长度是最简单的量纲量。就是你用尺子去度量的。物理学家一般会选择用公制单位，我现在就来做这件事。一米大约是39.37英寸。一千米是1 000米，即大约0.621 4英里。
时间被物理学家认为是额外的维度。我们总共能感知到四个维度：三个空间维度和一个时间维度。时间和空间是不同的。你可以在空间的任意方向上运动，但你不能在时间上往回走。实际上，你压根就不能在时间上“运动”。不管你如何行为，时钟就是这么滴答着。至少，这是我们的日常经验。但实际上也没这么简单。如果你的朋友站着，而你沿着一个圆形跑道非常快速地跑，你所经历的时间就没有你朋友经历的那么快。如果你和你的朋友都带着计时秒表，你的表会比你朋友的表走得慢。这种效应，称为时间膨胀，但这是很难觉察到的，除非你跑的速度非常快，快到可以和光速比拟。
质量是对物质多少的度量。我们习惯于把质量等同于重量，但这是不对的。重量源自引力的拉拽。到了外太空，你就说不上重量了，但你的质量可没变。大部分日常物体的质量来自质子和中子，一小部分来自电子。说日常物体的质量其实就是在说它里面包含多少个核子。一个核子就是一个质子或一个中子。我的质量是75千克。粗略估计，就是大约50 000 000 000 000 000 000 000 000 000个核子。正确写下这么大个数太难了。位数这么多使我们很难算清楚。所以人们会依靠所谓科学计数法：现在你不要像我刚才那样记下所有的位数，你说我的身体里大约有5×1028 个核子。这里的28表示在数字5的后面有28个零。我们再继续练习练习。一百万可以写为1×106 ，或更简单，106 。美国国债，现在大约是$10 000 000 000 000，可以方便地表达为1013 美元。现在，如果我身体里的每个核子都有一毛钱的话……
让我们回到物理学中的量纲量。速度是长度和时间的换算因子。假设你可以每秒跑10 m。对人来说，这是相当快的。只要10 s你就能跑100 m。凭这个成绩你得不了奥运金牌，但会很接近。假设无论跑多远你都能保持10 m/s这个速度，跑1 000 m需要多少时间？我们来算一下，1 000 m是100 m的10倍。你10 s就能完成一个百米跑，所以你能用100秒跑完1 000 m。你可以用161 s跑完1英里，就是2分41秒。但实际上这是不可能的，因为没人能一直保持10 m/s的速度。
假设你能，比如说。你能感觉到刚才所说的时间膨胀效应吗？绝无可能。你用2分41秒跑完1英里，时间确实会慢点，但只慢了1/1015 （即1 000 000 000 000 000分之一，或千百万百万分之一）。要想得到一个大点的效应，你就必须以快得多的速度运动。现代加速器中飞速运转的粒子可以有巨大的时间膨胀。它们的时间比静止的质子要慢大约1 000倍。更精确的数值则依赖于我们讨论的粒子加速器。
光速对我们的日常生活而言是个令人尴尬的换算因子，因为它实在太大了。光沿任何方向围绕赤道跑一圈只需大约0.1秒。这是为什么一个美国人和一个印度人可以通过电话聊天而不会感到有明显时间延迟的原因。当你思考真正巨大距离的时候，光速会更有用。比如到月球的距离相当于光走了1.3秒，或者你可以说月球距我们1.3光秒 远。太阳距我们是大约500光秒远。
一光年是个更大的距离：这可是光在真空中一年内所走过的距离。银河系的大小约是100 000光年。我们已知宇宙的大小是大约140亿光年，即大约1.3×1026 米。
公式E=mc2 可以把质量和能量互相换算。就和我们刚刚讨论过的时间和距离的换算类似。但什么是能量呢？这个问题不太好回答，因为我们有太多能量的形式。运动是能量，电是能量，热是能量，光也是能量。它们之间可以任意互相转换。比如，一只灯泡可以把电能转换为热和光，发电机把运动转换为电。能量存在的形式可以改变，但总能量必须守恒，这是物理学中的一条基本原理。为了让这个原理有意义，我们必须会对可以互相转换的不同形式的能量进行度量。
我们先从运动的能量，即动能开始。换算公式是
