冷冻电镜看到了真实的原子！它的样子符合科学预测吗？

地球上所有物质都是由原子组成的，原子是形成物质特性的最小单位。最小的氢原子尺度直径约为10^-10米，也就是0.1纳米，或者说百亿分之一米；氢原子的质量约为1.674*10^-27千克，1个针尖上可以排列100亿亿个原子。

人们对原子的认识从猜想到理论，再到如今真的看到了原子，这个过程是怎样的，现在看到的原子与过去理论相符吗？我们一起来了解一下。

原子的认识发展史早在2500多年前，古希腊的科学家们就有了原子的概念，这个概念是古希腊唯物主义哲学家留基伯提出的，并由其学生德谟克利特发展和完善出来的。德谟克利特对原子的基本描述是：

原子是万物的本原；根本特性是充满和坚实，即内部没有空隙，是坚固不可入和不可分的；原子是永恒的，不生不灭，而且在数量上是无限的；原子永远处于运动状态，其运动形式是振动；原子体积极小，人们是无法看到的，不能被感官所知觉，只能通过理性去认识。

这些认识只是停留在哲学层面，是一种猜想，但其中有许多符合如今已经发现的科学道理，如物质并非无限可分，原子就是最小单元，原子永远处于运动状态等等。但也有许多与后来科学发现不符，如充满和坚实，不可入和不可分，不生不灭，数量无限等。

但在2500年前就能够认识这些，已经非常难能可贵了。而我们古代的老祖宗则认为物质是无限可分的，即所谓：一尺之捶，日取其半，万世不竭。原子论相对这种臆想大大前进了一步，已经显示了科学的萌芽，后来古希腊果然成为世界科学最早发源地。

自从德谟克利特提出原子论以来，两千多年一直没有大的进展，一直到17世纪以后，许多科学家才开始通过大量实验，证实了原子真实存在，并逐渐开始认识原子的本来面目。

19世纪初，英国化学家约翰·道尔顿首先提出了具有现代科学意义的原子模型，内核有三点：1、原子是不能再分的粒子；2、同种元素的原子各种性质和质量相同；3、原子是微小的实心圆球，不可再分。

道尔顿的原子模型最大的功绩是揭示了每一种元素只包含一种原子，各种原子结合起来就成为化合物的现象；但原子不可再分、是一个实心圆球的说法与德谟克利特没有实质性区别。

英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊发现了电子，于1904年首次提出了原子存在亚级结构的原子模型，这就否定了道尔顿的“实心球模型”。汤姆逊的模型被称为“枣糕模型”或“葡萄干蛋糕模型”，也有的叫“西瓜模型”

汤姆逊认为，原子是一个带正电荷的球，电子就镶嵌在原子里面，就像枣糕里的枣，或葡萄干蛋糕里的葡萄干，或西瓜里的西瓜子。

其理论内核有两点：1、电子平均分布在整个原子上，如同散布在一个有着均匀正电荷的海洋中，电子的负电荷与正电荷相互抵消；2、在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。

这个理论最大的功绩是发现了原子的亚级结构，而且电子受激发会离开原子，打破了原子是实体球牢不可破不可分割的藩篱。

但很快，汤姆逊的理论就被其学生欧内斯特·卢瑟福推翻了。卢瑟福在1911年提出了原子的“行星模型”，其主要内核为：1、原子大部分体积是空的，核心是一个很小的原子核，几乎占有了原子的全部质量，并带有全部正电荷；2、电子带负电，围绕着原子核按照一定轨道运转，就像行星围绕着太阳转。

这个理论已经很接近原子的真实样子了，因此影响深远和持久。许多年纪稍大的人小时候学习的就是这种理论，而且许多科学事物的插图或宣传绘画，至今还采用着这种模型，中间一个原子核，周围几个点子围绕着原子核运行，形成漂亮的交叉轨道。

但这种模型其实很早就被新兴的量子力学否定了。量子力学的核心思想就是粒子的波粒二象性，服从不确定性原理，也就是说粒子运动具有概率波函数性质，无法同时确定其位置和动量，这样电子就不可能像行星围绕着太阳运动这样的规规矩矩，而是电子围绕着原子核随机的出现在任何位置，由此形成了原子的电子云模型。见下图：

这些理论对原子的内在本质是层层剖析，似乎越来越接近真相。但这些理论毕竟都是在没有看到原子的前提下，通过实验和理论推演计算得到的。那么，真正的原子是咋样的呢，会与理论一致吗？

