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宏观宇宙有多大,微观世界有多小

01

迄今为止,人类一直有两个问题尚未搞清楚:一是宏观宇宙有多大;二是微观世界有多小。

宏观宇宙有多大,微观世界有多小

一直以来,“原子”作为宏观世界与微观世界的“分界线”由来已久,大约在公元前400年,古希腊哲学大师德谟克利特便提出了原子论:宇宙万物由不可分割的原子构成。

十七世纪后期,现代化学之父拉瓦锡认为原子是化学反应中的最小单位;几十年后,英国化学家道尔顿重新定义了原子论:

单一元素的最终微粒便是原子,原子不能自生自灭,也不能再分割。

至此,原子论牢不可破。

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有意思的是,虽然原子在化学反应中不能再被分割,但这还难不倒物理学家们,因为在物理层面,原子世界的“大门”依然可以被打开。

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英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊

“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的人”。

1897年,英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,将抽出空气的带有灯丝和阳极的克鲁克斯管接通了15~60千伏的高压电,管内立即出现了一束呈淡绿色荧光的阴极射线。

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阴极射线管

当他把一块磁铁放在克鲁克斯管外面来回晃动时,发现阴极射线竟然随之发生了偏折,根据偏折的方向,汤姆逊初步判断其具有带电的性质。这是因为在1831年,法拉第已经把电与磁的相遇弄得一清二楚:电与磁会相互感应。

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因此,汤姆逊认为这种射线应该是一种带负电的物质粒子。但他同时也在反问自己:这些粒子又是什么呢?它们究竟是原子还是分子?

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在之后的实验中,汤姆逊对这种粒子同时施加一个电场和磁场,并调节电场和磁场所造成的粒子偏转相互抵消,让粒子仍作直线运动。这样便能从电场和磁场的强度比值中计算出粒子的运动速度。

速度一旦确定后,靠磁偏转或者电偏转就可以计算出粒子的电荷与质量的比值。

汤姆逊用这种方法经过计算后得知,这种粒子的质量要比氢原子的质量还要小得多(质量相差近二千倍)。

汤姆逊将这种粒子命名为——“微粒”。后来科学家们普遍采用了爱尔兰物理学家乔治·斯通尼对电的基本单位的命名——“电子”来作为这种“微粒”的学名。

电子的发现,说明原子还不是最小的物质单位,因为电子就要比原子小得多得多。当电子束被应用到医疗诊断之中成为X射线(波长小于0.1纳米)之后,科学家们明白了,只要对电子加以适当的控制,电子便可以成为打开原子(0.1纳米)世界大门的一把“钥匙”。

02

打开原子世界大门的钥匙找到了,还需要一种操纵“电子”的设备才行,这根本难不倒聪明的科学家们。

“眼镜”曾被评为人类科技史上最重要的一项发明创造,说明看得见固然重要,看得清才是人类驾驭这个大千世界的重中之重。

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对于眼睛所能看到的一切自然现象,人类都会抱有极大的好奇心去探索和解读。一直以来,由一片凹透镜(目镜)和一片凸透镜(物镜)所组成的望远镜是看清远距离目标的利器,如今还有射电望远镜,红外望远镜,X射线和伽马射线望远镜来帮助人类观测极为遥远的未知宇宙空间。

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实际上,微小物质也是构成自然界的重要组成部分。在人类视力良好的情况下,可被人眼辨识的最小目标大约为50微米(约为头发的二分之一),若目标小于这个尺度,我们的双眼看到的仅是一个模糊的点而已。也就是说,仅凭肉眼,我们将永远无法进入奇妙的微观世界。由此,科学家们又发明出由两片凸透镜所组成的显微镜来一窥微观世界的奥秘。

显微技术发展到今天,可分为光学显微技术和电子显微技术两大类。

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光学显微技术的弊端是,它的最高分辨率有上限。也就是说,光学显微镜的最高分辨率与光波的波长成正比,即波长越短显微镜的分辨率越高。

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同时这个分辨率还由物镜可收集多少衍射光来决定(阿贝成像理论),由于紫外光是光波中波长最短的(400~10纳米),因而光学显微镜的分辨率不能无限提高。

