問題

How can we measure interface phenomena on the microscopic level?

如何在微觀層面測量界面現象？

微觀界面的測量是什麼？簡單的例子：空氣和水界面上掉了一個金屬原子進去，測一下受到的力或沉入的快慢；金屬/非金屬固體表面發生了什麼，對應的物理過程可能是氧化，催化，電極與電解液的作用等過程。

總之這麼說太學究了，到底有什麼難度？有兩個層面：

首先，人類要具有微觀觀察和操縱的技術；

其次，人類要放置自己的觀察和操縱不能影響測量結果，這一點是容易被忽略的。

在進入細枝末節的技術之前，先要抓住問題的核心，拋開「界面」二字，因為常規的觀測大都是在界面上或者與界面觀察是同樣的技術（大家可以想一下觀察星空和觀察月球表面的區別），那麼剩下的「微觀」的觀測需要要遵守的原則是什麼？

他來了。

測不準原理

也就是：不可能同時精確確定一個基本粒子的位置和動量。 粒子位置的不確定性和動量不確定性的乘積必然大於等於普朗克常數。對於粒子來說，動量（關聯速度）和位置測量滿足一下：

樸素的理解： 對於一個運動的物體，如果要精確地確定他的瞬態位置，那麼他的速度就是測不準的。

有一個下面會用到的推論：如果要測得位置需要很精確，需要用來測量的中間介質更重（動量是質量乘以速度）。

似乎沒有道理，但這裡關係到「觀測的本質」。

觀測的本質：相互作用

觀測的本質是一種相互作用，相信大家一般不容易理解這句話。舉個例子，我們如何「看」到陽光下空中的飛鳥。是不是陽光里的光子打到鳥身上，然後進入我們的眼睛。可惜的是，人類通常以自我為中心，自動忽略了物理世界提供的幫助。

光子具有什麼屬性呢？波粒二象性。

類比：當一道水波（類比光子）打到水中凸起的一塊石頭（類比被觀測的物體），我們靠反射波確定石頭的位置，會不會存在不準確，會的。

事實上，聲波同理。而聽、看幾乎是人類最重要的觀察手段了。

以上只是一個原則，回到問題，微觀很難嗎？

觀測微觀界面的難點：無處安放的小手

微觀很難嗎？人類各種顯微技術不是已經看到了原子嗎？有三個角度：

• >光波波長量級的觀測不太難

光子是這個宇宙賜給我們的寶貴禮物，能讓人類觀測且引入的擾動很小。各種光學顯微鏡可以實現。但光波一般是百納米級別，氫原子大小0.1納米，水分子大小0.4納米，遠遠不夠用於觀測微觀界面上原子尺度的現象。

• <光波波長量級的觀測之電子

剛才說了光波的優勢，要更精確的話只有尋找一種更重所以波長更短（可以用物質波理論）的粒子。相信大家能想到：人類目前玩得比較好的是：電子。這就是電子顯微鏡。TEM/SEM，掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，這裡不是為了科普這些，大家自行百度。最新的掃描電子顯微鏡的解析度可以達到接近1nm，還不到原子尺度。

有點難的原因：電子帶電，會與觀測對象發生作用，所以適合的目標較少。這也是冷凍電鏡之所以冷凍的原因之一，那就是我把對象凍起來（再切片），你就不會動，然後我就可以上下其手了，話說回來這個靈光一現的辦法，真的是讓挺多科學家如獲至寶，收穫頗豐。

• <光波波長量級的觀測之原子

沒錯同樣的理論，找原子更精確。大家自行百度原子力顯微鏡，以下來自網絡：

原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由於針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恆定，帶有針尖的微懸臂將對應於針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直於樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應於掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

總之，解析度進入1nm量級了，但同樣很難的原因：原子同樣存在外圍電子，一不小心就會與被測物相互作用。

總之，對於穩定的界面，如打磨光滑的晶體表面尋找缺陷，或者很難發生變化的穩固的界面。是可以觀測到原子層面的。

光子，電子，原子，人類把宇宙給我們提供的工具已經用了一個遍，但這些工具如同無處安放的小手，總是給我們信息的同時又影響被觀測對象。

悲觀的結論

對於活躍的反應界面，比如想觀測氣水界面相變的微觀過程，氣固界面的催化反應過程，液固界面的晶體凝固/熔解，在原子尺度上觀察，宇宙沒給我們一個好的工具。

類似冷凍電鏡這樣的捷徑，更多適用於生物組織，對於以上提及的微觀界面的三個過程，都用不上。

希望

不能實現原子尺度觀測，不預示著人類科技樹進化之路被鎖死，條條大路通羅馬。

上帝：你看不到了吧

雲智熵：看不到，不妨礙我知道：他就在那裡