冷凍電鏡看到了真實的原子!它的樣子符合科學預測嗎?

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100億億個原子。

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。

1931年,人類第一臺電子顯微鏡誕生了。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。

原子從模糊光影到顯形進入人類視網膜

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別是電子束在聚焦掃描時穿不穿過樣品。掃描電鏡只掃描樣品表面,一行一行掃描;而透射電鏡則是將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,來觀察原子級別的物體,后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,通過偏壓的電勢產生隧穿效應。

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

科學家們將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。后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,將其與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,分別采用冷凍電鏡技術,獲得了迄今為止最清晰的原子級別照片,并且首次識別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,雖然依然只是原子的外觀,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,能將它們分辨出來,彰顯了科學技術令人震撼的結果。

未來還能夠看清原子的內部結構嗎?

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,原子的確像量子力學描述的電子云模型那樣,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內部結構嗎?

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個夸克組成。中子由兩個下夸克和一個上夸克組成,質子由兩個上夸克和一個下夸克組成。

上夸克帶2/3正電荷,下夸克帶1/3負電荷。因此,中子里的夸克正負電荷相等,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,或者能夠發現夸克里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確定性原理,越到深層次的微小結構,動能和位置越難以確定,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,都將對細微結構造成干擾,這些細微結構是無法看清的。

宇宙中,存在著單個的質子或中子,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里,這些也都能夠探測到,但這些探測只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。

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

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,也不是夸克、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產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。這個理論很復雜,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。

所謂大統一就是將強力、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,標準模型也基本將強、電、弱三種力柔和在了一起,只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?根據量子力學不確定性原理,我想這是不太可能的。或許未來出現顛覆性理論,能夠改變這個預期。

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