如今的光学显微镜最高放大倍数仅为2000倍,也就是说只能看清200纳米左右的东西。在这种分辨率下看清细胞、细菌是易如反掌,可是要进入原子级别的微观世界(0.1纳米以下)一窥究竟还要相差十万八千里。

03

上面说过,当电子束汇聚成阴极射线并被发掘为X射线之后,科学家们终于找到了在透镜上聚焦电子束的方法。由此,进入原子世界的利器——“电子显微镜”横空出世。

1923年,法国科学家路易·维克多·德布罗意提出了电子的波粒二象性的设想,即电子虽然可被看做是一种粒子,但是运动中的电子也具备“波”的性质。

3年后,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔成功推导出了电子波在电磁场中的运动方程:

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薛定谔方程从另一个方面证明了电子波的传播轨迹和光波的传播轨迹具有相似性。

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也就是说,如果光波的传播介质“玻璃”的折射常数正比于电子的运动速度,那么电子波在电磁场中的传播与光波在某种介质中的传播将是完全一致的。

换言之,既然光波可以经玻璃透镜聚集,那么电子束也应该可以通过某种介质聚集。

有意思的是,历史的巧合常令人感到不可思议。

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就在薛定谔方程问世的同一年,德国科学家布施便提出了:轴对称电磁场对电子束具有类似光波透镜聚集的效应。

1929年,德国物理学家恩斯特·鲁斯卡应用这些原理制成了世界上首个只有单一透镜的电子显微镜(仅能放大十几倍)。

自此,人类打开原子世界的“大门”便没有了任何障碍。

04

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实际上,当恩斯特·鲁斯卡发明的电子显微镜面世之后,其观测分辨率根本不尽如人意,甚至还远不如光学显微镜。可是当鲁斯卡(1933年)对这个电子显微镜进行改良之后,其分辨率便达到了50纳米(估算),这个成绩在今天也能轻轻松松超过最高端的光学显微镜。

需要注意的是,电子显微镜的发展核心并不是要将目标放大到更高的倍数,而是要增加分辨目标细微结构的能力。

也就是说,即便能把目标放大几百万倍,可是看不清结构也是万般皆无用。

1959年,物理大师费曼便一语中的地指出:“如果我们能够最终发展出对我们所制备及要制备的物质进行原子水平观测能力的话,对解决化学及生物学问题将有巨大的助益,而我相信这一能力的实现是不可避免的。”

而此时的电子显微镜的分辨率已从初期的几十纳米大幅提高至约1纳米,超过了光学显微镜极限分辨率200倍,但距离真正的原子分辨率0.1纳米还有0.9纳米之遥。这区区的0.9纳米又耗费了科学家们近50年的时间才最终实现。

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这期间,科学家们也并不是一无所获,1956年,英国的蒙特发表了首例薄晶体条纹像,其可分辨间距为1.2纳米。

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科学家们还首次拍下了让人类深受其害的艾滋病毒的真实样貌。

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1971年,日本科学家饭岛澄男在对一种铌酸钛化合物的研究中,获得了人类历史上首张原子级别高分辨率电子显微像。其分辨率高达3.5埃,即0.35纳米。

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之后饭岛澄男又首发纳米碳管的高分辨像,让我们真正领略到碳原子在微观世界中的巧夺天工。

至1979年,世界上大部分的电子显微镜都已具备了2~3.5埃的分辨率,此时分辨一般的金属原子位置已是手到擒来。这对于研究金属位错现象有了极大的帮助。譬如可以避免因金属塑性变形而引发铁路桥倒塌等灾难性事故。

我国的电子显微技术也是起步于此时,1980年,借助从日本进口的一台当时世界上分辨率最高的JEM200CX电子显微镜,我国科学家郭可信先生迅速建立起一支研究团队,之后在准晶结构领域里的研发一直处于世界前列。

“科学的精神就是勇于探索,永不满足现状。”

