01

迄今為止，人類一直有兩個問題尚未搞清楚：一是宏觀宇宙有多大；二是微觀世界有多小。

一直以來，“原子”作為宏觀世界與微觀世界的“分界線”由來已久，大約在公元前400年，古希臘哲學大師德谟克利特便提出了原子論：宇宙萬物由不可分割的原子構成。

十七世紀後期，現代化學之父拉瓦錫認為原子是化學反應中的最小單位；幾十年後，英國化學家道爾頓重新定義了原子論：

單一元素的最終微粒便是原子，原子不能自生自滅，也不能再分割。

至此，原子論牢不可破。

有意思的是，雖然原子在化學反應中不能再被分割，但這還難不倒物理學家們，因為在物理層面，原子世界的“大門”依然可以被打開。

英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜

“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的人”。

1897年，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實驗中，将抽出空氣的帶有燈絲和陽極的克魯克斯管接通了15~60千伏的高壓電，管内立即出現了一束呈淡綠色熒光的陰極射線。

陰極射線管

當他把一塊磁鐵放在克魯克斯管外面來回晃動時，發現陰極射線竟然随之發生了偏折，根據偏折的方向，湯姆遜初步判斷其具有帶電的性質。這是因為在1831年，法拉第已經把電與磁的相遇弄得一清二楚：電與磁會相互感應。

因此，湯姆遜認為這種射線應該是一種帶負電的物質粒子。但他同時也在反問自己：這些粒子又是什麼呢？它們究竟是原子還是分子？

在之後的實驗中，湯姆遜對這種粒子同時施加一個電場和磁場，并調節電場和磁場所造成的粒子偏轉相互抵消，讓粒子仍作直線運動。這樣便能從電場和磁場的強度比值中計算出粒子的運動速度。

速度一旦确定後，靠磁偏轉或者電偏轉就可以計算出粒子的電荷與質量的比值。

湯姆遜用這種方法經過計算後得知，這種粒子的質量要比氫原子的質量還要小得多（質量相差近二千倍）。

湯姆遜将這種粒子命名為——“微粒”。後來科學家們普遍采用了愛爾蘭物理學家喬治·斯通尼對電的基本單位的命名——“電子”來作為這種“微粒”的學名。

湯姆遜的“葡萄幹布丁”原子模型

電子的發現，說明原子還不是最小的物質單位，因為電子就要比原子小得多得多。當電子束被應用到醫療診斷之中成為X射線（波長小于0.1納米）之後，科學家們明白了，隻要對電子加以适當的控制，電子便可以成為打開原子（0.1納米）世界大門的一把“鑰匙”。

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打開原子世界大門的鑰匙找到了，還需要一種操縱“電子”的設備才行，這根本難不倒聰明的科學家們。

“眼鏡”曾被評為人類科技史上最重要的一項發明創造，說明看得見固然重要，看得清才是人類駕馭這個大千世界的重中之重。

對于眼睛所能看到的一切自然現象，人類都會抱有極大的好奇心去探索和解讀。一直以來，由一片凹透鏡（目鏡）和一片凸透鏡（物鏡）所組成的望遠鏡是看清遠距離目标的利器，如今還有射電望遠鏡，紅外望遠鏡，X射線和伽馬射線望遠鏡來幫助人類觀測極為遙遠的未知宇宙空間。

實際上，微小物質也是構成自然界的重要組成部分。在人類視力良好的情況下，可被人眼辨識的最小目标大約為50微米（約為頭發的二分之一），若目标小于這個尺度，我們的雙眼看到的僅是一個模糊的點而已。也就是說，僅憑肉眼，我們将永遠無法進入奇妙的微觀世界。由此，科學家們又發明出由兩片凸透鏡所組成的顯微鏡來一窺微觀世界的奧秘。

顯微技術發展到今天，可分為光學顯微技術和電子顯微技術兩大類。

光學顯微技術的弊端是，它的最高分辨率有上限。也就是說，光學顯微鏡的最高分辨率與光波的波長成正比，即波長越短顯微鏡的分辨率越高。

同時這個分辨率還由物鏡可收集多少衍射光來決定（阿貝成像理論），由于紫外光是光波中波長最短的（400~10納米），因而光學顯微鏡的分辨率不能無限提高。

如今的光學顯微鏡最高放大倍數僅為2000倍，也就是說隻能看清200納米左右的東西。在這種分辨率下看清細胞、細菌是易如反掌，可是要進入原子級别的微觀世界（0.1納米以下）一窺究竟還要相差十萬八千裡。

