地球上所有物質都是由原子組成的，原子是形成物質特性的最小單位。最小的氫原子尺度直徑約為10^-10米，也就是0.1納米，或者說百億分之一米；氫原子的質量約為1.674*10^-27千克，1個針尖上可以排列億億個原子。

人們對原子的認識從猜想到理論，再到如今真的看到了原子，這個過程是怎樣的，現在看到的原子與過去理論相符嗎？我們一起來了解一下。

早在2500多年前，古希臘的科學家們就有了原子的概念，這個概念是古希臘唯物主義哲學家留基伯提出的，并由其學生德谟克利特發展和完善出來的。德谟克利特對原子的基本描述是：

原子是萬物的本原；根本特性是充滿和堅實，即内部沒有空隙，是堅固不可入和不可分的；原子是永恒的，不生不滅，而且在數量上是無限的；原子永遠處于運動狀态，其運動形式是振動；原子體積極小，人們是無法看到的，不能被感官所知覺，隻能通過理性去認識。

這些認識隻是停留在哲學層面，是一種猜想，但其中有許多符合如今已經發現的科學道理，如物質并非無限可分，原子就是最小單元，原子永遠處于運動狀态等等。但也有許多與後來科學發現不符，如充滿和堅實，不可入和不可分，不生不滅，數量無限等。

但在2500年前就能夠認識這些，已經非常難能可貴了。而我們古代的老祖宗則認為物質是無限可分的，即所謂：一尺之捶，日取其半，萬世不竭。原子論相對這種臆想大大前進了一步，已經顯示了科學的萌芽，後來古希臘果然成為世界科學最早發源地。

自從德谟克利特提出原子論以來，兩千多年一直沒有大的進展，一直到17世紀以後，許多科學家才開始通過大量實驗，證實了原子真實存在，并逐漸開始認識原子的本來面目。

19世紀初，英國化學家約翰·道爾頓首先提出了具有現代科學意義的原子模型，内核有三點：1、原子是不能再分的粒子；2、同種元素的原子各種性質和質量相同；3、原子是微小的實心圓球，不可再分。

道爾頓的原子模型最大的功績是揭示了每一種元素隻包含一種原子，各種原子結合起來就成為化合物的現象；但原子不可再分、是一個實心圓球的說法與德谟克利特沒有實質性區别。

英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜發現了電子，于1904年首次提出了原子存在亞級結構的原子模型，這就否定了道爾頓的“實心球模型”。湯姆遜的模型被稱為“棗糕模型”或“葡萄幹蛋糕模型”，也有的叫“西瓜模型”

湯姆遜認為，原子是一個帶正電荷的球，電子就鑲嵌在原子裡面，就像棗糕裡的棗，或葡萄幹蛋糕裡的葡萄幹，或西瓜裡的西瓜子。

其理論内核有兩點：1、電子平均分布在整個原子上，如同散布在一個有着均勻正電荷的海洋中，電子的負電荷與正電荷相互抵消；2、在受到激發時，電子會離開原子，産生陰極射線。

這個理論最大的功績是發現了原子的亞級結構，而且電子受激發會離開原子，打破了原子是實體球牢不可破不可分割的藩籬。

但很快，湯姆遜的理論就被其學生歐内斯特·盧瑟福推翻了。盧瑟福在1911年提出了原子的“行星模型”，其主要内核為：1、原子大部分體積是空的，核心是一個很小的原子核，幾乎占有了原子的全部質量，并帶有全部正電荷；2、電子帶負電，圍繞着原子核按照一定軌道運轉，就像行星圍繞着太陽轉。

這個理論已經很接近原子的真實樣子了，因此影響深遠和持久。許多年紀稍大的人小時候學習的就是這種理論，而且許多科學事物的插圖或宣傳繪畫，至今還采用着這種模型，中間一個原子核，周圍幾個點子圍繞着原子核運行，形成漂亮的交叉軌道。

但這種模型其實很早就被新興的量子力學否定了。量子力學的核心思想就是粒子的波粒二象性，服從不确定性原理，也就是說粒子運動具有概率波函數性質，無法同時确定其位置和動量，這樣電子就不可能像行星圍繞着太陽運動這樣的規規矩矩，而是電子圍繞着原子核随機的出現在任何位置，由此形成了原子的電子雲模型。見下圖：

這些理論對原子的内在本質是層層剖析，似乎越來越接近真相。但這些理論畢竟都是在沒有看到原子的前提下，通過實驗和理論推演計算得到的。那麼，真正的原子是咋樣的呢，會與理論一緻嗎？

