Vores læser Martin Olrik spørger:
Hvor små objekter kan man se?
Da man jo ikke kan observere et enkelt atom i synligt lys, hvad vil der så ske, hvis man har et hypotetisk mikroskop, der kan forstørre i det uendelige?
Hvad vil man observere i grænselandet, hvor overgangen fra en ensartet flade til enkelte molekyler og atomer sker?
Læs også: Spørg Scientariet: Hvad er grænsen for lagermediers informationstæthed?
Peter Bøggild, Ingeniøren-blogger og professor på DTU Nanotech, svarer:
Det er et godt spørgsmål, og et fuldt svar er et meget langt svar. Jeg skal derfor forsøge at give et delvist svar.
Kan man observere et enkelt atom?
At ’se’ vil sige at registrere noget lys på nethinden, som så bliver til elektriske signaler, hjernen forsøger at fortolke.
Det betyder, at hjernen laver kvalificerede gæt angående genstande og begivenheder, der finder sted på den anden side af hornhinden på basis af de målte ’blips’.
Læs også: Spørg Scientariet: Kan man bygge broer med piller som tændstikker?
Så den ’hardware’, der ser – øjnene – og ’softwaren’, som analyserer signalerne, er tæt forbundne i det, vi kalder at se.
Lys består af partikler – fotoner – som øjets celler kan registrere, hvis bølgelængden af lyspartiklerne er mellem 400 og 700 nm.
Om man er i stand til at registrere noget eller ej, er ikke kun et spørgsmål om lysets bølgelængde, men også hvor meget lys der kommer fra den – og det er faktisk vigtigere, end hvor stort det er.
Enkelte atomer kan sagtens udsende lys – det er oftest sådan lys ’bliver til’, og der er bølgelængden generelt langt større end atomets størrelse. Kan vi så sige, at vi ’ser’, et atom hver gang vi ser en foton?
Cellerne i øjnene KAN endda registrere enkelte fotoner, lysets mindste bestanddele, men hjernen filtrerer sådanne små signaler (som normalt bare er støj) således, at kun hvis 5-10 fotoner ankommer til øjet inden for 100 ms, får ’du’ noget af vide om det.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvor tæt kan partikler komme på hinanden?
Fluorescens-mikroskopi går ud på at binde fluorescerende molekyler til de objekter (f.eks. DNA eller celler), man gerne vil se på, lidt som man sætter cykellygter på en cykel for bedre at kunne se den.
Det er faktisk en god analogi. Har man set en cykel, når man ser cykellygten? Ja, i den forstand, at man ved, der er en cykel. Nej, i den forstand, at man ikke får meget information omkring cyklens form, størrelse eller passager af den hvide (eller røde) lysplet i trafikken.
For at snakke om et endnu mere ekstremt eksempel:
Lad os tage stjernen Eta Carinae. Det er en superkæmpe, som udsender en million gange mere lys end solen, har en diameter på måske 200 gange end vores sol (som er 1.3 x 10^9 meter), og er den stjerne, der er længst væk (7500 lysår dvs. 7500 x 10^16 meter), som vi kan ’se’ med det blotte øje.
Eta Carinae er ca. 240 gange Solens diameter, temmelig stor. Det betyder, at vinklen kun er ca. 4 x 10^-9 radian. Det svarer til at se en HIV-virus med det blotte øje på 25 meters afstand (100 nm / 25 meter).
Læs også: Teleskop afslører dramatisk billede af stjernefabrik
Det er noget andet, når det er det reflekterede lys, vi snakker om, og altså ikke partiklen, der selv sender lys ud. For hvis en partikel er meget lille – f.eks. mindre en bølgelængden - vil den ikke reflektere ret meget af lyset.
Men har man ’set’ atomet, bare fordi man har set en foton, den har udsendt? Normalt, når vi siger, at vi har set et eller andet, har vi jo set en hel masse fotoner, der tilsammen fortæller os noget om form, farve, afstand og orientering af et eller andet.
