我們能看見原子嗎？探索微觀世界的極限

簡短的回答是：不能。我們永遠無法用可見光看到原子，原因很簡單，可見光的波長（約400到700奈米）遠大於原子的大小（約0.1到0.3奈米）。這就像螢幕上的畫素無法顯示比它更小的物體一樣。普渡大學解釋道：「即使使用最強大的顯微鏡，也永遠不可能用可見光看到原子或分子。要看到一個物體，其大小至少要是所用光波長的一半。但可見光的波長雖然小，卻遠大於原子，使得原子無法被看見。然而，X射線的波長足夠短，可以用來『看見』原子。」

X射線的波長約為0.01到10奈米，這使得它們在成像原子時非常有用。普渡大學進一步解釋：「當X射線擊中結晶分子時，圍繞每個原子的電子會使X射線束彎曲或衍射，形成一個X射線衍射圖案。之所以使用晶體，是因為單一分子產生的衍射圖案可能微不足道，但晶體中許多相同的分子會放大這個圖案。」透過這種方法，科學家們已經能夠創造出單個原子的影象。

電子也足夠小，可以用於成像原子和分子，這在電子顯微鏡中使用了多種技術。大小並不是唯一的關鍵，幸運的是，電子還具有另一種特性：波動性。電子束機器解釋道：「電子的波粒二象性形成了電子顯微鏡的基礎。透過將電子視為波，科學家可以利用其短波長來創造原子的詳細影象。這種二象性也解釋了為什麼電子束在高解析度成像中如此有效。在粒子和波動行為之間切換的能力，使電子在研究物質的最小組成部分時具有獨特的優勢。」

科學家們將高速電子束射向樣本，然後檢測它們（以及其他產生的射線）最終的位置。普渡大學補充道：「當電子束透過或掃描樣本時，電子會以各種方式與原子相互作用。這些相互作用會產生訊號，如散射的電子或發射的X射線，科學家們利用這些訊號來構建影象。電子束本質上『照亮』了原子結構，使我們能夠看到肉眼無法看見的特徵。」

科學家們在使用這種技術觀察微小世界方面已經非常熟練。近年來，康乃爾大學的研究人員將電子掃描與ptychography（掃描樣本的重疊散射圖案層）結合，創造了世界上最高解析度的原子影象。這張圖片（見頂部）是對一種正鈧酸鐠（PrScO3）晶體進行放大1億倍拍攝的。雖然令人印象深刻，但除非有新的突破，否則我們可能無法以更高的解析度看到原子。

康乃爾大學工程學教授大衛·穆勒在2021年的一份宣告中表示：「這不僅僅是創下新紀錄，而是達到了一個基本上將成為解析度極限的領域。我們現在可以非常容易地確定原子的位置。這開啟了許多我們長期以來想要進行的新測量可能性。它也解決了一個長期存在的問題——在樣本中消除電子束的多重散射，這是漢斯·貝特在1928年提出的——這在過去阻礙了我們進行這項研究。」

雖然有比電子更小的粒子，但它們實際上不能用於成像。例如，中微子只透過弱力和重力相互作用。我們在檢測它們時已經遇到了足夠的困難；它們不適合用於成像非常小的物體。科學家們需要想出一些新的巧妙成像技術來看到更小的物體，否則我們可能已經以我們將要獲得的最