【2014诺贝尔奖】化学奖深度解读：突破极限，见所未见
wisdomfire 发表于 2014-10-09 15:29诺贝尔奖 中国
2014年诺贝尔化学奖给了三个物理学家：艾力克·贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫纳（W. E. Moerner），以表彰他们对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。
这三位获奖科学家都是业内大牛，很有知名度。贝齐格是美国应用物理学家和发明家，目前在美国霍华德·休斯医学研究所珍利亚农场研究园区工作；赫尔是罗马尼亚出生的德国物理学家，现在担任德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所所长；莫纳则是美国单分子光谱和荧光光谱领域的著名专家，从1998年至今一直在斯坦福大学担任教授。
2014 年诺贝尔化学奖得主：（左）艾力克·贝齐格（Eric Betzig），（中）斯特凡·W·赫尔 （Stefan W. Hell），（右）W·E·莫纳（W. E. Moerner）。图片来源：从左至右：, wikipedia, wikipedia
这三大牛中，贝齐格是一个极具个性的人。20世纪90年代初，贝齐格加入贝尔实验室，研究一种非常特殊的显微镜（叫近场显微镜）。贝尔实验室是个高手云集的地方，已经出了好几个诺贝尔奖得主。但是，贝齐格在贝尔实验室做了几年、发了好几篇好文章、得了好几个奖之后就觉得在学术界没意思，于是乎毅然决然地离开了贝尔实验室。去哪儿呢？这
里不得不说一下，贝齐格其实是个土豪，是个富二代。他离开贝尔之后就去他爸开的公司 了。是金子到哪儿都闪发光，在公司上班的几年间，贝齐格又搞出了好几个发明和专利。赚了大把的钱之后，贝齐格觉得在工业界待“累了”，又想回学术界——但这个时候，他已经离开学术界七年，想回来谈何容易？
怎么办？牛人说：没事，我先在家捣鼓捣鼓。就这样，贝齐格在自己家客厅捣鼓出了一个超分辨率荧光显微镜（PALM，见下），最终导致他夺得今年的诺贝尔化学奖。不过故事到这里还没有结束：捣鼓完这个超分辨率显微镜没几年，贝齐格又觉得自己的这个技术没太多意思，便转到另外一个方向，开始引领另一个潮流（选择性光片照明显微镜，这几年刚火起来的一个领域）。另外一个有意思的事情是，今年八月在德国的一个学术会议 上，有人问贝齐格关于诺贝尔奖的事，大牛撇撇嘴傲娇地回答道：诺贝尔奖没意思，做有趣的科研才是正事。
光学显微镜及其分辨率限制
为什么说这三位获奖者的工作是突破性的呢？
故事得从光学显微镜说起。随着黑暗的中世纪时代结束，欧洲进入文艺复兴时期。在文化艺术得到极大发展的同时，现代自然科学也慢慢发展起来：第一台光学显微镜正是在文艺复兴时期问世。是谁制造了第一台光学显微镜已不完全可考（一说是两个荷兰的眼镜制造商于16世纪晚期发明），但这不重要。重要的是，从此以后科学家们可以用光学显微镜来瞧瞧这个瞅瞅那个了，观察的对象当然也包括各种生命有机体。在那个时代，随便看看树叶小草也是个重量级的大发现：著名的罗伯特·胡克（Robert Hooke）先生就是在1665年用光学显微镜看了看红酒瓶的软木塞从而发现了细胞的存在。现代生物学及微生物学皆因光学显微镜而诞生，光学显微镜也成为生命科学中必不可少的工具。随着人们观测的东西越来越小，人们不禁疑问，光学显微镜到底能看多小？
“能看多小”换成比较科学的说法就是“分辨率有多高”。分辨率（严格讲是光学分辨率）描述的是成像系统解析成像细节能力，或者说是成像系统能区分的两点之间的最小距离。1873年，物理学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）得出结论：传统的光学显微镜分辨率有一个物理极限，即所用光波波长的一半（大概是0.2微米，即200纳米）。
为什么会这样呢？要理解这个，我们回到高中物理曾经介绍过的单缝衍射实验：当一束光
经过一条狭缝，在中间亮条纹的两侧会出现一系列明暗交替的条纹。这是因为光是电磁波，它被狭缝限制时会发生衍射从而偏离直线传播。如果光经过的不是一条狭缝，而是一个圆孔，那么圆孔会在各个方向上限制光的传播，从而光在各个方向上发生衍射而形成圆孔衍射图样，或者叫“爱里斑”（Airy Disk）：这个图案中心有一个比较大的亮斑，外围有一些 明暗交替的环。同样的道理，由于衍射的存在，成像系统无法把光线汇聚成无限小的点，而只会在像平面上形成有限大小的爱里斑。通过任何光学仪器成像的过程，都可以认为是把物平面上的无数微小的点转换成爱里斑，然后再把它们叠加起来呈现在像平面上。这样的结果是，任何成像系统所得到的像无法精确地描述物体的所有细节。
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