Så mit svar er, at det er lidt op til, hvad du selv synes, det er at ’se’.
Kan man se strukturer på atomar skala?
Nu er det pludseligt vanskeligere. ’Struktur’ betyder variation i form eller sammensætning, og så skal vi have flere end et atom på banen – f.eks. overfladen af et metal.
Læs også: Lund indvier verdens mest lysstærke synkrotron på årets længste dag
Nu er det pludselig ikke så nemt med lys, for man kan ikke se, om det er det ene atom eller det andet, der udsender fotonen, og man kan derfor ikke – med synligt lys – se atomare strukturer.
Der er imidlertid et par andre måder, dette kan gøres på. Hvis vi i stedet for lys bruger elektroner – i elektronmikroskopi – kan vi sagtens se enkelte atomer.
Elektronerne kan nemt accelereres op til en hastighed af en pæn brøkdel af lysets hastighed, og allerede ved energien 100.000 elektronvolt (altså den bevægelsesenergi, elektronen har ved at blive udsat for et elektrisk felt mellem to metalplader med 100.000 Volt spændingsforskel) er bølgelængden (sådan en har elektronen også) mindre end 0,1 Å, og altså mindre et atom.
På DTU har vi nogle rigtig gode (verdensklasse) elektronmikroskoper (DTU Cen), som vi er meget stolte af.
Her er faktisk en film af kulstofatomer (der endda er meget små og svære at tage billeder af) i et ’grafenlag’, der sitrer under den kraftige elektronstråle. Det er ikke en, vi selv har lavet.
Læs også: Smart støv: Skyer af svævende mikrokameraer indsamler data
En anden metode er scanning tunnel mikroskop, som allerede for flere årtier siden blev brugt til at flytte rundt på enkelte atomer. Dette er en meget skarp spids, der bringes tæt på en overflade.
Man påtrykker en spænding mellem tippen og overfladen, der får en strøm til at løbe – og dette foregår ved kvantemekanisk tunnelering: Elektronerne hopper mellem tippen og overfladen, uden at disse egentlig er i kontakt.
Denne strøm er EKSTREMT afstandsafhængig, og dette gør tippen superfølsom for selv atomare højdeforskelle. IBM, som er verdensmestre i at manipulere med enkelte atomer, har lavet denne lille film, der er noget så vanvittigt som en animeret film lavet ved at skubbe atomer rundt enkeltvis med en sådan tip:
Er det at ’se’ atomer? Det vil jeg mene. Ligesom ’øje-nerver-hjerne-bevidsthed, har vi en kæde af apparater og instrumenter, der bare er anderledes. Det starter med en måling og ender med et billede oppe i det hoved af, hvordan et bestemt objekt ser ud.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvordan kan astronauter fylde en flaske med vakuum?
Hvad er den ultimative grænse?
Hvis vi virkelig tager denne ’definition’ helt ud til grænsen, kan man sige, at højenergiforskernes partikelacceleratorer er ’mikroskoper’, der bruges til at finde ud af, hvordan stof på ekstrem lille skala er opbygget.
På denne måde har man opdaget, at protoner og neutroner er opbygget af quarker. Man mener, at disse mindste byggesten ikke har nogen indre struktur og ikke har nogen ’størrelse’. I al fald er skalaen af sådanne ’endnu mindre mindste byggesten’, så 10^-19 meter (bredden af et DNA-molekyle delt med 10 milliarder), og det er småt.
For mig er det at ’se’ det samme som at ’måle struktur eller karakteristik’. Det starter med en måling og ender med et billede i hovedet… same thing.
Jeg kan nok ikke give et bedre svar end dette lange og lidt vævende svar. Det er et knaldgodt spørgsmål, og det er nok noget, forskere og andre mennesker altid vil spekulere over.
Hvad vil det sige at se? Hvad kan vi se? Kan vi opfinde nye måder at se på?
Vi får at ’se’.
