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我们虽然经常把“原子”挂在口头上，但谁也没有亲眼目睹过一个原子，更别提触摸了。没错，我们自己是由原子组成的，我们每天都在与它们接触，但我们的每一个触觉，都是我们的皮肤与成千上万个原子或分子作用的“综合感觉”。我们无法与一个原子单独接触，即便能够，也会因作用力太小而无法形成一个触觉。
但物理学研究却为我们观察、触摸甚至操纵单个的原子，打开了方便之门。 量子隧道效应 骑过自行车的人都有这样的经验：当前面有个坡时，如果坡度不大，我们上坡前狠蹬几下踏板，随后不用踩，自行车也会“呼哧”一下越过坡顶。但如果坡度很大，车驶到一半可能就会停住，你要是不踩踏，就上不了坡。因为在前一种情况中，车在上坡前获得的动能大于坡顶的势能，而在后一种情况中，车上坡前的动能还不足以克服坡顶的势能。 我们将阻碍物体翻越的势能，称为“势垒”。势垒好比一个堡垒，让物体身陷其中出不来。一个典型的例子是原子核内由强核力形成的势垒。我们知道，原子核由质子和中子组成，有些原子核内有多个质子，它们都带同样的正电荷。如果它们之间仅有静电力，那么原子核早就解体了。正是强核力形成的势垒，把它们紧紧地束缚在了一起。
日常生活中我们无法穿墙而过，也是这个道理。当我们的身体与墙相遇时，墙上数以亿计的原子，以其静电力排斥我们身体上的原子，使我们寸步难行。 可是在微观世界，除了质子被困在原子核内这一类与日常经验相符的现象，还存在一个与日常经验相悖的奇怪现象：一个粒子即使总能量不够它攀越势垒，但它还是有一定的概率出现在“山”的另一边，就像山脚有一条隧道，让它能够“暗度陈仓”。这个现象叫“量子隧道效应”。最典型的例子就是原子核的α衰变。原子核内的α粒子(由2个质子和2个中子组成的粒子)虽然能量不够克服强核力的势垒，但它还是有一定的概率通过量子隧道效应跑到原子核外，导致原子核衰变。 扫描隧道显微镜和原子力显微镜 利用量子隧道效应，1981年在瑞士苏黎世工作的IBM研究人员戈德˙宾尼格和亨利希˙罗尔研制成功世界上第一台扫描隧道显微镜。 扫描隧道显微镜上有一根非常尖锐的探针，最尖处差不多只有一个原子。让它去接近材料的表面，当在针尖和表面之间施加一个电场，电子就会通过量子隧道效应从针尖跳到材料表面，形成电流。而且电流的大小对针尖到表面的距离非常敏感。考虑到材料表面是由原子组成的，不仅原子和原子之间有间隙，而且原子自身又是球形的，所以材料表面就像铺满鹅卵石的路面一样凹凸不平。如此一来，扫描隧道显微镜随着针尖水平地向前移动，其电流的大小就能把材料表面的凹凸反映出来，甚至可以精确到单个的原子。 但扫描隧道显微镜也有个缺点，即它的探针在垂直方向是固定不动的。这意味着，当它在水平方向移动时，如果材料的表面突然凸起得太厉害，就可能把探针撞坏;如果凹得太厉害，离探针太远，则可能完全产生不了电流，形成一片空白。 为了克服这些缺点，宾尼格继续改进，于1985年研制成功第一台原子力显微镜。
