想看看原子到底長啥樣嗎？

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

圖源：《Science》雜志1

這些破紀錄的圖像主角，是一種名為正鈧酸鐠（PrScO3）的晶體。

2024 年 2 月 26 日，伊利諾伊大學厄巴納香檳分校，華裔女科學家黃品珊團隊開發出一種未經校正的掃描透射電子顯微鏡中的電子疊層成像技術，進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，清華大學余榮團隊在《自然-納米技術》雜志發表文章，提出局部軌道衍射成像法，實現了 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生革命性影響。

圖源：清華大學新聞3

2025 年 2 月 14 日：華南理工大學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，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？現在人類的顯微攝影技術，已經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。當這些電子束照射到樣品上時，它們會與原子發生相互作用，但這個相互作用的結果，并不是一個清晰的圖像。相反，它產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果

科學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，來重新描繪原子內部的結構，這就是電子疊層衍射成像技術的精髓所在。

電子疊層衍射成像技術不是簡單地收集信息和繪制圖像，而是通過復雜的計算重構過程，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，反推出案發現場的真實情況。

然而，就算算法把原子排列的信息完美地還原出來，它呈現給我們的，仍然是一堆抽象的數字坐標或者一個復雜的三維模型。我們的大腦，并不能直接理解這些抽象的符號。因此，需要進一步將這些信息轉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、位置等都經過了精心的設計，代表著原子的相對位置、原子序數等信息。

這個過程就特別像警方破案之后向社會發布的警情通報。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，沒有哪一步是簡單的拍攝。它是一個先想方設法收集原始物理信息，再對信息進行整理和編輯，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圖像的本質是什么？

現在，我們把目光從具體的原子成像技術上移開，來思考一個更普遍、更本質的問題：圖像的本質是什么？

圖像并不是現實的簡單復制品，而是一種把“世界的樣子”翻譯成“人看得懂的東西”的轉換器。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線，那它大致是這樣的：

?世界先把自己的狀態——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象呈現出來。

?接下來，電子顯微鏡、射電望遠鏡、核磁共振儀等儀器就像靈敏的耳朵和眼睛，把這些現象聽到、看到，并轉化成可以傳輸的信號。

?更進一步，計算機和算法會繼續把信號整理成有意義的格式保存起來，這就是數據。

?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，科學家們把大量的數據翻譯成圖像，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：現實比我們直接看到的復雜得多，我們看到的各種“照片”，不過是科學家把最重要的那些信息，翻譯成了進行了圖像化而已。

03翻譯的藝術

理解了這一點，我們就會發現，這種翻譯的藝術，早已滲透在科學的各個領域。為了讓那些原本不可見的世界變得可見，科學家們一直在努力為世界畫像。

比如，在天文領域，我們看到的黑洞照片，那其實是事件視界望遠鏡（EHT）項目匯集全球八臺頂級射電望遠鏡的觀測數據，通過復雜的算法還原出的黑洞陰影輪廓。那張震撼人心的照片，本質上是科學家們將抽象的射電波數據，翻譯成了我們能夠理解的視覺圖像。


天馬望遠鏡和黑洞照片

在醫療領域，我們看到的醫學影像，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化為數字信號，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，探測人體內水分子中的氫原子核，通過傅里葉變換等復雜算法，將這些信號翻譯成清晰的圖像，讓我們能夠“看見”身體內部的病灶。

在地球科學領域，我們在氣象圖上看到的臺風，其實是氣象衛星通過探測臺風云層反射的紅外線、可見光等波段數據，再通過計算機建模和圖像處理技術，將這些數據翻譯成我們能夠直觀理解的動態圖像。

圖源：中國氣象局：臺風的雷達影像

此外，地圖上的等高線圖、風場流線圖，都是將抽象的地理高程、風速風向數據，轉化為圖像，幫助我們直觀地理解地球的復雜動態。

就算是在日常生活中，我們每一個人也都在不遺余力地創造著圖形。那些枯燥的統計數據，在轉化成為折線圖、柱狀圖、熱力圖之后，其中隱藏的趨勢、規律和關聯就會變得呼之欲出。這本質上是將抽象的、高維度的數據，翻譯成人類大腦最擅長處理的低維度、具象化的圖像。

每當我們通過科學影像來認知這個世界，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，讓眾多科學家經過不懈努力，淬煉出映入我們視網膜的一幅幅視覺詩篇。

如果你也喜歡這些科學圖像，歡迎轉發，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

來源: 科學聲音