我們都知道，我們每天所看到的、所觸摸到的以及以其他方式與之互動的物體都佔據著一定的空間，你用的桌椅佔有一定空間，你喝的水有體積，等。

所有這些物體細分下去，由分子組成，分子又由原子組成，原子又由原子核和繞原子核運動的電子組成。原子核也不是基本粒子，它們是由更小的實體組成的。原子又可細分為物質的基本成分，稱為標準模型的粒子。

這些標準模型的粒子根本不佔據可測量的體積，它們只是點狀粒子。從體積上看，原子核的體積只佔原子體積的10^15分之一，也就是說，原子內部約99.999%的空間都是空的，卻包含了原子質量的約99.95%。

原子核由單個質子或質子和中子的混合體組成，其中單個質子（或中子）的直徑已被測量為0.84至0.88飛米（千萬億分之一米）之間。 質子和中子本身可以進一步細分為夸克和膠子。最後，至少根據目前最好的實驗和觀測結果，是這些基本粒子：電子、膠子和夸克等，構成了我們所觀察到的物質實體：從質子和中子、原子核、原子、分子、到我們的細胞成分、細胞、器官和生物體等。

自然有人會問，這些基本的、微小的、甚至可能是無維度的點狀粒子是如何佔據這麼多空間的呢？

首先，這要歸因於下面的三個基本事實：

• 電子的質量很小但並非零質量；

• 電子的強烈的負電荷；

• 和大質量、帶正電的原子核。

除了上面這樣的三個基本事實，再加上量子力學裡的一個量子規則——泡利不相容原理，你就會明白，為什麼這些基本的、微小的點狀物質粒子能佔據這麼多的空間。

泡利不相容原理是微觀粒子運動的基本規律之一，它可以阻止任何兩個相同的某種類型的量子粒子佔據同一量子態。粒子有兩種類型，費米子和玻色子，雖然對於有多少相同的玻色子可以在同一物理位置佔據相同的量子態沒有限制，但泡利不相容原理適用於所有費米子。鑑於每一種夸克和每一個電子都是一個費米子，這一規則甚至排除了無限小的粒子在同一空間內共存。僅僅基於這一規則，你就可以看到多個粒子，即使它們本身沒有一個"大小"，也被要求彼此分開一個有限的距離。

再加上，這些粒子有其如電荷等固有的基本屬性，這些特性包括電荷、弱同位旋（weak isospin）和弱超荷（weak hypercharge）以及色荷。擁有電荷的費米子粒子，即受泡利不相容原理約束的粒子，將經受電磁力，與光子耦合。具有弱同位旋和弱超荷的費米子粒子經受弱核力，與W和Z玻色子耦合。而帶有電荷的費米子粒子經受強核力，與膠子耦合。

事實證明，夸克和電子，以及電子的兩個更重的基本表親，μ子和tau粒子，都帶有電荷，這意味著它們都經受電磁相互作用。在電磁學中，類似的電荷（+ + 或 - -）排斥，相反的電荷（+ - 或 - +）相互吸引，越靠近，則力越強。所有的夸克都帶有色荷，這意味著它們都經受強核力。強核力總是具有吸引力，在非常小的粒子分離處，強核力歸零，但兩個帶色電荷的粒子離得越遠，核力越大。

控制宇宙中物體大小的另一個方面是宇宙中所有費米子（和一些玻色子）所固有的另一個基本量子屬性：質量。如果一個物體是無質量的，也就是說，它的質量為零，它就不能保持靜止，而是必須始終保持不僅是運動，而且是以宇宙中允許的最快速度運動：光的速度。光子是無質量的，膠子是無質量的，引力波是無質量的。它們都可以攜帶能量，但本身沒有質量，因此，它們總是以允許的最大速度——光速運動。

值得慶幸的是，宇宙中有許多實體是有質量的，包括所有的夸克、電子和電子的（更重的）表親：μ介子和tau粒子。電子是極輕的粒子，而夸克的範圍從比電子"稍重"的上下夸克到"最重的已知基本粒子"的頂夸克。有了質量，粒子的運動速度就會比光速慢，甚至可以在適當的條件下使它們靜止下來。如果不是因為夸克和電子的質量，以及賦予這些粒子質量的希格斯場，從質子、原子核、原子以及隨後由它們構成的一切物體中形成束縛態是完全不可能的。

