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你看到了吗?这张英国科学摄影大赛冠军作品,拍到了一颗原子的踪影 热文

2018-02-26
摘要:这张在实验室拍摄的照片最近赢得了英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)举办的全国科学摄影比赛。但你看得出有什么特别吗?如果没看见,你可以再靠近一点:在照片的中心,有一颗正微微发光的原子。 你没看错,照片中两个圆柱形针头尖端的黑色领域,那个独自存在、略呈紫色的像素并不是屏幕上的灰尘,而是比例更小上许多...

这张在实验室拍摄的照片最近赢得了英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)举办的全国科学摄影比赛。但你看得出有什么特别吗?如果没看见,你可以再靠近一点:在照片的中心,有一颗正微微发光的原子。

你没看错,照片中两个圆柱形针头尖端的黑色领域,那个独自存在、略呈紫色的像素并不是屏幕上的灰尘,而是比例更小上许多的东西:一颗被困在离子阱中的锶原子(strontium)。

这样的照片究竟如何拍到的?套一句知名物理学家费曼对原子的形容,“如果地球是一颗苹果,那么原始尺寸的苹果大概就是其中的原子大小”。究竟该如何才能拍到比灰尘颗粒还渺小的东西?



事实上拍摄者 David Nadlinger 使用的相机并没有什么特别(Canon 5D Mark II 及 EF 50mm f/1.8 镜头、延伸管与两个闪光灯滤色片),但他在牛津进行博士论文研究的离子阱量子计算实验室(Ion Trap Quantum Computing)确实提供了一点帮助。

Nadlinger 向 Live Science 解释,照片中心的圆点并不是锶原子(strontium)本身真实大小,而是来自周围的激光光被原子重新发射出去;当沐浴在特定波长的蓝光下时,锶原子会产生比自身半径宽数百倍的光,虽然这样的光线用肉眼仍难以察觉,但只要透过相机一点操作便能变得可见。

“你在照片上看到的原子尺寸其实是像差(optical aberration)所造成,照片景象并不完美──它略微失焦且过曝,就像在夜空看星星一样,虽然看起来很亮,但星星实际上的尺寸却比看上去小非常多,这是因为人眼(或镜头)并没有足够的分辨率处理画面。”

这里必须再次强调,用肉眼看到单一原子是不可能的,研究团队是运用实验室的器材将其困住后,再利用光线与相机长时间曝光,才使其“放大”至些微可见。

▲研究团队拍下的另一张照片。

为了要拍出这样的相片,研究人员得给予原子一个正或负的净电荷,使其变为离子才能捕捉,而在离子阱设备中,4 个刀型电极产生的电流使原子固定在垂直轴上,两侧的圆柱形针头则将其困在固定的水平中。

一旦原子受到限制,许多激光光便会撞击原子,并往各方向散射出光线,照片背景的蓝紫色光线便是源自与此。

大发快乐8运用这个系统,研究人员能在小电极之间捕捉许多离子串,并产生令人惊叹的图片。网站公布的另一张照片里,便可以看到 9 个离子成串状困在其中,Nadlinger 认为从科学角度来看,这实际上是一张更有趣的照片,但为了阐述相关概念,第一张照片仍更具吸引力。

“我认为这张照片令人感兴趣的原因在于,你可以看到周遭的设备,我想人们会讶于这个原子看起来多大……我希望这张照片不会让百年来的科学教育观念付之一炬,原子确实令人难以置信的小!”

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(图片来源:University of Oxford/David Nadlinger)

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