想看看原子到底長(zhǎng)啥樣嗎？

2021 年 5 月 28 日，美國(guó)康奈爾大學(xué)研究人員在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，展示了他們用改進(jìn)后的電子疊層衍射成像技術(shù)捕獲的原子圖像。

 圖源：《Science》雜志1 

這些破紀(jì)錄的圖像主角，是一種名為正鈧酸鐠（PrScO3）的晶體。

2024 年 2 月 26 日，伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校，華裔女科學(xué)家黃品珊團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種未經(jīng)校正的掃描透射電子顯微鏡中的電子疊層成像技術(shù)，進(jìn)一步提升了圖像的空間分辨率。

 圖源：《Science》雜志2

2024 年 6 月 29 日，清華大學(xué)余榮團(tuán)隊(duì)在《自然-納米技術(shù)》雜志發(fā)表文章，提出局部軌道衍射成像法，實(shí)現(xiàn)了 14 皮米的超高分辨率成像，有望對(duì)金屬、陶瓷等材料的原子級(jí)成像產(chǎn)生革命性影響。

 圖源：清華大學(xué)新聞3 

2025 年 2 月 14 日：華南理工大學(xué)電子顯微中心團(tuán)隊(duì)展示了接近原子分辨率（約 2 埃）的電子疊層衍射重構(gòu)，為高分辨率成像各種敏感材料提供了新方法。

 圖源：《Nature》雜志4

怎么樣？看了這些，有沒(méi)有被震撼到？現(xiàn)在人類的顯微攝影技術(shù)，已經(jīng)可以給原子拍照片了。

不過(guò)你或許不知道的是，這些原子照片誕生的過(guò)程，既不是通過(guò)相機(jī)捕獲的，也不是靠肉眼觀察的，拍攝照片的過(guò)程，其實(shí)是一場(chǎng)獨(dú)特的信息交互過(guò)程。

01原子照片是怎么拍的？

想要看到原子，需要用波長(zhǎng)極短的高能電子束作為探針。當(dāng)這些電子束照射到樣品上時(shí)，它們會(huì)與原子發(fā)生相互作用，但這個(gè)相互作用的結(jié)果，并不是一個(gè)清晰的圖像。相反，它產(chǎn)生的是一堆雜亂無(wú)章的衍射斑點(diǎn)和干涉條紋。這些圖案，其實(shí)是原子排列、原子種類等信息被重新編碼后的結(jié)果。它們就像是一份份被加密的電報(bào)，記載著微觀世界最原始的秘密。

 采用不同的衍射方式時(shí)，可以觀察到多種形式的衍射結(jié)果

科學(xué)家在給原子拍照這件事情上，扮演的是解碼者的角色。他們利用電子從微觀世界帶回來(lái)的信息，來(lái)重新描繪原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，這就是電子疊層衍射成像技術(shù)的精髓所在。

電子疊層衍射成像技術(shù)不是簡(jiǎn)單地收集信息和繪制圖像，而是通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算重構(gòu)過(guò)程，將這些圖案中隱藏的相位和振幅信息還原出來(lái)。這個(gè)過(guò)程，與我們平時(shí)拍照片的過(guò)程完全不同。它更像是一個(gè)推理探案的過(guò)程，通過(guò)收集案情中留下的各種蛛絲馬跡，反推出案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況。

然而，就算算法把原子排列的信息完美地還原出來(lái)，它呈現(xiàn)給我們的，仍然是一堆抽象的數(shù)字坐標(biāo)或者一個(gè)復(fù)雜的三維模型。我們的大腦，并不能直接理解這些抽象的符號(hào)。因此，需要進(jìn)一步將這些信息轉(zhuǎn)化為我們最擅長(zhǎng)處理的視覺(jué)形式，比如將原子映射成一個(gè)個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)的大小、亮度、位置等都經(jīng)過(guò)了精心的設(shè)計(jì)，代表著原子的相對(duì)位置、原子序數(shù)等信息。

這個(gè)過(guò)程就特別像警方破案之后向社會(huì)發(fā)布的警情通報(bào)。警察不會(huì)說(shuō)誰(shuí)在哪里留下了指紋，誰(shuí)在哪里取得了 DNA，而是干脆用講故事的方法把整個(gè)案子給你講一遍，讓人們一聽就秒懂了。

你看，這整個(gè)過(guò)程，從電子束與原子的物理交互，到計(jì)算機(jī)的計(jì)算解碼，再到最終的圖像呈現(xiàn)，沒(méi)有哪一步是簡(jiǎn)單的拍攝。它是一個(gè)先想方設(shè)法收集原始物理信息，再對(duì)信息進(jìn)行整理和編輯，最終完成微觀世界畫像的鏈條。說(shuō)白了就是，人們對(duì)事物的理解無(wú)比依賴視覺(jué)，那些看不見的東西，必須盡可能地視覺(jué)化，大腦才能接受和消化。這就是一圖勝千言的道理所在。

02圖像的本質(zhì)是什么？

現(xiàn)在，我們把目光從具體的原子成像技術(shù)上移開，來(lái)思考一個(gè)更普遍、更本質(zhì)的問(wèn)題：圖像的本質(zhì)是什么？

