クライオ電子顕微鏡で実際の原子を見る！それは科学が予測しているもののように見えますか?

地球上のすべての物質は、物質の特性を形成する最小単位である原子で構成されています。水素原子の最小の直径は約 10^-10 メートル、つまり 0.1 ナノメートル、つまり 1 メートルの 10 億分の 1 です。水素原子の質量は約1.674×10^-27キログラムで、針の先端には100兆個の原子が並ぶことができます。

原子に関する人々の理解は、推測から理論へ、そして今日では実際に原子を見るまでに進化しました。このプロセスはどのようなものですか?現在私たちが目にしている原子は過去の理論と一致しているのでしょうか?一緒に調べてみましょう。

原子に関する知識の発展の歴史は、古代ギリシャの科学者が原子の概念を持っていた2,500年以上前にまで遡ります。この概念は古代ギリシャの唯物論哲学者レウキッポスによって提唱され、彼の弟子デモクリトスによって発展させ完成されました。デモクリトスによる原子の基本的な説明は次のとおりです。

原子は万物の起源です。それらの基本的な特徴は充実感と堅固さであり、つまり、内部に隙間がなく、堅固で、侵入できず、分割できないことです。原子は永遠であり、不滅であり、その数は無限である。原子は常に運動状態にあり、その運動の形態は振動である。原子は極めて小さく、人間には見えず、感覚で知覚できず、理性によってのみ理解することができます。

これらの理解は哲学的なレベルにとどまっており、推測にすぎませんが、物質は無限に分割できない、原子は最小単位である、原子は常に運動している、など、今日発見されている科学的原理と一致するものが多くあります。しかし、完全性や堅固さ、不可侵性や不可分性、不滅性、無限数など、後の科学的発見に一致しないものも数多くあります。

しかし、2,500年前のこれらのことを知ることができたのはすでに非常に貴重なことです。しかし、私たちの古代の祖先は、物質は無限に分割可能であり、つまり、1フィートの棒の半分を毎日摂取すれば、物質がなくなることはないと信じていました。原子論はこの推測から大きく前進し、科学の始まりを示しました。その後、古代ギリシャはまさに世界科学の最古の発祥の地となりました。

デモクリトスが原子論を提唱して以来、2000年以上大きな進歩はなかった。多くの科学者が多数の実験を通じて原子の存在を確認し、原子の真の性質を徐々に理解し始めたのは 17 世紀になってからでした。

19 世紀初頭、イギリスの化学者ジョン・ドルトンは、現代科学的に重要な 3 つの核心を持つ原子モデルを初めて提唱しました。1. 原子は分割できない粒子である。 2. 同じ元素の原子は同じ特性と質量を持ちます。 3. 原子は小さな固体球であり、分割することはできません。

ドルトンの原子モデルの最大の功績は、各元素には 1 種類の原子しか含まれず、さまざまな原子が結合して化合物を形成するという現象を明らかにしたことです。しかし、原子は分割できず、固体の球体であるという主張はデモクリトスの主張と何ら変わりません。

イギリスの物理学者ジョセフ・ジョン・トムソンは電子を発見し、原子がサブ構造を持つという原子モデルを1904年に初めて提唱し、ドルトンの「固体球モデル」を否定した。トムソンのモデルは「デーツケーキモデル」または「レーズンケーキモデル」と呼ばれ、また「スイカモデル」と呼ばれることもあります。

トムソンは、原子は正電荷を帯びた球体であり、デーツケーキのデーツ、レーズンケーキのレーズン、スイカのスイカの種のように、電子が原子の中に埋め込まれていると信じていました。

その理論の核心は 2 つあります。1. 電子は、あたかも均一な正電荷を持つ海に散らばっているかのように、原子全体に均等に分布しており、電子の負電荷と正電荷は互いに打ち消し合います。 2. 励起されると、電子は原子から出て陰極線を生成します。

