這是一張?zhí)貏e的“圣誕卡片”，上面有人類從未看到過的圖像。

　　上一個圣誕節(jié)前，美國康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系的博士生姜毅在電腦上看到它：有的原子像訓(xùn)練有素的士兵圍成圓圈，越往中間靠攏，它們的間距就越小。有的原子排列成雙，像舞會上的一對對搭檔。

　　“就像一張有漂亮、對稱圖案的地毯。”和姜毅同在一個實驗組的博士后陳震對中國青年報·中青在線回憶道。

　　這是一項新的吉尼斯世界紀錄，他們所在的研究團隊將電子顯微鏡成像空間分辨率降低到0.039納米。也就是說，相距0.039納米的兩個原子，各自的“容貌”都能被清晰辨認。此前，由于它們挨得太近，距離是一根頭發(fā)絲的250萬分之一，所以從來沒能被“你是你，它是它”地看清楚。

　　為了直觀地展示這把“世界上最短的尺子”，他們在觀測樣品上費了很多心思，最終確定將兩片薄薄的單層二硫化鉬旋轉(zhuǎn)6.8度疊加，錯開的那一點就是這把尺子的長度。單層二硫化鉬相當于3層原子摞在一起，厚度僅有0.4納米。

　　姜毅的第一反應(yīng)是“真的嗎”。仔細比對理論模型和眼前的這張圖片，姜毅和陳震確定他們成功了。

　　他們已經(jīng)花了近兩年時間，所有努力都要小心翼翼。

　　一束80千電子伏特的電子束被射擊到精心選擇的材料上，電壓很低，為了保護材料結(jié)構(gòu)不被射擊損耗。但它的威力仍不容小覷，射出的速度接近光速的一半。

　　經(jīng)過一系列電磁透鏡后，電子被散射在四周。圓柱體的探測器發(fā)揮了相機的作用，它要拍得足夠快，避免材料移動和損傷。實驗團隊的這臺相機拍出了一秒鐘1100張照片的好成績，并且收集到了所有角度的電子。

　　這是領(lǐng)先于過去成像方法的一個重要步驟，以前看不清是因為探測器只收集了一部分散射的電子。此前，在同樣的低電壓情況下，得到的空間分辨率一般小于0.1納米。兩張圖相比，一個線條模糊，一個能看得顆粒分明。

　　一陣微風吹來，或手掌輕拍桌面，對納米尺度的成像來說都是大震動。單電子的靈敏度也要強，打到探測器上要有反應(yīng)。噪音還要小，研究人員要能準確判斷電子的數(shù)量。動態(tài)范圍也要大，它是指光最大值和最小值的比值。就比如相機在晚上拍攝物體，離燈光近的地方亮，暗的地方就看不到了。這臺相機要既能拍到光弱的地方，也能拍到光強的地方，獲得完整的圖像。

　　最后，要把“相機”捕捉的所有信號收集起來，用算法在電腦上重構(gòu)圖像。

　　這支研究團隊由大衛(wèi)·穆勒教授領(lǐng)銜，研究成果發(fā)表在7月18日的《自然》雜志上，來自中國的姜毅和陳震是文章的共同第一作者。

　　人類一直在追尋一個古老的問題，“世界是由什么組成的”。但人類的肉眼只能分辨直徑大于0.1毫米的物體，“發(fā)絲”“針尖”幾乎是我們用眼睛能看到的最小的東西。

　　有的人仰望茫茫星空，有的人低頭尋找可見之物，總有一些人保持著好奇心。

　　338年前，荷蘭人安東尼·列文虎克被英國皇家學(xué)會授予會員，他只是個沒讀過多少書的布匹商人，只會荷蘭文，連用拉丁文寫的科學(xué)讀物都看不懂。但英國皇家學(xué)會還是十分驚喜地相中了他。

　　因為列文虎克磨制了一塊透鏡，在下方裝一塊銅板，再鉆一個小孔，這就是一臺簡易顯微鏡的雛形。他把手上的皮膚、蜜蜂腿上的毛、蚊子的腿都放到鏡片下審視，發(fā)現(xiàn)了很多有意思的景象。經(jīng)過不斷改進，他能看到一滴雨水里有許多頭部伸出兩只角的生物，于是給皇家學(xué)會寫信道“比全荷蘭的人數(shù)還多許多”。他還發(fā)現(xiàn)了精子。

