讓我們對於原子的尺寸有點概念。「如果原子核跟彈珠一樣大，電子就會在足球場那麼大的範圍裡繞著原子核飛。」我想像那幾顆電子穿著小小的釘鞋，在跑道裡不停轉阿轉。他張開雙臂說：「世界是原子組成的，而原子幾乎空無一物。」

G先生在黑板上用小小的正號和負號畫給我們看，質子帶正電、中子不帶電，所以碳的原子核的電荷是正六價。正六價電荷引來六個電子，每個電子帶有一個負電荷，繞著原子核打轉。這時，每個原子都是個小巧而平衡的宇宙，原子核裡有同等數量的質子和中子，繞著它打轉的電子也完全平衡。探討週期表一個星期之後，G先生說我們現在已經掌握了化學世界。我們知道怎麼找到每一種元素的質子數、中子數和電子數，而這些數字也規定了該元素的種種特性：熔點、凝固點、重量、硬度、密度、導電度，以及與其他元素結合的行為。

「接下來要討論的是鍵結。」G先生這麼說。「為什麼元素之間會互相吸引？」 講到「互相吸引」的時候，究竟是G先生故意放低聲音，還是我自己耳朵產生的錯覺？難道只有我想到原子還有分男女？G先生解釋，原子非常希望最外層的電子能夠排滿。喔，沒錯，它們的確希望如此（音效：接吻聲）。好吧，感謝老天，原子真的迫不及待地想結合在一塊：兩個氫原子和一個氧原子結合，就有了水；鈉跟氯湊對，就有了鹽；我們吃的蛋白質是由胺基酸構成，也就是按順序排列的許多氮、氫、碳以及氧原子。原子一個人待著也不錯，不過我們更需要它們的鍵結，以合成各種分子還有化合物，供我們生長、呼吸、順便幫一大碗爆米花調味。

原子的配對遊戲
只要注意碳、氧、氫以及週期表第一列其他原子的欲望，就可以了解它們如何讓最外層環繞的電子填滿。這些最外層電子稱為共價電子，而共價電子的數目決定了一個原子的需求。

 

當時，我們所研究的大多數原子都有個神奇數字八。最外層不滿八個電子的原子，寂寞而不滿足，它們想跟別的原子結合，因此會把彼此的最外層軌道混在一起，共用共價電子。G先生解釋了電子如何在原子內排列，這時「最外層軌道」才有了意義—它就像是原子的外皮。週期表上的原子數越大，就表示原子核內有越多質子和中子，也表示需要更多電子，才能保持電荷的平衡。每一種原子的電子排列都傾向於以下原則：前兩個電子所占的軌道最靠近原子核。然後，下一層要用八個電子填滿，再下一層一樣需要八個電子⋯⋯如此接續下去。

 

氖，原子序18，在最靠近原子核的軌道裡有兩個電子。下一層，有八個電子。第三層，再上加八個。氖完成了「2-8-8」的電子配置，而且不需要更多電子，十分愉快滿意。氯，是氖在週期表的左邊鄰居，原子序17。這表示它的核心有十七個質子，外頭還有十七個電子圍繞著它。氯的電子從內到外的配置是「2-8-7」個。喔喔，外層軌道並沒有填滿八個。

氯很想再得到一個電子。有誰外層是一個電子的？就是它，寂寞的、小小的氫原子—穿著夏天的洋裝坐在門廊，夢想有電子把它帶走。氫原子十分願意拿最外層的一個電子和氯所擁有的七個共用。他們彼此都很滿意，一生都守著八個共價電子的關係—這就是共價鍵：原子彼此共享電子，好讓外層填滿。

週期表的每一欄（又稱為「族」），各自具有相同的鍵結特性，這有助於我們當個現成紅娘，幫它們找到理想的另一半。週期表最左邊，也就是第一欄的最上方，寫著第一族。氫和它下方一整欄的好朋友們，全都有著閃亮亮的外表，而且溫柔可人（金屬光澤和絕佳的柔軟度）。它們的最外層軌道只有一個電子，不喜歡落單的個性，使得它們在鍵結時有點⋯⋯不挑。它們只希望有人愛，但它們的愛來得快去得也快。

週期表的第二欄，第二族，包含了長期受到忽視的鹼土族。它們最外層軌道有兩個可用的電子，和第一族一樣樂於分享。第二族的原子很努力地想高攀⋯⋯比如氧原子，好讓最外層的電子軌道填滿。從第三欄到第十二欄，每一欄的人丁都比較單薄，是所謂的過渡金屬，但這稱呼可騙不了人，是不是啊？我們只在乎第十一欄的金屬—銅、銀、金。它們是金屬群中的明星：可延展但夠強韌，而且美麗又實用。它們從土裡挖出來，和其他沒那麼耀眼的原子們分離，因為純粹的時候最美。這些漂亮的傢伙讓其他人相形失色；不過這也不能怪它們。因為它們不容易生鏽，也難以偽造，雖然有一個或兩個電子可以分享，但要看上門的是誰，以及如何提出邀約。它們令人著迷，即使邀請也不會正面回應，但正因為如此，才大受歡迎。