この理論の最大の成果は、原子の基礎構造の発見であり、電子は励起されると原子から離れ、原子は壊れず分割できない固体球であるという障壁を打ち破ったことです。

しかしすぐに、トムソンの理論は彼の弟子であるアーネスト・ラザフォードによって覆されました。ラザフォードは 1911 年に原子の「惑星モデル」を提唱しました。その主な核は次のとおりです。1. 原子の体積の大部分は空であり、核は非常に小さな原子核です。原子核は原子の質量のほとんどを占め、すべての正電荷を運びます。 2. 電子は負に帯電しており、惑星が太陽の周りを回るのと同じように、一定の軌道で原子核の周りを回っています。

この理論は原子の真の姿に非常に近かったため、深遠かつ永続的な影響を与えました。多くの年配の人々は若い頃にこの理論を学び、科学的なもののイラストや宣伝用の絵画の多くでは今でもこのモデルが使われており、中央に原子核があり、いくつかの点が原子核の周りを回って美しい交差軌道を形成しています。

しかし、このモデルは実は量子力学の台頭によってずっと以前に否定されていました。量子力学の中心的な考え方は、不確定性原理に従う粒子の波動粒子二重性です。つまり、粒子の運動は確率的な波動関数の性質を持ち、その位置と運動量を同時に決定することはできません。このように、電子は太陽の周りを回る惑星のように規則正しく動くことができません。代わりに、電子は原子核の周りの任意の位置にランダムに現れ、原子の電子雲モデルを形成します。下の図を参照してください。

これらの理論は原子の本質を層ごとに分析し、真実にどんどん近づいているようです。しかし、結局のところ、これらの理論は原子を見ることなく実験と理論的推論を通じて得られたものです。では、実際の原子はどのようなものでしょうか?それらは理論と一致するでしょうか?

人間がミクロの世界を層ごとにどのように見ているか。人間の目は物質を見るために光を必要とします。光が物体に当たり、物体が光を反射、散乱、回折することによって、人は物体の外観を見ることができます。古代の人々は世界を完全に裸眼で見ており、見ることができる物体の距離と大きさは非常に限られていました。

もちろん、多くの物体は大きくて明るいので、人間の目は非常に遠くまで見ることができます。たとえば、月や星を見ることができます。これらの天体のうち最も近いものは地球から約 40 万キロメートル離れており、最も遠いものは数百または数千光年離れています。私たちが見ることができる最も遠い銀河はアンドロメダ銀河で、私たちから254万光年離れています。

しかし、人間の目では、100メートル離れたアリを見ることはできませんし、体のあちこちを這うダニを見ることもできません。ましてや、手のひらに付着している何十億もの細菌やウイルスなど、目にすることなどできません。

これは、人間の視覚が解像度によって制限されるからです。すべての物体は瞳孔を通って網膜に到達するために開口角を持たなければならないため、人間の目の通常の視力は約 1 分角まで分解できますが、視力の優れた人の限界解像度は 0.5 分角に達し、平均解像度は 0.75 分角です。

簡単に言えば、25 cm の距離では、人間の目が識別できる 2 つの物体点間の最小距離は約 0.1 mm で、限界は 0.05 mm です。この基準は明視距離と呼ばれます。

望遠鏡と顕微鏡はどちらもこの原理を利用して、物体を人間の目で識別できる大きさに拡大します。人々は、そうでなければ見えないか、見るのが困難だった小さな物体を見ることができるようになります。望遠鏡は遠くの物体を近づけますが、これは拡大に相当します。顕微鏡は、肉眼では見えない近くの物質を、見えるようになるまで拡大します。

最も古い顕微鏡は光学顕微鏡であり、凸レンズを使用してレンズ内の物体を拡大して観察します。可視光を利用して観察対象物を反射、屈折、散乱、吸収させ、標本の形状と明るさを示し、レンズの拡大効果を通して観察できるようにします。

それ以来、人々は肉眼では見えない昆虫や細菌など多くの微生物を目にするようになり、人類の世界に対する理解は飛躍的に進歩しました。

しかし、光学望遠鏡には弱点があります。凸レンズの倍率が高くなるほど回折現象が深刻になり、対象物が歪んで鮮明に見えなくなります。一方、光学顕微鏡は可視光を使用するため、光の最大解像度は光波の波長の半分にしか達しません。