原子力显微镜利用了原子间(这里是探针尖头的原子和材料表面的原子)的作用力。这个作用力对距离也非常敏感。原子力显微镜的探针除了能水平移动外，还可以垂直地上下移动。它的探针在朝水平方向移动时，始终要与表面保持同等的距离(通过一套由微型机械和激光组成的装置，让探针尖头的原子与材料表面的原子的作用力始终保持一致)。换句话说，当表面凹下去的时候，探针也要下移;当表面凸起来的时候，探针也要上移。这样，探针的上下移动，实际上就反映了材料表面的凹凸程度。 由于原子力显微镜既可以水平移动，又可以上下移动，所以它不仅可以在原子尺度上扫描材料，还可以在施加了适当的电压之后，通过静电力操纵单个的原子。1989年，IBM发表了一张著名的照片，照片中一组氙原子被原子力显微镜的探针排列成了“IBM”的图案。 让单个的原子变得可触摸 原子力显微镜使“读”和“写”原子成为可能，但是美国北卡罗来纳大学的一位研究生拉塞尔·泰勒又想给它添上一项新的功能：“触摸”单个原子。 他将原子力显微镜产生的信息输入一台电脑，用这些数据形成一张关于材料表面原子的三维图像，然后投影到一个屏幕上。用特殊的3D眼镜观看，这些原子和分子看起来就像苹果和橙子一样真实。 最后，泰勒用虚拟现实(VR)系统为其添加了一个触摸界面，也就是说，把现实中用原子力显微镜对原子的操纵，变成在虚拟世界中的“触摸”。你可以用你的手“摸”原子的表面，甚至把它推来推去。当你推它的时候，因为每个原子都处于化学键的作用之中，你还可以感觉到化学键像弹簧一样，把它拉回到原来的位置。 这个被泰勒命名为“纳米操纵器”的产品成为第一个虚拟现实时代的标志性作品之一。当泰勒与一些化学家分享他的工作时，他们惊讶地发现，一向被认为是抽象的化学键和分子结构，竟然也能够被“感觉”到。他们甚至在“感觉”的过程中，了解到一些过去没注意到的细节。纳米操纵器不仅使原子变得看得见摸得着，并且为化学家提供了一个新的研究工具。 显微镜下观察活的微生物 扫描隧道显微镜和原子力显微镜虽然让我们看到了像单个的原子这么微小的物体，但是遗憾的是，它们反倒无法用于观察像病毒这样比原子大但有活性的微生物。 观察生物的活体样品，我们一般用光学显微镜。光学显微镜不会对活的微生物造成伤害。但其观察的微生物，尺寸不能小于500纳米(见拓展阅读：为什么光学显微镜有观察极限?)，而像病毒这样的微生物，其尺寸一般小于500纳米，所以光学显微镜无法观察到病毒。 对于扫描隧道显微镜来说，虽然它可以看到更小尺寸的分子、原子，但因为在扫描过程中，电流要流过扫描对象，如果是微生物，就很容易被电死。此外，扫描隧道显微镜和原子力显微镜都需要在真空环境下工作，而众所周知，真空对生命是不友好的。 这样一来，现有的显微镜都不适合观察像病毒这么小的活的微生物样品。 澳大利亚墨尔本大学的克里斯托弗˙博尔顿想到了一个新方法。他用一束极细的、波长只有十几纳米的紫外线激光照射“小东西”，然后收集反射光，计算出激光从入射到反射所走过的路程。因为激光从凹处反射比从凸处反射时走过的路程要稍微长一些，所以这样的扫描也能反映物体表面的凹凸程度。对一个“小东西”从多个角度进行扫描，然后通过软件处理，就可以合成它的三维图像。这种成像技术使得我们可以看到最小只有25纳米的物体。 更妙的是，这种技术不需要真空，几乎适用于观察任何放在载玻片上的样品。譬如，你可以观察一个活细菌，看它如何挣扎，看它死时，如何将其纳米量级的内脏抛洒在载玻片上。这些事情之前生物学家从来没有亲眼目睹过。博尔顿的这项技术让我们可以看到活的细菌和病毒。目前，他们在继续改进，希望有一天能看到单个的原子。
四百年前，第一台显微镜的问世为我们提供了一个观察微观世界的窗口。而最新的这些显微技术为我们打开了一个新的视野。也许过不了多久，我们就可以“触摸”一个新冠病毒，感受一下它表面的棘蛋白，也许从中我们还能学会如何更好地抵御它呢。 |
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