为什么万物没有散开？
捡起一块石头，用力捏一下。它不会在你手里碎成渣，也不会化成一缕灰尘飘走。这似乎太理所当然，根本不值得多想——可你停下来想想：一块石头由无数极小的原子组成，而原子内部大半是空荡荡的。那到底是什么把它们彼此抓得这么紧，紧到整块石头摸起来就像一个完整的固体？
答案是：原子之间会互相吸引。不是靠魔法，也不是有人拿胶水粘的——而是当两个原子靠近时，一个原子带负电的电子会感受到另一个原子带正电的原子核，于是它们之间产生了一股电的拉力。把这种温和的拉力乘以亿万个原子，你就得到了足以撑起一座桥的力量。研究固体和液体为何能聚在一起，整门学问就是研究化学键。
又推又拉，同时发生
关键的转折在这里：原子并不只会吸引。当你把两个原子推得很近时，它们也会排斥——而且劲头很大。它们的电子云和原子核彼此挡道，互相猛推回去。所以任意两个原子之间其实有两种相反的倾向在起作用，我们把它们合起来叫做原子间作用力：当原子离得远时拉力增大，而当它们靠得太近时，一股猛得多的推力就会顶上来。
想象两个人各拉着一根弹簧的一端。把他们拉开，弹簧就把他们拽回来；把他们推近，弹簧又把他们弹开。介于两者之间，存在一个静止长度，在那里拉力和推力谁都赢不了——弹簧就那么松松地待着。原子的行为一模一样。存在一个特别的间距，恰好让吸引和排斥彼此抵消，这个舒服的静止距离就叫键长。
困住原子的那道山谷
物理学家喜欢把这个故事画成一张「能量随距离变化」的图，它画出来的形状太重要了，以至于专门有个名字：结合曲线。别被「能量」这个词吓到——你就把它简单理解成：这对原子在每个距离上是开心还是不开心。越低表示越开心、越安稳；越高表示越别扭、越想改变现状。
这条曲线先向下凹成一道山谷，然后陡峭地爬回去。在图的右边、距离很远时，原子几乎感觉不到彼此，能量是平的。随着它们靠近，山谷越来越深——它们待在一起越来越开心。可一旦压过谷底，左边那道墙几乎垂直地冲上天：那就是凶猛的排斥力在喊「不许再近了」。而谷底，当然就是我们刚认识的那个键长。原子会自然地滚进这道山谷、安顿在谷底，就像一颗弹珠滚到碗的最低处。
energy ^ |\ (atoms far apart: ~flat) | \___________________ . . . . . . . | \___ ___/ | \__/ <- valley bottom = bond length +---------------------------------> distance steep wall on the left = repulsion: 'no closer!'
山谷有多深？内聚能
现在来看整张图里最有用的一个数字：山谷有多深？这个深度衡量的是，你得花多少代价才能把原子从谷底拽出来、让它挣脱——也就是打破那个拥抱。对整块固体而言，每个原子对应的这道山谷深度，就叫内聚能。它实实在在地就是把材料一个原子一个原子地拆散、直到变成一团松散气体所需付出的「价钱」。
山谷深、内聚能大：想想钻石或钨——极难熔化、极难弄断，原子死死抱在一起。山谷浅、内聚能小：想想蜡烛的蜡或固态氩——稍微一点暖意就散架了。所以这一个数字悄悄预言了材料性格的许多方面，我们以后还会一次又一次地回到它。
那么，是什么始终在跟这道山谷作对，不停地想把原子摇松？是热。温度无非就是热运动——原子永不停歇的抖动——越热，它们抖得越凶。当抖动终于积攒到足以爬出山谷的能量时，固体就熔化，进而沸腾散去。山谷越深，就需要越多的热才会发生这种事，这正是为什么高内聚能总与高熔点结伴而行。
为什么这件事是一切的开端
几乎你能说出的关于材料的每一项性质——硬还是软、导不导电、室温就熔化还是进了炉子也扛得住——追根溯源都回到这些原子山谷的形状和深度。键是地基，其余一切都盖在它上面。一项你能看见、能测量的宏观性质，往深处看，其实是无数小小结合曲线共同讲出的故事。
所以接着往下读时，请把这一幅画面揣在口袋里：每一块固体都是一群待在各自山谷里的原子，被一种拥抱抱着，又被热推搡着。下一篇会把这个拥抱拆开来看，告诉你它不止一种——原子彼此相握的方式共有四种，截然不同，而每一种都造出一类不同的材料。