人类看微观世界是如何层层深入的人类的眼睛需要通过光才能够看到物质，是光照射到物体上，物体对光产生的反射、散射和衍射，才让人们能够看到物体的样子。古代，人们完全采用裸眼来看世界，能看到物体的距离和大小受到很大限制。

当然，由于许多物体很大很亮，人眼也能看得很远。如可以看到月亮和星星，这些天体距离我们最近的有约40万千米，最远的有几百上千光年，而能看到最远的仙女座星系，距离我们254万光年。

但人眼却无法看到距离我们100米的一只蚂蚁，也看不见爬满自己身上的螨虫，更看不到手掌上存在数以亿计的细菌和病毒。

这是因为人的视力是受到分辨能力限制的。因为所有的物体通过瞳孔到达视网膜都必须有一个张角，人眼的正常视力可分辨能力为约1′（角分），眼睛极好的人极限分辨率可达0.5′，平均分辨能力为0.75′。

通俗地说，就是在距离25厘米远的位置，人眼能够分辨两个物点的最小间距约为0.1毫米，极限为0.05毫米，这个标准就叫明视距离。

望远镜和显微镜都是利用这个原理，将物体放大到人眼可以区分。人们就能够看到本来看不到或难以看到的小物体了。望远镜是将远处的物体拉近，等于放大；显微镜就是将附近裸眼看不见的物质放大到能够看到。

最早的显微镜是光学显微镜，就是通过凸透镜放大观察镜头中的物体，是通过可见光照射，让被观察物体发出反射、折射、散射和吸收，显示出标本的形状和明暗，再经过透镜放大效应，让人们观察。

从此，人们看到了许多微生物，包括肉眼看不到的昆虫和细菌，让人类认识世界得到一次飞跃。

但光学望远镜有一个弱点，就是凸透镜放大倍数越大，衍射现象就越严重，物体就走形而无法看清了；另一方面，由于光学显微镜采用可见光照射，而光照的分辨率最大只能达到光波波长的一半。

可见光由红橙黄绿青蓝紫等有色光组成，波长约在780~400纳米之间，因此即便用波长最短的蓝紫光照射，最大分辨率也只能达到200纳米。微生物中，细菌大小约为500~5000纳米之间，因此，光学望远镜观察细菌一般是没有问题的，但观测病毒，如新冠病毒只有100纳米，就无法看到了。

经过许多科学家几十年的实验和研究，综合各方面因素，给出了光学显微镜放大倍数极限为1600倍。一个200纳米的物体放大1600倍，也只有0.32毫米，虽然大于人眼的最小分辨率，但就像人眼看0.32毫米的物体一样，是无法分辨其结构的。

只有另辟蹊径，才能够进一步提高放大倍数，看到更小的物体。

1931年，人类第一台电子显微镜诞生了。电子显微镜（英文为Electron Microscope，缩写为EM），简称电镜。电镜不是采用可见光来观察物体，而是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜（一般采用电磁透镜）代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高倍数下成像的仪器。

根据德布罗意公式，当电镜的光源电子动量为100Ve时，其波长为0.1225纳米。因此，电镜可以观测0.2纳米的物体，比光学显微镜分辨能力提升了1000~2000倍。最小的原子直径约10^-10米，也就是0.1纳米，电镜的出现，给人类观察原子提供了可能。

原子从模糊光影到显形进入人类视网膜根据不同需要，电镜分为扫描电镜（SEM)）和透射电镜（TEM），还有原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）等。

扫描电镜和透射电镜的主要区别是电子束在聚焦扫描时穿不穿过样品。扫描电镜只扫描样品表面，一行一行扫描；而透射电镜则是将电子束投射到非常薄的样品上，穿过整个样品。但它们的基本原理都是通过电子束对样品原子的轰击，碰撞发生散射、衍射而获得影像，通过放大让人眼看到。

原子力显微镜和扫描隧道显微镜则是通过探针，来观察原子级别的物体，后者更精密到观察和定位单个原子。但这类显微镜不是“看到”表面的原子，而是“感知”它们。如STM的工作原理是采用一个非常精细的针尖，非常接近样品表面，通过偏压的电势产生隧穿效应。

这种隧穿效应只发生在尖端的几个原子和最接近尖端表面的原子之间，从而产生对原子的分辨率。但这种原子图像是模糊不清晰的。见上图：

科学家们将透射电镜和扫描电镜结合起来，形成了扫描透射电镜（STEM）)，这样就既有透射电镜又有扫描电镜的功能。后来美国康奈尔大学的研究团队发明了一种叫电子叠层成像技术，将其与STEM结合起来，得到了放大1亿倍的原子成像。