第十三到十五欄，隊長分別是硼、碳和氮。它們可以形成很棒的共價鍵。它們知道怎麼跟其他人交往、共創家庭、組織早午餐聚會。硼族擁有三個共價電子，碳幫有四個，氮小隊則有五個。它們只需要再多幾個電子就可以湊滿八個。這幾個團體裡的原子一個個長袖善舞，它們是原子圈裡的重要成員，和第一欄、第二欄那些來者不拒的傢伙不同。第十六和十七欄，隊長是氧和氟，外層分別擁有六和七個電子。它們很清楚自己常常跟不同的原子交往，這讓它們對自己滿懷信心，並且覺得是件順理成章的事。他們樂於分享自己的電子，不過生性火爆（嗯，真的會爆炸），而且要求很多。

週期表最右邊，你總算遇到一整欄不需要任何電子的原子—鈍氣。它們的最外層有滿滿八個電子，所以不想和別人結合，也只想獨善其身。其他原子認為鈍氣很無趣，但是，誰在乎呢？氖、氬，還有週期表右側的其他原子，就像是原子世界的愛蜜莉．狄金生與特斯拉：聰明、多產、孤獨。或許它們並不是最棒的舞者，但是用餐時不會慌慌張張，比鋰或鈣強得多。

磁吸力：原子的激情本色
等我們徹底弄懂共價鍵之後，G先生接著講解離子鍵。這個時候，「配對」才真正開始變得讓人臉紅心跳。離子鍵，原子並不像共價鍵結合那樣彼此分享電子，反而是以一股飢渴的熱情彼此相吸。一個原子失去電子，而另一個原子得到這些電子，於是它們帶有相反的電荷—除了瘋狂的磁吸力，沒有其他原因能讓它們黏在一起。G先生描述：週期表右邊的氯原子外層有七個電子。但這回它並沒有利用共價聯姻和氫原子配對。它看中了鈉。鈉的外層軌道只有一個電子，於是它在週期表左邊不耐煩地四下張望；對了，鈉雖然喜歡跟外層只有一個電子的傢伙玩，例如鋰和氫，但它們幫不上忙。鈉需要一位擁有七個電子的原子跟它分享，好湊滿八個。趁著夜色，鈉偷偷跨過週期表，不管鹼金族說得多難聽，執意投入氯原子懷抱，雙手奉上自己唯一多出來的電子。你以為氯會把自己的電子拿出來分享？才不呢，它緊緊抓著鈉的那一個電子，填滿自己的外層。少了外層電子，鋰變成帶正電，氯變成帶負電，還因為氯的自私行為所造成的磁吸力而靠在一塊。

它們是註定要在一起的激情分子對，雖然彼此都不完全滿足，卻也難以分開。離子鍵和共價鍵那種共享電子的高尚行為不同，但至少原子彼此眼裡都只有對方⋯⋯事情才不是這樣。接下來，G先生告訴我們，有些原子並不只和一個原子配對。

G先生描述，硫的兩手開開，對氫左摟右抱，大享齊人之福；而金屬原子的鍵結可以一直連個沒完，G先生的化學實驗同樣逐漸升溫。一排男生，一排女生，桌子也一點一點靠攏；錐形瓶上方的兩顆頭靠得有夠近，戴在頭上的護目鏡撞來撞去。G先生的課火熱得冒泡。我的實驗夥伴，史胖奇，他的外表對我一點吸引力也沒有。我想跟高瘦、機智、伶俐的派崔克配對。他坐在史胖奇後面，一隻腳伸到走道上，用專家級的技巧講話，而且看來只有我聽得見。

G先生示範水沸騰時溫度並不會升高的實驗。在我把頭靠向本生燈之際，派崔克低聲說：「要是老師再靠過去，兩道濃眉就要著火啦。」 我的眼睛仍然直視前方，但派崔克知道我有在聽。要板著臉還真不容易，不過我面無表情轉過頭去看了派崔克一眼，這一眼就是千言萬語：我來這是為了上化學課，請你別搗亂。還有，我想知道你的頭髮是不是棕色。

