原子照片是“照骗”？不，这是科学界的顶级翻译术

摘要：2024 年 2 月 26 日，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校，华裔女科学家黄品珊团队开发出一种未经校正的扫描透射电子显微镜中的电子叠层成像技术，进一步提升了图像的空间分辨率。

想看看原子到底长啥样吗？

2021 年 5 月 28 日，美国康奈尔大学研究人员在《科学》杂志上发表论文，展示了他们用改进后的电子叠层衍射成像技术捕获的原子图像。

图源：《Science》杂志1

这些破纪录的图像主角，是一种名为正钪酸镨（PrScO3）的晶体。

2024 年 2 月 26 日，伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校，华裔女科学家黄品珊团队开发出一种未经校正的扫描透射电子显微镜中的电子叠层成像技术，进一步提升了图像的空间分辨率。

图源：《Science》杂志2

2024 年 6 月 29 日，清华大学余荣团队在《自然-纳米技术》杂志发表文章，提出局部轨道衍射成像法，实现了 14 皮米的超高分辨率成像，有望对金属、陶瓷等材料的原子级成像产生革命性影响。

图源：清华大学新闻3

2025 年 2 月 14 日：华南理工大学电子显微中心团队展示了接近原子分辨率（约 2 埃）的电子叠层衍射重构，为高分辨率成像各种敏感材料提供了新方法。

图源：《Nature》杂志4

怎么样？看了这些，有没有被震撼到？现在人类的显微摄影技术，已经可以给原子拍照片了。

不过你或许不知道的是，这些原子照片诞生的过程，既不是通过相机捕获的，也不是靠肉眼观察的，拍摄照片的过程，其实是一场独特的信息交互过程。

01原子照片是怎么拍的？

想要看到原子，需要用波长极短的高能电子束作为探针。当这些电子束照射到样品上时，它们会与原子发生相互作用，但这个相互作用的结果，并不是一个清晰的图像。相反，它产生的是一堆杂乱无章的衍射斑点和干涉条纹。这些图案，其实是原子排列、原子种类等信息被重新编码后的结果。它们就像是一份份被加密的电报，记载着微观世界最原始的秘密。

采用不同的衍射方式时，可以观察到多种形式的衍射结果

科学家在给原子拍照这件事情上，扮演的是解码者的角色。他们利用电子从微观世界带回来的信息，来重新描绘原子内部的结构，这就是电子叠层衍射成像技术的精髓所在。

电子叠层衍射成像技术不是简单地收集信息和绘制图像，而是通过复杂的计算重构过程，将这些图案中隐藏的相位和振幅信息还原出来。这个过程，与我们平时拍照片的过程完全不同。它更像是一个推理探案的过程，通过收集案情中留下的各种蛛丝马迹，反推出案发现场的真实情况。

然而，就算算法把原子排列的信息完美地还原出来，它呈现给我们的，仍然是一堆抽象的数字坐标或者一个复杂的三维模型。我们的大脑，并不能直接理解这些抽象的符号。因此，需要进一步将这些信息转化为我们最擅长处理的视觉形式，比如将原子映射成一个个光点，光点的大小、亮度、位置等都经过了精心的设计，代表着原子的相对位置、原子序数等信息。

这个过程就特别像警方破案之后向社会发布的警情通报。警察不会说谁在哪里留下了指纹，谁在哪里取得了 DNA，而是干脆用讲故事的方法把整个案子给你讲一遍，让人们一听就秒懂了。

你看，这整个过程，从电子束与原子的物理交互，到计算机的计算解码，再到最终的图像呈现，没有哪一步是简单的拍摄。它是一个先想方设法收集原始物理信息，再对信息进行整理和编辑，最终完成微观世界画像的链条。说白了就是，人们对事物的理解无比依赖视觉，那些看不见的东西，必须尽可能地视觉化，大脑才能接受和消化。这就是一图胜千言的道理所在。

02图像的本质是什么？

现在，我们把目光从具体的原子成像技术上移开，来思考一个更普遍、更本质的问题：图像的本质是什么？

图像并不是现实的简单复制品，而是一种把“世界的样子”翻译成“人看得懂的东西”的转换器。它的好坏不在于像不像，而在于能不能让我们瞬间抓住原本摸不着、看不见的信息。

如果把整个过程想成一条信息生产线，那它大致是这样的：

世界先把自己的状态——原子的排列、宇宙射线、人体里的微弱信号——用电子散射、电磁波、磁场变化等可测量的物理现象呈现出来。接下来，电子显微镜、射电望远镜、核磁共振仪等仪器就像灵敏的耳朵和眼睛，把这些现象听到、看到，并转化成可以传输的信号。更进一步，计算机和算法会继续把信号整理成有意义的格式保存起来，这就是数据。但到这里还没完，因为人类大脑最擅长、最省力的接口不是声音，不是文字，而是图像。于是，科学家们把大量的数据翻译成图像，让我们的大脑瞬间就能明白。

换句话说，图像就是世界与大脑之间的一座桥。但我们必须明白：现实比我们直接看到的复杂得多，我们看到的各种“照片”，不过是科学家把最重要的那些信息，翻译成了进行了图像化而已。

03翻译的艺术

理解了这一点，我们就会发现，这种翻译的艺术，早已渗透在科学的各个领域。为了让那些原本不可见的世界变得可见，科学家们一直在努力为世界画像。

比如，在天文领域，我们看到的黑洞照片，那其实是事件视界望远镜（EHT）项目汇集全球八台顶级射电望远镜的观测数据，通过复杂的算法还原出的黑洞阴影轮廓。那张震撼人心的照片，本质上是科学家们将抽象的射电波数据，翻译成了我们能够理解的视觉图像。

天马望远镜和黑洞照片

在医疗领域，我们看到的医学影像，比如核磁共振和CT扫描，也并不是真的给人体组织拍照。CT是利用X射线穿透不同组织衰减程度不同的特点，将身体的横截面信息转化为数字信号，再通过计算机重建成二维或三维图像。而核磁共振则是利用磁场和射频脉冲，探测人体内水分子中的氢原子核，通过傅里叶变换等复杂算法，将这些信号翻译成清晰的图像，让我们能够“看见”身体内部的病灶。

在地球科学领域，我们在气象图上看到的台风，其实是气象卫星通过探测台风云层反射的红外线、可见光等波段数据，再通过计算机建模和图像处理技术，将这些数据翻译成我们能够直观理解的动态图像。