这场始于近一个世纪前的旅程，随着科学家发明了第一台电子显微镜，又向前迈进了一步。
一群物理学家已更接近科学家认为物体可能被放大的终极极限。该小组此前曾拥有显微镜所能达到的最高分辨率的世界纪录。他们发表在《科学》杂志上的最新研究，将这一纪录进一步缩小。
康奈尔大学物理学家、该论文的作者之一大卫·穆勒（David Muller）说：“这是人类历史上分辨率最高的成像技术。”
你用学校里可能用过的那些显微镜，是无法达到如此高分辨率的。那些显微镜——就像罗伯特·胡克（Robert Hooke）300多年前用来一窥隐藏的细胞世界的那种——是可见光的。这意味着它们无法看到比可见光波长更小的东西。这是一个过于巨大的硬性限制，不足以看到原子。
20世纪初，科学家们就已经遇到了这一障碍。如果你想看到更小的东西——例如，进入病毒的世界，以开发脊髓灰质炎疫苗——你需要使用波长比可见光更短的介质来观察。
你可以转向电子，这些围绕原子核运行的微小带电粒子。在20世纪30年代，恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）等科学家开始制造第一批电子显微镜，它们通过电子束探测微小物体，能够生动地揭示其细节。
电子的波长比可见光短大约10万倍。理论上，你可以用它们来观察原子——所有普通物质的基本构成单元。但有一个问题，而且不是电子的错。“电子透镜的质量很差，”穆勒说。
正如许多天文学家深知的那样，没有成像系统是完美的。但电子显微镜内部的电磁透镜尤其模糊。穆勒说，透过典型的电子显微镜看东西，就像透过啤酒瓶看光线。
解决这个问题的办法之一是安装称为“像差校正器”的硬件，这就像给你的电子显微镜配一副眼镜。但要观察原子，你需要协调大量的像差校正器。想象一下一百副不断变化的眼镜。
到了20世纪90年代和21世纪初，计算机确实使这成为可能，将显微镜的分辨率推向了新的极限。有一段时间，像差校正器曾是分辨率的王者。但到了21世纪10年代，这项技术开始后劲不足。
为了继续突破显微镜分辨率的极限，康奈尔大学的物理学家们选择了一条少有人走的路：他们完全摒弃了透镜。取而代之的是，他们将电子射向物体，并观察它们是如何散射的。
当这些电子飞过时，物体的原子会使轰击的电子偏离轨道，将它们弯曲成物体远侧的图案。通过从多个位置向物体发射电子，你可以拍摄一整套图案。借助当今的计算机，你可以将这些图案拼接起来，重建原始物体的微观图像。
这被称为 the ptychography（衍射成像，发音为 tai-KAW-graf-ee）。X射线科学家如今普遍使用他们自己的衍射成像版本，但对电子观测者来说，这曾是一个死胡同。据论文的合著者、阿贡国家实验室的物理学家伊·姜（Yi Jiang）称，科学家们在理论上讨论电子衍射成像已经半个世纪了，但直到最近十年，它才真正可行。
首先，过去没有能够精确指示足够多电子落在何处的探测器。其次，电子特别容易被散射到各种随机方向，即使是单个原子也会如此。即使使用现代计算机，也很难对其进行解释。因此，在分辨率记录方面，像差校正器比衍射成像领先一个数量级。
但康奈尔大学的团队相信衍射成像大有可为。到21世纪10年代中期，他们已经开发出了最先进的电子探测器。为此，他们借鉴了X射线科学家的算法。他们还通过降低电子束的强度并将物体打磨到尽可能薄的厚度来简化问题。
2018年，他们成功了。康奈尔大学团队击败了像差校正器，实现了有史以来最高的显微镜分辨率，并因此获得了吉尼斯世界纪录。
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当然，这并不是一个万无一失的方法。穆勒说：“我们只能处理这些只有一两个原子厚度的材料。”
但该团队想知道他们是否能做得更小。他们拥有完成这项工作的设备，但他们需要计算机来解释电子恼人的散射。本质上，他们需要解决一个困扰了80年的物理学难题。
康奈尔大学团队花了三年时间调整算法——穆勒说，这三年工作常常感到徒劳无功。但得益于康奈尔大学博士后陈臻（Zhen Chen）的工作，他们找到了一种可行的方法。
结果呢？他们将自己的世界纪录提高了一倍。
阿贡国家实验室的计算科学家马修·约瑟夫·切鲁卡拉（Matthew Joseph Cherukara）没有参与这项研究，他说：“这篇论文是一项里程碑式的研究。它展示了先进算法和计算在突破和超越显微镜物理限制方面的力量。”
科学家们还能走得更远吗？
答案是，字面上说，模糊不清。
看看康奈尔大学团队的照片，你会发现原子看起来是模糊的。这不是探测器引起的像差，也不是空气的干扰。那是原子本身的颤动，在热量中振动。你可以把原子冷却下来让它们保持不动，但通过用电子探测它们，你只会把它们再次加热。
所以，据科学家所知，这种模糊并不是他们可以克服的东西——除非他们找到一种全新的观察原子方法。
穆勒说：“我们几乎已经达到了一个终极极限。”