诺贝尔物理学奖得主泡利曾风趣地把物质表面形容为“魔鬼的杰作”。

因为物质表面是将物质内部与外部世界分开的一道界面。这层表面上的原子会以不同于内部的方式进行排列。因而其结构往往更为复杂和难以预料。

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采用磨制或化学腐蚀法制成的钨针尖

如果通过对物质表面采取某种形式的扫描成像,便可获知其表面结构。至此,科学家们的任务就非常明确了。那就是找出一种极细的“探针”,使之与电脑配合描述出物质的表面结构。

1982年,德国物理学家格尔德·宾宁和瑞士物理学家海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士的苏黎世实验室发明出了世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜。

“扫描”,顾名思义,“隧道”的全称应该是量子隧道效应。它是量子力学中的一种非常奇特的物理现象。我们知道在宏观世界中任何人或其它物体都不可能在不毁坏一堵墙的情况下穿墙而过。

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然而在微观世界里,当微观粒子在运动过程中遇到绝缘体时也会被阻挡,但是当绝缘体足够薄时,粒子就能“穿过”绝缘体,就好像在绝缘体上开了一个隧道,因此叫做隧穿效应。

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扫描隧道显微镜正是利用了这一原理:

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用纳米级的探针尖与可导电的样品构成两个电极,启动偏置电压后,当探针尖足够接近样品表面,也就是小于1纳米时,两个电极之间便能形成微小的隧道电流,再根据电流大小反推出距离,从而得出样品表面的高度数据,在电脑上便能绘制出一张高分辨率显微图像来。

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富勒烯表面结构的扫描隧道显微像

也就是说,即使样品表面只有原子尺度的起伏,隧道电流也会有数量级的变化,因此通过电流的变化就可以推导出样品表面的形貌信息。

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令人不可思议的是,1990年,在美国加利福尼亚州的IBM研究实验室,科学家们通过扫描隧道显微镜在镍表面竟然将35个氙原子排列成“IBM”三个字母,每个字母仅为5纳米,堪称世界最小的商标。

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不同年代的扫描隧道显微原子图

扫描隧道显微镜的发明使显微技术达到了一个新的境界:能更进一步地观测和操控原子。同时对物理、化学、生物、材料等领域都产生巨大的推动作用。为此宾宁和罗雷尔于1986年被授予诺贝尔物理学奖。

可是,扫描隧道显微镜的缺点是只能探测导体和部分半导体样品,宾宁再接再厉,1985年又与卡尔文·奎特、克里斯托夫·格伯发明了另一类型的扫描探针显微镜——原子力显微镜。

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原子力显微镜的原理是利用微小悬臂来探测、放大悬臂上极尖细的探针与受测样品原子间的作用力,从而达到具有原子级分辨率的检测结果。

原子力显微镜既可以测金属样品外还可测非金属样品,从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。

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1991年,美国华盛顿大学的约翰·西德斯研制出磁共振力显微镜,特点是能构建出纳米级三维图像。

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冷冻电子显微镜下的寨卡(Zika)病毒粒子三维结构图像重建

还有获得2017年诺贝尔化学奖的冷冻电子显微镜。特点是通过“冷冻”的方法来降低电子束对含水生物样品分子结构的辐照损伤。

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左侧,普通电镜的分辨率;右侧,冷冻电镜的分辨率

而且其分辨率高达0.2纳米,突破了X射线晶体衍射和磁共振技术的局限。

提升电子显微镜分辨率的方法不单只有技术端,2018年,康奈尔大学的研究团队还通过一种“ptychography”的算法驱动,创造了一个世界纪录:将最先进的电子显微镜的分辨率提高了2倍。从照片中看到的原子分辨率是如此的精细,唯一的模糊原因是原子本身的热抖动。

“一花一世界,一草一天堂。”

来看看电子显微镜拍下的新冠病毒的样子:

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新型冠状病毒,照片来源:国家病原微生物资源库(中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所)

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香港大学电子显微镜图像显示了在细胞中生长的新型冠状病毒。

再来领略一下微观世界的鬼斧神工:

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DNA的双螺旋结构的电子显微镜照片

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结语

微观世界的广阔不亚于宏观世界的无边无际,人类的聪明才智在孜孜不怠的追求中得以印证,我们的视线终于进入了精彩至极的原子世界。为这些付出了无数艰辛汗水的科学家点赞。

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