以質子和中子來講：由夸克和膠子組成的實體。每個質子和中子裡面的夸克都有電荷和色荷。相似的夸克（上或下）之間的電荷導致排斥，而不同的夸克（上-下或下-上）之間的電荷則具有吸引力。當夸克靠得很近時，強作用力可以忽略不計，這意味著如果它們彼此移動，它們會簡單地彼此"滑過"。然而，它們之間的距離越遠，它們之間的吸引力就越大，從而防止它們相距太遠。事實上，一旦質子或中子內的夸克彼此達到一個臨界分離距離，強力就會使它們彼此"彈回"，就像一個被拉伸的彈簧。

由於質子和/或中子內的夸克具有非零質量，這些夸克的運動速度須始終比光速慢，它們能夠加速、減速，甚至（暫時）在這個複合結構內靜止。夸克之間的強力和電磁力結合在一起，創造了尺寸有限的質子和中子，每個略低於1飛米，而夸克之間的結合能，由於強力，最終決定了質子和/或中子的總質量。只有約1%的質子/中子質量來自其內部的夸克，而另外約99%的質量來自這種結合能。

原子核的體積大約等於其組成的質子和中子加在一起的體積。但是對於原子本身，由電子環繞的原子核，事情就變得有點棘手。電磁力現在是決定原子大小的因素，帶正電的大質量原子核固定原子，而帶負電的、質量小得多的電子圍繞原子核運行。因為它們彼此帶相反的電荷，原子核和電子總是相互吸引，但由於每個質子的質量是每個電子的1836倍，電子圍繞每個原子核快速移動。最簡單的原子是氫，只有一個電子圍繞著一個單獨的質子運行，被電磁力固定在一起。

由於泡利排除原理：沒有兩個相同的費米子可以在同一地點佔據相同的量子態。氫原子很小，因為它的電子處於允許的最低能量狀態，即基態，而且只有一個電子。然而，較重的原子核，如碳、氧、磷或鐵，其核內有更多的質子，需要在其內有更多的電子。如果低能量子態充滿了電子，那麼隨後的電子必須佔據更高能態，從而導致更大的電子軌道（平均）和佔據更大體積的"更膨脹"的原子。碳原子每個有6個電子，氧原子有8個，磷原子有15個，鐵原子有26個電子。

原子核擁有的質子越多，在原子外圍運行的電子就越多。擁有的電子越多，必須佔據的能量狀態的數量就越多。原子內最高能量電子的能量狀態越高，原子必須佔據的物理體積就越大。一個氫原子的直徑可能只有約1埃（1埃 = 10^-10米 = 0.1納米），但更重的原子可能大得多，直徑可為數埃。

儘管原子經常聚集形成更大的結構，但大多數物體所佔的體積主要可以通過了解物體的組成原子本身所佔的體積來解釋。原因很簡單：泡利不相容原理指出，沒有兩個相同的費米子可以佔據相同的量子態，這就阻止了相鄰原子的電子侵犯另一個原子所佔據的體積。以我們人體為例，我們主要由碳、氧、氫和氮組成，其餘大部分為磷、鈣、鐵和其他適度的重元素。一個典型的成年人體內大約有約10^28個原子，如果假設一個典型的原子約為2埃，這意味著一個成年人的體積約為8萬立方厘米，大約相當於一個約80公斤成年人的大小。

所以，對於構成我們所熟悉的宏觀物體來說，它是這些因素的累積效應：電子的很小質量但非零質量；電子的強大的負電荷；和大質量、帶正電的原子核；再加上泡利不相容原理，使得擁有所佔據的體積。從基本的量子微觀對象、一直到我們的宏觀物體世界，就是這些根本上是極為微小的，甚至可能只是點狀的粒子最終佔據瞭如此多的空間。