人類的眼睛需要通過光才能夠看到物質，是光照射到物體上，物體對光産生的反射、散射和衍射，才讓人們能夠看到物體的樣子。古代，人們完全采用裸眼來看世界，能看到物體的距離和大小受到很大限制。

當然，由于許多物體很大很亮，人眼也能看得很遠。如可以看到月亮和星星，這些天體距離我們最近的有約40萬千米，最遠的有幾百上千光年，而能看到最遠的仙女座星系，距離我們254萬光年。

但人眼卻無法看到距離我們100米的一隻螞蟻，也看不見爬滿自己身上的螨蟲，更看不到手掌上存在數以億計的細菌和病毒。

這是因為人的視力是受到分辨能力限制的。因為所有的物體通過瞳孔到達視網膜都必須有一個張角，人眼的正常視力可分辨能力為約1′（角分），眼睛極好的人極限分辨率可達0.5′，平均分辨能力為0.75′。

通俗地說，就是在距離25厘米遠的位置，人眼能夠分辨兩個物點的最小間距約為0.1毫米，極限為0.05毫米，這個标準就叫明視距離。

望遠鏡和顯微鏡都是利用這個原理，将物體放大到人眼可以區分。人們就能夠看到本來看不到或難以看到的小物體了。望遠鏡是将遠處的物體拉近，等于放大；顯微鏡就是将附近裸眼看不見的物質放大到能夠看到。

最早的顯微鏡是光學顯微鏡，就是通過凸透鏡放大觀察鏡頭中的物體，是通過可見光照射，讓被觀察物體發出反射、折射、散射和吸收，顯示出标本的形狀和明暗，再經過透鏡放大效應，讓人們觀察。

從此，人們看到了許多微生物，包括肉眼看不到的昆蟲和細菌，讓人類認識世界得到一次飛躍。

但光學望遠鏡有一個弱點，就是凸透鏡放大倍數越大，衍射現象就越嚴重，物體就走形而無法看清了；另一方面，由于光學顯微鏡采用可見光照射，而光照的分辨率最大隻能達到光波波長的一半。

可見光由紅橙黃綠青藍紫等有色光組成，波長約在780~400納米之間，因此即便用波長最短的藍紫光照射，最大分辨率也隻能達到200納米。微生物中，細菌大小約為500~5000納米之間，因此，光學望遠鏡觀察細菌一般是沒有問題的，但觀測病毒，如新冠病毒隻有100納米，就無法看到了。

經過許多科學家幾十年的實驗和研究，綜合各方面因素，給出了光學顯微鏡放大倍數極限為1600倍。一個200納米的物體放大1600倍，也隻有0.32毫米，雖然大于人眼的最小分辨率，但就像人眼看0.32毫米的物體一樣，是無法分辨其結構的。

隻有另辟蹊徑，才能夠進一步提高放大倍數，看到更小的物體。

1931年，人類第一台電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡（英文為Electron Microscope，縮寫為EM），簡稱電鏡。電鏡不是采用可見光來觀察物體，而是根據電子光學原理，用電子束和電子透鏡（一般采用電磁透鏡）代替光束和光學透鏡，使物質的細微結構在非常高倍數下成像的儀器。

根據德布羅意公式，當電鏡的光源電子動量為100Ve時，其波長為0.1225納米。因此，電鏡可以觀測0.2納米的物體，比光學顯微鏡分辨能力提升了1000~2000倍。最小的原子直徑約10^-10米，也就是0.1納米，電鏡的出現，給人類觀察原子提供了可能。

根據不同需要，電鏡分為掃描電鏡（SEM)）和透射電鏡（TEM），還有原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）等。

掃描電鏡和透射電鏡的主要區别是電子束在聚焦掃描時穿不穿過樣品。掃描電鏡隻掃描樣品表面，一行一行掃描；而透射電鏡則是将電子束投射到非常薄的樣品上，穿過整個樣品。但它們的基本原理都是通過電子束對樣品原子的轟擊，碰撞發生散射、衍射而獲得影像，通過放大讓人眼看到。

原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡則是通過探針，來觀察原子級别的物體，後者更精密到觀察和定位單個原子。但這類顯微鏡不是“看到”表面的原子，而是“感知”它們。如STM的工作原理是采用一個非常精細的針尖，非常接近樣品表面，通過偏壓的電勢産生隧穿效應。

這種隧穿效應隻發生在尖端的幾個原子和最接近尖端表面的原子之間，從而産生對原子的分辨率。但這種原子圖像是模糊不清晰的。見上圖：

科學家們将透射電鏡和掃描電鏡結合起來，形成了掃描透射電鏡（STEM）)，這樣就既有透射電鏡又有掃描電鏡的功能。後來美國康奈爾大學的研究團隊發明了一種叫電子疊層成像技術，将其與STEM結合起來，得到了放大1億倍的原子成像。