圖像并不是現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)單復(fù)制品，而是一種把“世界的樣子”翻譯成“人看得懂的東西”的轉(zhuǎn)換器。它的好壞不在于像不像，而在于能不能讓我們瞬間抓住原本摸不著、看不見的信息。

如果把整個(gè)過(guò)程想成一條信息生產(chǎn)線，那它大致是這樣的：

世界先把自己的狀態(tài)——原子的排列、宇宙射線、人體里的微弱信號(hào)——用電子散射、電磁波、磁場(chǎng)變化等可測(cè)量的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)出來(lái)。

接下來(lái)，電子顯微鏡、射電望遠(yuǎn)鏡、核磁共振儀等儀器就像靈敏的耳朵和眼睛，把這些現(xiàn)象聽到、看到，并轉(zhuǎn)化成可以傳輸?shù)男盘?hào)。

更進(jìn)一步，計(jì)算機(jī)和算法會(huì)繼續(xù)把信號(hào)整理成有意義的格式保存起來(lái)，這就是數(shù)據(jù)。

但到這里還沒(méi)完，因?yàn)槿祟惔竽X最擅長(zhǎng)、最省力的接口不是聲音，不是文字，而是圖像。于是，科學(xué)家們把大量的數(shù)據(jù)翻譯成圖像，讓我們的大腦瞬間就能明白。

換句話說(shuō)，圖像就是世界與大腦之間的一座橋。但我們必須明白：現(xiàn)實(shí)比我們直接看到的復(fù)雜得多，我們看到的各種“照片”，不過(guò)是科學(xué)家把最重要的那些信息，翻譯成了進(jìn)行了圖像化而已。

03翻譯的藝術(shù)

理解了這一點(diǎn)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種翻譯的藝術(shù)，早已滲透在科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。為了讓那些原本不可見的世界變得可見，科學(xué)家們一直在努力為世界畫像。

比如，在天文領(lǐng)域，我們看到的黑洞照片，那其實(shí)是事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項(xiàng)目匯集全球八臺(tái)頂級(jí)射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)復(fù)雜的算法還原出的黑洞陰影輪廓。那張震撼人心的照片，本質(zhì)上是科學(xué)家們將抽象的射電波數(shù)據(jù)，翻譯成了我們能夠理解的視覺(jué)圖像。

 天馬望遠(yuǎn)鏡和黑洞照片

在醫(yī)療領(lǐng)域，我們看到的醫(yī)學(xué)影像，比如核磁共振和CT掃描，也并不是真的給人體組織拍照。CT是利用X射線穿透不同組織衰減程度不同的特點(diǎn)，將身體的橫截面信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)重建成二維或三維圖像。而核磁共振則是利用磁場(chǎng)和射頻脈沖，探測(cè)人體內(nèi)水分子中的氫原子核，通過(guò)傅里葉變換等復(fù)雜算法，將這些信號(hào)翻譯成清晰的圖像，讓我們能夠“看見”身體內(nèi)部的病灶。

在地球科學(xué)領(lǐng)域，我們?cè)跉庀髨D上看到的臺(tái)風(fēng)，其實(shí)是氣象衛(wèi)星通過(guò)探測(cè)臺(tái)風(fēng)云層反射的紅外線、可見光等波段數(shù)據(jù)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)建模和圖像處理技術(shù)，將這些數(shù)據(jù)翻譯成我們能夠直觀理解的動(dòng)態(tài)圖像。

 圖源：中國(guó)氣象局：臺(tái)風(fēng)的雷達(dá)影像

此外，地圖上的等高線圖、風(fēng)場(chǎng)流線圖，都是將抽象的地理高程、風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為圖像，幫助我們直觀地理解地球的復(fù)雜動(dòng)態(tài)。

就算是在日常生活中，我們每一個(gè)人也都在不遺余力地創(chuàng)造著圖形。那些枯燥的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)化成為折線圖、柱狀圖、熱力圖之后，其中隱藏的趨勢(shì)、規(guī)律和關(guān)聯(lián)就會(huì)變得呼之欲出。這本質(zhì)上是將抽象的、高維度的數(shù)據(jù)，翻譯成人類大腦最擅長(zhǎng)處理的低維度、具象化的圖像。

每當(dāng)我們通過(guò)科學(xué)影像來(lái)認(rèn)知這個(gè)世界，都好像是在用盲文閱讀彩虹。但正是這種想要“一窺究竟”的動(dòng)力，讓眾多科學(xué)家經(jīng)過(guò)不懈努力，淬煉出映入我們視網(wǎng)膜的一幅幅視覺(jué)詩(shī)篇。

如果你也喜歡這些科學(xué)圖像，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)，把你的感受分享給更多人。

信源

[1]https://science.sciencemag.org/content/372/6544/826

[2]Achieving sub-0.5-angstrom–resolution ptychography in an uncorrected electron microscope

[3]https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/109658.htm

[4]https://www.nature.com/articles/s41467-025-56215-z