方舟子的Blog

光是一种波，波的传播遇到障碍物的时候，会绕弯，发生衍射。障碍物不一定是物体，也可以是一条狭缝，大家回忆一下，在中学物理课上介绍过光的狭缝衍射：一束光穿过狭缝时，由于传播受到限制，就会发生衍射，除了中间一条亮条纹，两侧还出现了一系列明暗相间的条纹。现在设想狭缝变成了一个小孔，这样光的传播在各个方向上都受到限制，通过小孔后，会在中间出现一个亮斑，周围是明暗相间的环。英国天文学家艾里在1835年最早解释了这个现象，这个亮斑就被叫做艾里斑。
为什么一个天文学家会去研究这个问题呢？天文观测要用到望远镜，望远镜是凸透镜，光线通过凸透镜后聚焦在某一点上。凸透镜有一定的口径，这样光线在透过它时也会受到限制，就会出现艾里斑。艾里斑的直径大小，和光波波长、焦距成正比，和透镜口径成反比。透镜口径越大，艾里斑越小，但透镜口径不可能无限大，所以即使是一个几何意义上的无限小的点，通过透镜后，也会变成一个有一定大小的光斑。艾里斑影响了望远镜的分辨率。
显微镜用的也是凸透镜，光线透过它也会产生艾里斑，我们通过显微镜看到的一个点，其实是一个光斑。如果观察的两个点离得比较远，我们还能分辨得出。但是如果两个点靠得非常近，近到它们产生的艾里斑重叠在一起，我们就分不清是两个点了，而只是看到模糊的一团。所以艾里斑也决定了显微镜的分辨极限。1873年，德国物理学家阿贝发现了显微镜分辨极限的公式，被叫做阿贝极限。它大约等于光波波长的一半。可见光中波长最短的紫光的波长大约是400纳米，阿贝极限也就是大约200纳米。也就是说，如果两个点的距离达到200纳米，用光学显微镜就分辨不出了。这大约相当于放大1500倍。这就是光学显微镜的分辨极限。
但是病毒、生物大分子的尺度都小于200纳米，光学显微镜没法看到它们。要突破光学显微镜的极限，就要使用比可见光波长还短的波来观测，例如紫外线、X射线，还有电子束。没错，电子束也能形成波，只不过波长极短，这使得电子显微镜的分辨率能够达到0.2纳米，放大上百万倍。但是电子显微镜有一些缺点，限制了它的使用。例如，样本必须切得非常薄，放在真空中观察，这就没法用来观察活的样本了。
有没有可能让光学显微镜绕开阿贝极限，观察到比200纳米还小的物体呢？荧光显微镜的出现让这成为可能。荧光显微镜是给样本带上荧光标记（例如使用荧光染料或荧光蛋白），然后观测它发出的荧光。荧光是荧光物质在吸收了光线传递给它的能量之后，受激发发出的光。我们可以控制荧光分子发光和不发光。这个特点很有用。
打一个比方。有4个点排成一条直线，每两点之间的距离是200纳米，用光学显微镜是分辨不清的。我们给这4个点带上荧光标记，但是每次只让一个点发光，拍摄下来，把4次拍摄的结果重叠起来，就可以获得这4个点的显微图像。我们也可以先让第1个点和第3个点发光、拍摄，由于两点之间距离400纳米，可以分辨得清；然后再让第2个点和第4个点发光、拍摄，它们之间的距离也超过阿贝极限，也可以分辨得清。把两次拍摄结果重叠，也可以获得4个点的显微图像。
这两种方法其实都是巧妙地用时间来换取空间，一次性观察不到的，就分多次观察，再拼凑出完整的图像。这样就可以绕开阿贝极限。今年诺贝尔化学奖颁发给超分辨率荧光显微镜的发明者，以表彰他们让光学显微镜绕过阿贝极限，让分辨率达到纳米级别。他们采用的，就是类似上述的方法。
这个发明其实和化学关系不大，它对生物医学的研究意义重大。它让人们能够观察到活生生的纳米级别的生命现象。就在诺贝尔化学奖宣布的同一天，美国《科学》杂志发表了一篇论文，用超分辨率荧光显微镜看到了艾滋病病毒是如何入侵T细胞的。假如诺贝尔奖让我来发，我会发给这个发明生理学奖。

2014.10.15

（《新华每日电讯》2014.5.17）