超越阿贝极限
·方舟子·
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(SciFans.Net)
