我收过的最糟糕的小学训斥，是因为嘲笑一个问“什么是原子？”的同学。在我三年级的脑海里，这个问题暴露出的无知程度更像学龄前儿童，但老师不这么认为，把我禁足了整整一个星期。我早已忘了这件事，直到几年前，我旁听了一堂由诺贝尔奖得主教授的量子力学课。在关于氢原子的极其抽象的讲座中途，一位勇敢的大二学生举起手，问了同样的问题。令所有人惊讶的是，我们的教授沉默了。他望着窗外，似乎过了永恒，然后回答说：“我不知道。”
直径为四十亿分之一英寸的铂原子 | 图片由S.J. Pennycook, A.R. Lupini, G.M.Veith，橡树岭国家实验室提供
他有一半是在开玩笑——但也只是一半。他知道这个问题的答案充满了不确定性。原子，或者构成它的粒子（电子、夸克）到底是什么？两千五百年前，古希腊哲学家德谟克利特想象将面包切成越来越小的碎片，直到不可再分的微粒，由此诞生了原子的概念。如今，原子是物质构成要素这一事实——宇宙中有10^80个原子，其中10^28个就在你体内——对物理学的重要性不亚于DNA对生物学。就连现代量子理论的半神级人物理查德·费曼，在他的《费曼物理学讲义》中也捍卫了这一观点的至高无上性。他在前言中写道：
如果，在某种灾难中，所有的科学知识都被摧毁了，只剩下一句话要传给下一代生物，那么哪句话包含的信息最多，而且字数最少？我相信是……万物由原子构成——微小的粒子，以永恒的运动围绕着彼此，在一定距离内相互吸引，但在被挤压在一起时相互排斥。在这句话里，只要稍加想象和思考，你就会看到关于这个世界的庞大信息。
费曼并不想吓跑他的新生。事实上，要理解原子领域的 sublime elasticity，需要非凡的想象力和思考。归根结底，正如费曼和他的同事们著名地指出的那样，没有人能完全理解它。
这是因为，在某种基本层面上，原子和所有亚原子粒子都是不可见的——不仅仅是因为它们太小而无法看见，而且根据量子物理学，它们没有一个明确的位置。更糟糕的是，观察原子的行为本身就会干扰其状态，模糊图像。当物理学家谈论不确定性时，他们并非指设备上的缺陷，而是指一种固有的歧义，即使在我们尽最大努力的情况下也无法消除，甚至在原理上也是如此。例如，我们不可能测量一个原子在多个方向上的角动量，不是因为任何实验上的挑战，而是因为，正如里德学院的物理学家大卫·格里菲斯喜欢说的，“上帝不知道。”如果上帝都无法确定原子的位置，那么凡人又有什么希望呢？
嗯，物理学家是一群固执的人。在 20 世纪 60 年代末，经过大约半个世纪的尝试，他们终于首次真正看到了原子。研究人员使用了一种新工具——扫描透射电子显微镜，简称 STEM，在这种显微镜中，电子束起着通常由光束起到的作用。通过将高压电子束穿过样品并记录电子与原子核的散射情况，STEM 可以逐点构建图像。
第一个看到原子的人是乔·沃尔（Joe Wall），1969 年芝加哥大学的一名研究生。他在阿尔伯特·克鲁（Albert Crewe）的物理实验室工作，克鲁开发了最早的具有真正原子尺度分辨率的 STEM。克鲁的团队试图成像一个铀原子，这是一种较大的元素，拥有 238 个质子和中子，在元素周期表中排名第 92 位。当他们成功时，这是一个值得庆祝的时刻。“克鲁冰箱里有几瓶香槟，他拿了出来，”沃尔回忆道。
从那时起，STEM 成像技术的发展速度达到了自 20 世纪 30 年代以来的最高水平，当时光学显微镜的分辨率几乎每年翻一番。微制造、电磁光学以及能够校正像差和分析图像的高速计算机方面的突破，极大地提高了精度，使得 STEM 成像现在正逼近量子力学设定的视觉极限。
目前的这项世界纪录由橡树岭国家实验室的电子显微镜小组保持，他们生产的 STEM 图像分辨率达到了 0.6 埃（Å）的范围——不到人类头发丝宽度的百万分之一。一个典型的原子宽度约为一埃，而克鲁的实验室只能看到略低于三埃的细节。“我们现在可以看到所有这些原子细节，其清晰度是我们以前从未有过的，”橡树岭小组的领导者斯蒂芬·彭尼库克（Stephen Pennycook）说。“这就像一个盲人戴上眼镜，能够看见了。”
能够了解不同种类物质中原子和键的排列方式，使科学家能够设计出更好的材料。“泰坦尼克号并非因为撞上冰山而沉没；它之所以沉没，是因为钢材 brittle 并且开裂了，”彭尼库克说。“如果你知道材料的结构，你就能找出如何改进它。”从 STEM 图像中获得的理解，促使计算机芯片的设计和制造取得了重大进步。
目前，科学家能看到的最小的原子是锂，在元素周期表中排名第 3。下一个里程碑是将分辨率推至玻尔半径（约 0.5 埃）以下。在这个级别上，即使是最小的原子——氢和氦——也能显现出来。“这可能需要几年时间，”彭尼库克说。最终的梦想是将 STEM 提升到三维，使用共聚焦电子显微镜，通过改变电子束的焦点来逐层成像材料。彭尼库克等人在这方面取得了重大进展，单个原子的三维图像已经开始可用。“这是一个历史性的时刻，”彭尼库克说。“我们一生中只有一次能够跨过能够看见原子的门槛。”
然而，物理学家们知道他们也正在接近一个障碍。“我们正在接近量子零点能造成的物理极限，”彭尼库克指出。在量子力学中，每个粒子都有些模糊，因为它总是携带一微量的能量——所谓的基态能量。将样品冷却到超低温度有助于减缓原子的运动，但它们永远不会完全静止下来供相机拍摄。“你可以冷却原子，但你永远无法让它完全停止，”彭尼库克说。物理学家预计 STEM 的极限将在大约 0.1 埃的范围内。无论我们的技术进步多少，在某种层面上，原子将永远是不可见的。
STEM 图像之外，只有想象力。用诗人穆里尔·鲁克瑟（Muriel Rukeyser）的话说：“宇宙由故事构成，而非原子。”物理学家已经揭示了原子世界，而我们永远无法看见的事物，和我们所能看见的一样有意义——也一样美丽。
* 更正，2008 年 7 月 14 日：标题最初声明图片显示的是硅原子。