幾下來幾個星期，史胖奇往前幾步和丹妮絲搭檔。派崔克占了史胖奇的位子，等到要用滴定管把鹼加進酸裡的時候，我們已經成了實驗夥伴。我們把石蕊試紙放到醋裡看它變色，膝蓋幾乎碰在一塊。派崔克拿著橘色的試紙對照色輪，問：「看起來比較像三號色還是二號色？」 「兩樣都是橘色嘛。」我回答。「我們要分出有什麼差別嗎？」 我真正的意思是：我想把你壓在地上，揍你的臉，然後吻你。

騙人的煉金術
當早期的化學家發現可以用一種規律的方式把所有原子都排在表格裡時，一定非常興奮。他們只要依據重量把元素排成八欄，就可以看出它們的性質和鍵結行為有種簡單的規律。將來如果發現元素並不適合那位置，就必須調整週期表。一旦週期表出現空格，科學家就知道宇宙中還有某種元素存在，即使還沒真正找到。

週期表不會有空格。或許有種元素只能在實驗室裡出現那麼一瞬間，但就是不會留下空白。週期表裡的每一個元素都要有意義，才能讓宇宙擁有全部的建築原料。

不管我們屬於哪種原子本性都很好，而每種鍵結也都在世界上占有一席之地，不管是跟氖一樣單獨漂浮在大氣當中，或是像下方的碳原子鍵結享受美好的生日派對與車庫大拍賣。

如今我已接受自己是鈍氣。在那之前，我試過各種方式，想成為狂野且無憂無慮的氫原子，結果我累壞了。我無法忍受浴室裡的髒酒杯和內衣裡的糖果。我不是那種人。如果明明身為氫，卻想當個鈍氣，道理也是一樣。

如果你是忠誠、可和別人鍵結的溴，原子核裡有三十五個質子，而周圍的軌道有三十五個電子，可能會很想加入一個質子，變成特別而孤單的氪。不過，嘗試進行任何變換之前，重要的是捫心自問：是否值得為這樣的轉換製造出蕈狀雲和放射性落塵？

換工作、增加三頭肌的弧度，那都沒問題。但改變你最核心的自我—怎麼結合、過生活、談戀愛？那可要複雜得多。如果你發現自己對朋友說：「不知道為什麼，但我就是喜歡遙不可及的男人。」或「和我約會的那些女孩，最後都會趁我工作時把家具全都偷走。」說不定是因為你還沒找到真正的鍵結本性。

弄清楚自己到底是誰、想怎麼和別人結合，不是很好的開始嗎？和原子一樣，我們的核心有某種獨一無二的東西。把我們的核心分解，就等於進行核分裂或核融合—耗費能量、具爆炸性，而且很可能留下危險的殘餘。如果你是可靠的鐵，想要成為精明的氫或奇特的鑀，可能會把自己搞得灰頭土臉。很痛，而且沒用。

如果是鐵，就做個鋼鐵人吧；如果是碳，就順著天性吧。世上每一種鍵結都有它的容身之處，就像週期表上每一種元素都剛好有一格。總有某人和你絕配—你當然也有可能是鈍氣。不管是那一種，你在宇宙裡都占有獨特位置。〈本文選自全書，曾琳之 整理〉

作者：克莉絲汀．麥金利　Christine McKinley
除了是作家、音樂人，也是一名機械工程師，還是歷史頻道最受歡迎節目《Brad Meltzer's Decoded》的主持人。在過去20年的工作生涯中，她曾參與電力生產、工業技術，以及商業建造等重大工程。目前住在美國奧勒崗州。

出版：究竟出版社

書名：物理才是最好的人生指南：讓宇宙定律為你效勞

目錄：
引言　沒有比物理更好用的人生模型
1 驗證你的假設──科學方法
2 空間是爭出來的──大自然最討厭真空
3 數字不但實用，還很優雅──數學不是用來害怕的
4 人生切莫空轉──能量守恆定律
5 知道自己是哪一型──原子的吸引與鍵結
6 別穿內衣應門──理想氣體定律
7 大家的加速度都是一樣的──重力無所不在
8 用工程方法規畫人生──力與力圖分析
9 幫自己找根槓桿──機械利益
10 愛你的一切，愛你的疤──摩擦力
11 開車請繫好安全帶──運動與動量
12 讓宇宙定它的規矩
13 想辦法別讓自己沉下去──浮力
14 即使逃命也要很有型──流體
15 人生的混亂在所免──熱力學第二定律
16 光速與音速也能救你一命──波
17 一飛沖天需要累積能量──物質的相變
18 愛迪生與特斯拉的啟示──電力與磁力
19 培養神祕感──飄忽不定的電子
20 尊重其他觀點──相對性
21 享受漫漫旅程──四種基本作用力
後記　和宇宙定律一起跳舞吧