这里K是动能，m是质量，而v是速度。再次假设你是个奥运短跑选手。经过巨大的努力，你能让自己跑到v=10 m/s。但这比光速慢多了。自然，你的动能会远小于E=mc2 中的E。这意味着什么呢？
E=mc2 说的是“静能量”，知道这个概念会有用。静能量就是当物质不运动时所具有的能量。跑的时候，你会把一小部分静能量转换为动能。很小的一部分，实际上只有大约1/1015 。又是1/1015 ，和刚才算出跑步状态下时间膨胀的数字一样，这并非巧合。狭义相对论中有一个精确的关系可以把时间膨胀因子和动能联系起来。这意味着，假设有什么物体可以运动得足够快并使其能量加倍的话，它所经历的时间就会比不运动的状态慢一半。
想到你有这么多静能量是让人丧气的，因为费尽气力你能够用到的也只是其中很小的比例，1/1015 。我们如何才能利用到物质中更多比例的静能量呢？核能是我们所知的最佳答案。
E=mc2 可以帮助我们很好地理解核能。这里简单地解释下。原子核由质子和中子构成。一个氢原子核由仅仅一个质子构成。一个氦原子核由两个质子和两个中子构成，它们被紧密地束缚在一起。这里我说紧密束缚的意思是我们需要极大能量才能将氦核分开。有些原子核比较容易分开。比如铀-235，它是由92个质子和143个中子构成的。把铀-235分开成几部分是相当容易的。比如，假使我们用中子撞击铀-235的话，它能分裂为一个氪原子核、一个钡原子核、三个中子以及一些能量。这本身是核裂变的一个例子。我们可以把这个反应简单记为：
U+n→Kr+Ba+3n+Energy
这里我们用U代表铀-235，Kr代表氪，Ba代表钡，而n代表中子。（顺便说一句，这里我总是小心地讲铀-235是因为有另一种铀，由铀-238原子核构成，它更常见，也更难被分裂。）
E=mc2 使你能够计算在裂变反应中由于质量变化而放出的能量的数值。反应物（一个铀-235和一个中子）的质量超过生成物（一个氪原子、一个钡原子和三个中子）大约一个质子质量的1/5。我们把这个微小的质量变化代入E=mc2 中以确定放出能量的数值。看起来很小，一个质子质量的1/5差不多是铀-235质量的1/100的1/10：也就是1/1 000。所以放出的能量就是铀-235静能量的1/1 000。这看起来还是不够多，但已经是奥运短跑选手通过全力奔跑可以利用静能量比例的一万亿倍了。
我还是没能解释这些通过核裂变释放出的能量是从哪儿来的。核子的数目并没有变：裂变前和裂变后都是236。但反应物具有比生成物更多的质量。这个意外很重要，现在我们不能再用核子总数来计算质量了。这里的要点在于氪和钡中的核子相互间束缚得更紧密，比铀-235中的核子束缚得紧密。束缚得更紧密意味着更小的质量。松散地束缚着的铀-235原子核会多出一个额外的小质量，等着以能量的形式释放出来。简单来说，当生成物中质子和中子以更紧密的方式结合在一起时，核裂变就会释放出能量。
现代核物理中的一个研究项目就是研究像铀-235这样的重原子核发生远比我现在描述的裂变反应更激烈的反应时的情况，看看会发生什么。因为某种无法在这里展开的原因，实验物理学家偏好用金而不是用铀。当两个金原子核以接近光速相互碰撞，它们完全被摧毁了。几乎所有的核子都相互分裂开。在第8章中，我将告诉大家更多关于这种生成物的信息，它们是稠密、炙热的物质态。
小结一下，由于光速是个已知的常数，静能量E=mc2 的多少将只取决于质量。从铀-235中获取部分静能量要比从物质的大多数其他形态中容易。原则上说，静能量存在于所有物质中，石头、空气、水、树和人。
在继续讨论量子力学之前，让我们在这里稍微停一停，将E=mc2 置于更广阔的知识背景中。它是狭义相对论的一部分，狭义相对论研究运动如何影响对时间和空间的测量。狭义相对论是广义相对论的特殊情况，广义相对论包括对引力和弯曲时空的研究。弦论涵盖广义相对论和量子力学。特别是，弦论中包含了E=mc2 。弦、膜，还有黑洞都遵循这个关系。比如，在第5章中我将讨论膜的质量是如何从膜的热能中获得贡献的。说E=mc2 遵循弦论也不正确，但它符合，并看起来与弦论数学框架中的其他方面密不可分。
