想看看原子到底長啥樣嗎？

2021 年 5 月 28 日，美國康奈爾大學(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)家黃品珊團隊開發(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)余榮團隊在《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，實現(xiàn)了 14 皮米的超高分辨率成像，有望對金屬、陶瓷等材料的原子級成像產(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)電子顯微中心團隊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。

不過你或許不知道的是，這些原子照片誕生的過程，既不是通過相機捕獲的，也不是靠肉眼觀察的，拍攝照片的過程，其實是一場獨特的信息交互過程。

01原子照片是怎么拍的？

想要看到原子，需要用波長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，它們會與原子發(fā)生相互作用，但這個相互作用的結(jié)果，并不是一個清晰的圖像。相反，它產(chǎn)生的是一堆雜亂無章的衍射斑點和干涉條紋。這些圖案，其實是原子排列、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，記載著微觀世界最原始的秘密。

采用不同的衍射方式時，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的信息，來重新描繪原子內(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)不是簡單地收集信息和繪制圖像，而是通過復(fù)雜的計算重構(gòu)過程，將這些圖案中隱藏的相位和振幅信息還原出來。這個過程，與我們平時拍照片的過程完全不同。它更像是一個推理探案的過程，通過收集案情中留下的各種蛛絲馬跡，反推出案發(fā)現(xiàn)場的真實情況。

然而，就算算法把原子排列的信息完美地還原出來，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。因此，需要進(jìn)一步將這些信息轉(zhuǎn)化為我們最擅長處理的視覺形式，比如將原子映射成一個個光點，光點的大小、亮度、位置等都經(jīng)過了精心的設(shè)計，代表著原子的相對位置、原子序數(shù)等信息。

這個過程就特別像警方破案之后向社會發(fā)布的警情通報。警察不會說誰在哪里留下了指紋，誰在哪里取得了 DNA，而是干脆用講故事的方法把整個案子給你講一遍，讓人們一聽就秒懂了。

你看，這整個過程，從電子束與原子的物理交互，到計算機的計算解碼，再到最終的圖像呈現(xiàn)，沒有哪一步是簡單的拍攝。它是一個先想方設(shè)法收集原始物理信息，再對信息進(jìn)行整理和編輯，最終完成微觀世界畫像的鏈條。說白了就是，人們對事物的理解無比依賴視覺，那些看不見的東西，必須盡可能地視覺化，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，來思考一個更普遍、更本質(zhì)的問題：圖像的本質(zhì)是什么？

圖像并不是現(xiàn)實的簡單復(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。

如果把整個過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——用電子散射、電磁波、磁場變化等可測量的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)出來。
• 接下來，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)男盘枴?/li>
• 更進(jìn)一步，計算機和算法會繼續(xù)把信號整理成有意義的格式保存起來，這就是數(shù)據(jù)。
  
• 但到這里還沒完，因為人類大腦最擅長、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，圖像就是世界與大腦之間的一座橋。但我們必須明白：現(xiàn)實比我們直接看到的復(fù)雜得多，我們看到的各種“照片”，不過是科學(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，我們就會發(fā)現(xiàn)，這種翻譯的藝術(shù)，早已滲透在科學(xué)的各個領(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，那其實是事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項目匯集全球八臺頂級射電望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)，通過復(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，將身體的橫截面信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再通過計算機重建成二維或三維圖像。而核磁共振則是利用磁場和射頻脈沖，探測人體內(nèi)水分子中的氫原子核，通過傅里葉變換等復(fù)雜算法，將這些信號翻譯成清晰的圖像，讓我們能夠“看見”身體內(nèi)部的病灶。

在地球科學(xué)領(lǐng)域，我們在氣象圖上看到的臺風(fēng)，其實是氣象衛(wèi)星通過探測臺風(fēng)云層反射的紅外線、可見光等波段數(shù)據(jù)，再通過計算機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態(tài)圖像。

圖源：中國氣象局：臺風(fēng)的雷達(dá)影像

此外，地圖上的等高線圖、風(fēng)場流線圖，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)雜動態(tài)。

就算是在日常生活中，我們每一個人也都在不遺余力地創(chuàng)造著圖形。那些枯燥的統(tǒng)計數(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、規(guī)律和關(guān)聯(lián)就會變得呼之欲出。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處理的低維度、具象化的圖像。

每當(dāng)我們通過科學(xué)影像來認(rèn)知這個世界，都好像是在用盲文閱讀彩虹。但正是這種想要“一窺究竟”的動力，讓眾多科學(xué)家經(jīng)過不懈努力，淬煉出映入我們視網(wǎng)膜的一幅幅視覺詩篇。

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–resolutionptychography 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