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上面說過，當電子束彙聚成陰極射線并被發掘為X射線之後，科學家們終于找到了在透鏡上聚焦電子束的方法。由此，進入原子世界的利器——“電子顯微鏡”橫空出世。

1923年，法國科學家路易·維克多·德布羅意提出了電子的波粒二象性的設想，即電子雖然可被看做是一種粒子，但是運動中的電子也具備“波”的性質。

3年後，奧地利物理學家埃爾溫·薛定谔成功推導出了電子波在電磁場中的運動方程：

薛定谔方程從另一個方面證明了電子波的傳播軌迹和光波的傳播軌迹具有相似性。

也就是說，如果光波的傳播介質“玻璃”的折射常數正比于電子的運動速度，那麼電子波在電磁場中的傳播與光波在某種介質中的傳播将是完全一緻的。

換言之，既然光波可以經玻璃透鏡聚集，那麼電子束也應該可以通過某種介質聚集。

有意思的是，曆史的巧合常令人感到不可思議。

就在薛定谔方程問世的同一年，德國科學家布施便提出了：軸對稱電磁場對電子束具有類似光波透鏡聚集的效應。

1929年，德國物理學家恩斯特·魯斯卡應用這些原理制成了世界上首個隻有單一透鏡的電子顯微鏡（僅能放大十幾倍）。

自此，人類打開原子世界的“大門”便沒有了任何障礙。

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實際上，當恩斯特·魯斯卡發明的電子顯微鏡面世之後，其觀測分辨率根本不盡如人意，甚至還遠不如光學顯微鏡。可是當魯斯卡（1933年）對這個電子顯微鏡進行改良之後，其分辨率便達到了50納米（估算），這個成績在今天也能輕輕松松超過最高端的光學顯微鏡。

需要注意的是，電子顯微鏡的發展核心并不是要将目标放大到更高的倍數，而是要增加分辨目标細微結構的能力。

也就是說，即便能把目标放大幾百萬倍，可是看不清結構也是萬般皆無用。

1959年，物理大師費曼便一語中的地指出：“如果我們能夠最終發展出對我們所制備及要制備的物質進行原子水平觀測能力的話，對解決化學及生物學問題将有巨大的助益，而我相信這一能力的實現是不可避免的。”

而此時的電子顯微鏡的分辨率已從初期的幾十納米大幅提高至約1納米，超過了光學顯微鏡極限分辨率200倍，但距離真正的原子分辨率0.1納米還有0.9納米之遙。這區區的0.9納米又耗費了科學家們近50年的時間才最終實現。

非原圖，來源：網絡

這期間，科學家們也并不是一無所獲，1956年，英國的蒙特發表了首例薄晶體條紋像，其可分辨間距為1.2納米。

科學家們還首次拍下了讓人類深受其害的艾滋病毒的真實樣貌。

飯島澄男

非原圖，來源：網絡

1971年，日本科學家飯島澄男在對一種铌酸钛化合物的研究中，獲得了人類曆史上首張原子級别高分辨率電子顯微像。其分辨率高達3.5埃，即0.35納米。

非原圖，來源：網絡

之後飯島澄男又首發納米碳管的高分辨像，讓我們真正領略到碳原子在微觀世界中的巧奪天工。

至1979年，世界上大部分的電子顯微鏡都已具備了2~3.5埃的分辨率，此時分辨一般的金屬原子位置已是手到擒來。這對于研究金屬位錯現象有了極大的幫助。譬如可以避免因金屬塑性變形而引發鐵路橋倒塌等災難性事故。

郭可信

我國的電子顯微技術也是起步于此時，1980年，借助從日本進口的一台當時世界上分辨率最高的JEM200CX電子顯微鏡，我國科學家郭可信先生迅速建立起一支研究團隊，之後在準晶結構領域裡的研發一直處于世界前列。

“科學的精神就是勇于探索，永不滿足現狀。”

諾貝爾物理學獎得主泡利曾風趣地把物質表面形容為“魔鬼的傑作”。

因為物質表面是将物質内部與外部世界分開的一道界面。這層表面上的原子會以不同于内部的方式進行排列。因而其結構往往更為複雜和難以預料。

采用磨制或化學腐蝕法制成的鎢針尖

如果通過對物質表面采取某種形式的掃描成像，便可獲知其表面結構。至此，科學家們的任務就非常明确了。那就是找出一種極細的“探針”，使之與電腦配合描述出物質的表面結構。

