人们能“看到”原子吗

从长远来讲，最伟大的功绩莫过于能看透隐喻背后的东西。

——亚里士多德

我们刚刚说没有任何图像能够表现量子物体。这就是说人们永远不能看到原子或粒子？对这个问题我们终于可以回答“不”了。其实一切都取决于如何定义“看到”。无论如何，得益于近期的技术进步，物理学家可以通过探测原子向外辐射的光而“看到”原子，就如我们能看到肉眼可见的物体。

我们的眼睛在凝视一个物体的时候，是在做什么呢？眼睛会收集由光源（通常是太阳）发出的光子，光子则是在这一物体表面的不同位置被反射。这些光子承载的信息随后被我们的大脑分析并重构成物体的影像。为了看到原子，物理学家采取了同样的方法，不同的是他们使用了激光束而不是太阳光或灯光作为光源。激光束激发了原子内部的跃迁，原子向不同方向辐射出光子。这些光子在相应的光学元件的帮助下集中在一点，然后被非常灵敏的光电探测器探测到。所以原子以小光斑的形式出现，光斑的直径由使用激光的波长决定，其数值在微米（10^-6米）数量级，即原子体积（10^-10米）的1万倍数量级。所以观察测量无法给出原子构造本身的信息（人们甚至无法猜测到原子核的存在），而只能给出原子的平均位置。但这仍然足够——至少在特定条件中——让人分辨原子而将它们相互区分。于是人们可以通过（经过巧妙设计的）电磁场施加的力在真空中分离和俘获一两个或是多个原子。在这样的势阱^[2]中，因为原子之间的距离是微米数量级，人们可以通过检测它们发出的光来独立观察它们，将它们计数，甚至跟踪它们的运动！

在固体中，原子之间的距离为几十分之一纳米（10^-10米），对视觉观察来说太小。但人们仍然可以用电子显微镜去观察它们，也就是说用波长更短的电子光束代替激光。

原子世界与宏观世界至少有一个相同的特性，即可以通过我们与物体之间的互动来“看到”它们。但是我们也不能因此就认为这两个世界遵循相同的定律。事实上，在微观层面物质是非常活跃的，它所经受的突然转变在我们从外部观察周围物体如桌子或石头时，是猜测不到的。也许，在这个小宇宙的竞技场中，它最微小的组成部分承受着某种我们不知道的力？如果是这样，那么这些力的本质是什么，它们又是如何产生影响的呢？

正是一个多世纪以前放射性的发现，第一次让物理学家得以面对无限小的世界中心出现的未知力量的效应。他们最终了解了放射性物体能够产生的不同辐射的根源，并发现了一个全新的世界，一个微观的、活跃的、激烈的、富有魅力的世界。这是一次彻底的颠覆。

我们在这里要暂停一下，因为这一物理学关键的历史时刻是绝佳的介绍和了解粒子世界如何为研究者发现的机会，这也是我们了解它们的运动遵循着哪些惊人定律的最好时机。

[1] 牛顿以来的启蒙学者的一种愿景，认为世界是一个完美的大型机器。这一图景的影响后来由物理学扩散到人类、心智、社会、生活领域，并于19世纪盛极转衰。（本书脚注，除特别说明外，均为译者、校译者或编辑加注）

[2] 一个在某力场中运动的粒子，它的势能关于位移变化的关系可以在二维坐标系中呈现为一条曲线，曲线的形状非常像一个陷阱，当粒子位移距离到一定程度、势能跌入曲线最低谷时，它就处在势阱当中。