这是人类首次得到比较清晰的原子图像。见下图：

20世纪七八十年代，取得细微结构观察领域革命性突破的冷冻电镜出现了，这种技术是基于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。

2017年，雅克·杜博歇、约阿希姆·弗兰克、理查德·亨德森三位科学家由于对冷冻电镜生物分子成像技术的贡献，而获得了诺贝尔化学奖。这项技术推动了微观世界的革命性突破。

2020年5月，英国剑桥和德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所的两个科学团队，分别采用冷冻电镜技术，获得了迄今为止最清晰的原子级别照片，并且首次识别出了蛋白质中单个原子。

英国团队获得的1.2*10^-10米（0.1纳米）结构非常完整，采用的设备和技术分辨出了蛋白质和周围水分子中的单个氢原子；而德国团队则得到了去铁蛋白蛋白质1.25*10^-10米结构。见下图：

至此，原子的样子真实地摆在了人们面前，虽然依然只是原子的外观，但要知道这种物质是多么的小啊，小到一个针尖上可以排列亿亿个，能将它们分辨出来，彰显了科学技术令人震撼的结果。

未来还能够看清原子的内部结构吗？电镜的问世，以及科学技术的不断深入，终于让人们看到了原子的样子，从外观来看，原子的确像量子力学描述的电子云模型那样，是一个不断运动的亮点。那么，人类未来还能进一步看到原子的内部结构吗？

我们知道，原子在化学反应中是不可分割的，是物质保持其基本特性的最小单位，现在已知的118种元素就是如此。但原子通过物理方法是可以分割的，如通过高温高压或高速碰撞，会让原子发生裂变或聚变，从而变成新的元素。

通过各种实验，已经证实了原子由原子核和电子组成，而原子核又由中子和质子组成，而每个中子和质子则由3个夸克组成。中子由两个下夸克和一个上夸克组成，质子由两个上夸克和一个下夸克组成。

上夸克带2/3正电荷，下夸克带1/3负电荷。因此，中子里的夸克正负电荷相等，不显电性；而质子则正负相抵多出一个电荷，因此显示1个正电荷；电子带1个负电荷。这样一个原子核有多少个质子，就会有多少个电子，原子才会呈中性存在。

那么，未来能够看清这些结构，或者能够发现夸克里面更深层次的结构吗？根据目前理论，是不太可能的。

因为根据量子力学不确定性原理，越到深层次的微小结构，动能和位置越难以确定，具有测不准原理；而任何观测，都要动用光源，包括电子和X射线、γ射线等高频率超短波长光源，都将对细微结构造成干扰，这些细微结构是无法看清的。

宇宙中，存在着单个的质子或中子，也存电子和正电子，这些都通过各种仪器能够探测到，在强子对撞机或加速器等高精度设备仪器里，这些也都能够探测到，但这些探测只能通过气泡室等方式，获得它们的路径，要真正“看到”它们的“样子”是不太可能的。

而且根据夸克禁闭理论，夸克总色荷为零，受制于强相互作用力，夸克无法单独存在。因此在现有理论下，能够看到原子的外观已经是极限了，未来只会看得越来越清楚。

不过现在有一种弦理论，说我们世界本来是10维组成，其他6维已经蜷缩了，无法看到了，所以我们现在的世界是四维时空，即三维空间一维时间组成。而组成这个世界的最小单位不是原子，也不是夸克、电子、光子、中微子等点状粒子，而是极小的线状的“弦”。

这些“弦”有端点的“开弦”和圈状的“闭弦”，弦的不同振动和运动才产生了各种不同的基本粒子。这样说，就是弦的尺度比任何粒子都要小。这个理论很复杂，就不展开说了。许多科学家认为，这个理论是最有希望实现大统一理论的模型。

所谓大统一就是将强力、弱力、电磁力和万有引力统一起来的理论。

现在科学界已经统一了强电两种力，标准模型也基本将强、电、弱三种力柔和在了一起，只有引力要统一进来还完全目无头绪。如果所有的粒子，包括引力子都是由“弦”构成，引力统一近来就顺理成章了。由此，科学界对弦理论寄予了厚望，因此被称为大统一理论。

如果真是如此，未来人类能看到组成物质的最小单元“弦”吗？根据量子力学不确定性原理，我想这是不太可能的。或许未来出现颠覆性理论，能够改变这个预期。

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