這是人類首次得到比較清晰的原子圖像。見下圖：

20世紀七八十年代，取得細微結構觀察領域革命性突破的冷凍電鏡出現了，這種技術是基于掃描電鏡的超低溫冷凍制樣及傳輸技術(Cryo-SEM)，可實現直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品，如生物、高分子材料等。

2017年，雅克·杜博歇、約阿希姆·弗蘭克、理查德·亨德森三位科學家由于對冷凍電鏡生物分子成像技術的貢獻，而獲得了諾貝爾化學獎。這項技術推動了微觀世界的革命性突破。

2020年5月，英國劍橋和德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所的兩個科學團隊，分别采用冷凍電鏡技術，獲得了迄今為止最清晰的原子級别照片，并且首次識别出了蛋白質中單個原子。

英國團隊獲得的1.2*10^-10米（0.1納米）結構非常完整，采用的設備和技術分辨出了蛋白質和周圍水分子中的單個氫原子；而德國團隊則得到了去鐵蛋白蛋白質1.25*10^-10米結構。見下圖：

至此，原子的樣子真實地擺在了人們面前，雖然依然隻是原子的外觀，但要知道這種物質是多麼的小啊，小到一個針尖上可以排列億億個，能将它們分辨出來，彰顯了科學技術令人震撼的結果。

電鏡的問世，以及科學技術的不斷深入，終于讓人們看到了原子的樣子，從外觀來看，原子的确像量子力學描述的電子雲模型那樣，是一個不斷運動的亮點。那麼，人類未來還能進一步看到原子的内部結構嗎？

我們知道，原子在化學反應中是不可分割的，是物質保持其基本特性的最小單位，現在已知的118種元素就是如此。但原子通過物理方法是可以分割的，如通過高溫高壓或高速碰撞，會讓原子發生裂變或聚變，從而變成新的元素。

通過各種實驗，已經證實了原子由原子核和電子組成，而原子核又由中子和質子組成，而每個中子和質子則由3個誇克組成。中子由兩個下誇克和一個上誇克組成，質子由兩個上誇克和一個下誇克組成。

上誇克帶2/3正電荷，下誇克帶1/3負電荷。因此，中子裡的誇克正負電荷相等，不顯電性；而質子則正負相抵多出一個電荷，因此顯示1個正電荷；電子帶1個負電荷。這樣一個原子核有多少個質子，就會有多少個電子，原子才會呈中性存在。

那麼，未來能夠看清這些結構，或者能夠發現誇克裡面更深層次的結構嗎？根據目前理論，是不太可能的。

因為根據量子力學不确定性原理，越到深層次的微小結構，動能和位置越難以确定，具有測不準原理；而任何觀測，都要動用光源，包括電子和X射線、γ射線等高頻率超短波長光源，都将對細微結構造成幹擾，這些細微結構是無法看清的。

宇宙中，存在着單個的質子或中子，也存電子和正電子，這些都通過各種儀器能夠探測到，在強子對撞機或加速器等高精度設備儀器裡，這些也都能夠探測到，但這些探測隻能通過氣泡室等方式，獲得它們的路徑，要真正“看到”它們的“樣子”是不太可能的。

而且根據誇克禁閉理論，誇克總色荷為零，受制于強相互作用力，誇克無法單獨存在。因此在現有理論下，能夠看到原子的外觀已經是極限了，未來隻會看得越來越清楚。

不過現在有一種弦理論，說我們世界本來是10維組成，其他6維已經蜷縮了，無法看到了，所以我們現在的世界是四維時空，即三維空間一維時間組成。而組成這個世界的最小單位不是原子，也不是誇克、電子、光子、中微子等點狀粒子，而是極小的線狀的“弦”。

這些“弦”有端點的“開弦”和圈狀的“閉弦”，弦的不同振動和運動才産生了各種不同的基本粒子。這樣說，就是弦的尺度比任何粒子都要小。這個理論很複雜，就不展開說了。許多科學家認為，這個理論是最有希望實現大統一理論的模型。

所謂大統一就是将強力、弱力、電磁力和萬有引力統一起來的理論。

現在科學界已經統一了強電兩種力，标準模型也基本将強、電、弱三種力柔和在了一起，隻有引力要統一進來還完全目無頭緒。如果所有的粒子，包括引力子都是由“弦”構成，引力統一近來就順理成章了。由此，科學界對弦理論寄予了厚望，因此被稱為大統一理論。

如果真是如此，未來人類能看到組成物質的最小單元“弦”嗎？根據量子力學不确定性原理，我想這是不太可能的。或許未來出現颠覆性理論，能夠改變這個預期。

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