德國物理學家格爾德·賓甯和瑞士物理學家海因裡希·羅雷爾

1982年，德國物理學家格爾德·賓甯和瑞士物理學家海因裡希·羅雷爾在IBM位于瑞士的蘇黎世實驗室發明出了世界上第一台具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡。

“掃描”，顧名思義，“隧道”的全稱應該是量子隧道效應。它是量子力學中的一種非常奇特的物理現象。我們知道在宏觀世界中任何人或其它物體都不可能在不毀壞一堵牆的情況下穿牆而過。

然而在微觀世界裡，當微觀粒子在運動過程中遇到絕緣體時也會被阻擋，但是當絕緣體足夠薄時，粒子就能“穿過”絕緣體，就好像在絕緣體上開了一個隧道，因此叫做隧穿效應。

掃描隧道顯微鏡正是利用了這一原理：

用納米級的探針尖與可導電的樣品構成兩個電極，啟動偏置電壓後，當探針尖足夠接近樣品表面，也就是小于1納米時，兩個電極之間便能形成微小的隧道電流，再根據電流大小反推出距離，從而得出樣品表面的高度數據，在電腦上便能繪制出一張高分辨率顯微圖像來。

富勒烯表面結構的掃描隧道顯微像

也就是說，即使樣品表面隻有原子尺度的起伏，隧道電流也會有數量級的變化，因此通過電流的變化就可以推導出樣品表面的形貌信息。

令人不可思議的是，1990年，在美國加利福尼亞州的IBM研究實驗室，科學家們通過掃描隧道顯微鏡在鎳表面竟然将35個氙原子排列成“IBM”三個字母，每個字母僅為5納米，堪稱世界最小的商标。

不同年代的掃描隧道顯微原子圖

掃描隧道顯微鏡的發明使顯微技術達到了一個新的境界：能更進一步地觀測和操控原子。同時對物理、化學、生物、材料等領域都産生巨大的推動作用。為此賓甯和羅雷爾于1986年被授予諾貝爾物理學獎。

卡爾文·奎特和克裡斯托夫·格伯

可是，掃描隧道顯微鏡的缺點是隻能探測導體和部分半導體樣品，賓甯再接再厲，1985年又與卡爾文·奎特、克裡斯托夫·格伯發明了另一類型的掃描探針顯微鏡——原子力顯微鏡。

第一台原子力顯微鏡

原子力顯微鏡的原理是利用微小懸臂來探測、放大懸臂上極尖細的探針與受測樣品原子間的作用力，從而達到具有原子級分辨率的檢測結果。

原子力顯微鏡既可以測金屬樣品外還可測非金屬樣品，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。

1991年，美國華盛頓大學的約翰·西德斯研制出磁共振力顯微鏡，特點是能構建出納米級三維圖像。

冷凍電子顯微鏡下的寨卡(Zika)病毒粒子三維結構圖像重建

還有獲得2017年諾貝爾化學獎的冷凍電子顯微鏡。特點是通過“冷凍”的方法來降低電子束對含水生物樣品分子結構的輻照損傷。

左側，普通電鏡的分辨率；右側，冷凍電鏡的分辨率

而且其分辨率高達0.2納米，突破了X射線晶體衍射和磁共振技術的局限。

提升電子顯微鏡分辨率的方法不單隻有技術端，2018年，康奈爾大學的研究團隊還通過一種“ptychography”的算法驅動，創造了一個世界紀錄：将最先進的電子顯微鏡的分辨率提高了2倍。從照片中看到的原子分辨率是如此的精細，唯一的模糊原因是原子本身的熱抖動。

“一花一世界，一草一天堂。”

來看看電子顯微鏡拍下的新冠病毒的樣子：

新型冠狀病毒，照片來源：國家病原微生物資源庫（中國疾病預防控制中心病毒病預防控制所）

香港大學電子顯微鏡圖像顯示了在細胞中生長的新型冠狀病毒。

再來領略一下微觀世界的鬼斧神工：

DNA的雙螺旋結構的電子顯微鏡照片

結語

微觀世界的廣闊不亞于宏觀世界的無邊無際，人類的聰明才智在孜孜不怠的追求中得以印證，我們的視線終于進入了精彩至極的原子世界。為這些付出了無數艱辛汗水的科學家點贊。

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