　　以至于幾百年后，一個學(xué)生物的女孩在網(wǎng)絡(luò)上對他表白：“親愛的列文虎克男神，請聽我為您帶來一首《你是我的眼》，‘因為你是我的眼，讓我看見，這世界就在我眼前。’”這位網(wǎng)友小時候央求父親把單位的顯微鏡借回家，雖然“又舊又笨重”，但她還是興奮地把各種葉子、種子和羽毛放到鏡頭下，“我擁有了微觀的世界”。

　　如果有心分析諾貝爾獎獲得者，也會發(fā)現(xiàn)科學(xué)家能看到的微觀世界越來越豐富了。從1907年開始，已經(jīng)有22個獎項頒給了與顯微有關(guān)的技術(shù)。科學(xué)家看到活細胞，看到蛋白質(zhì)大分子，看到HIV病毒怎樣侵襲人類的T免疫細胞，看到癌細胞如何擴散，也看到鋼鐵里有雪花一般的樹狀組織。

　　“有些東西完全沒有人看到過，我們看到了。”陳震回憶起發(fā)現(xiàn)新奇結(jié)構(gòu)時的興奮。最近他看到原子自然形成的一種像積木的方塊和拼圖般的造型，如同美術(shù)畫作。有時他也會“職業(yè)病發(fā)作”，看到一個物體，并不是看它的顏色和形狀，而是像透視一樣思考它內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

　　不只是科學(xué)家，微觀世界的魅力也逐漸散播到普通人中。日本相機制造商尼康已經(jīng)舉辦了43屆顯微世界攝影大賽。從世界各地傳來的照片里，海藻正在釋放子海藻，像張大嘴吐泡泡的圓腦袋海怪；人類皮膚細胞中的角蛋白結(jié)構(gòu)，經(jīng)過染色，就像被鑲嵌在木盒里的藍寶石，它也是皮膚癌診斷的標志物；蝴蝶翅膀背面的鱗片，如鎧甲一般，中間兩條柱顯示著力量。它們的拍攝者有教師、醫(yī)生，還有其他微觀世界的愛好者。

　　探究生命和自然的奧秘，“看清”是很多工作的第一步。根據(jù)陳震介紹，他們的研究應(yīng)用范圍很廣，比如在材料領(lǐng)域，石墨烯“可以像一張紙折疊和扭曲，這樣得到的新的材料從上方往下方看，視野會被遮住，原子間間距會變小，普通的成像分辨率難以分開”。在生物領(lǐng)域，冷凍電鏡解析生物大分子，比如蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)如今已經(jīng)接近可以達到的分辨率的極限，但它還需要被看得更清楚，“我們的方法提供了一個新的方向”。

　　另據(jù)媒體報道，這項研究也將和康奈爾大學(xué)代謝物理中心合作，研究癌癥是如何在細胞間發(fā)展。19年前，諾貝爾化學(xué)獎獲得者理查德·斯莫利在美國國會眾議院的聽證會上介紹納米科技，他期待納米級藥物可以定向殺死突變的癌細胞，“癌癥，將永遠成為過去”。那時他正飽受淋巴癌的折磨，臉頰凹陷，頭發(fā)幾乎掉光。

　　人們還不知道世界大有多大，小有多小。哈勃望遠鏡在宇宙130億光年處拍到了最遙遠的星系，它被命名為z8_GND_5296，但這并不是宇宙的邊界。1897年湯姆森往陰極射線上加電場和磁場，發(fā)現(xiàn)人類第一種基本粒子，打開了微觀世界的大門。原子、原子核、介子、夸克、輕子、前子不斷被發(fā)現(xiàn)，最近也時常有發(fā)現(xiàn)新粒子的聲音。

　　破了空間分辨率的記錄后，姜毅和陳震過了一個輕松的圣誕節(jié)假期。但他們當時覺得技術(shù)還遠沒有達到理想的狀態(tài)，他們還想看得更清晰。（袁文幻）

【糾錯】

責任編輯： 王頔