可視光は、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫などの色の光で構成されており、波長は約 780 ～ 400 ナノメートルの範囲です。したがって、最も波長が短い青紫色光であっても、最大解像度は 200 ナノメートルにしか達しません。微生物のうち、細菌の大きさはおよそ 500 ～ 5000 ナノメートルです。したがって、光学望遠鏡で細菌を観察することには、一般的に問題はありません。しかし、新型コロナウイルスのような大きさがわずか100ナノメートルのウイルスは目に見えない。

多くの科学者による数十年にわたる実験と研究、そしてさまざまな要素を考慮した結果、光学顕微鏡の最大倍率は 1600 倍と決定されました。 200ナノメートルの物体は、1600倍に拡大してもわずか0.32ミリメートルになります。これは人間の目の最小解像度より大きいですが、人間の目が 0.32 mm の物体の構造を識別できないのと同じです。

新しい方法を見つけることによってのみ、倍率をさらに高め、より小さな物体を見ることができるようになります。

1931年に最初の電子顕微鏡が誕生しました。電子顕微鏡（英語ではEMと略される）、略してEMとも呼ばれます。電子顕微鏡は物体を観察するために可視光を使用しません。代わりに、電子光学の原理に基づいて、光線と光学レンズの代わりに電子ビームと電子レンズ（通常は電磁レンズ）を使用して、物質の微細構造を非常に高い倍率で画像化する装置です。

ド・ブロイの公式によれば、電子顕微鏡の光源の電子運動量が100 Veのとき、その波長は0.1225ナノメートルです。そのため、電子顕微鏡は0.2ナノメートルという小さな物体を観察することができ、これは光学顕微鏡の1,000～2,000倍の分解能です。最も小さい原子の直径は約 10^-10 メートル、つまり 0.1 ナノメートルです。電子顕微鏡の登場により、人間は原子を観察することが可能になりました。

原子は人間の網膜に入ると、ぼやけた光と影から目に見える形に変わります。電子顕微鏡は、さまざまなニーズに応じて、走査型電子顕微鏡 (SEM) と透過型電子顕微鏡 (TEM)、さらに原子間力顕微鏡 (AFM)、走査型トンネル顕微鏡 (STM) などに分類されます。

SEM と TEM の主な違いは、焦点を合わせたスキャン中に電子ビームがサンプルを通過するかどうかです。 SEM はサンプルの表面のみを線ごとにスキャンします。 TEM は、非常に薄いサンプルに電子ビームを照射し、サンプル全体を通過させます。しかし、その基本原理は、サンプル原子に電子ビームを照射し、衝突中に散乱と回折を引き起こして画像を取得し、それを拡大して人間の目で見られるようにすることです。

原子力顕微鏡と走査型トンネル顕微鏡は、プローブを使用して物体を原子レベルで観察します。後者は、単一の原子を観察して位置を特定するのに十分な精度を備えています。しかし、これらの顕微鏡は表面の原子を「見る」わけではありません。彼らはそれを「感知」するのです。たとえば、STM の動作原理は、サンプル表面に非常に近い非常に細い針の先端を使用して、バイアス電位を介してトンネル効果を生成することです。

このトンネル効果は、先端の数個の原子と先端表面に最も近い原子の間でのみ発生し、その結果、原子分解能が得られます。しかし、この原子像は曖昧で不明瞭です。上の写真をご覧ください:

科学者たちは透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡を組み合わせて、透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡の両方の機能を備えた走査型透過型電子顕微鏡 (STEM) を開発しました。その後、米国コーネル大学の研究チームが電子スタッキングイメージングという技術を発明し、これをSTEMと組み合わせることで1億倍の倍率で原子イメージングを得ることに成功しました。

これは人類が原子の比較的鮮明な画像を得た初めての事例であった。下の図を参照してください。

1970年代から1980年代にかけて、微細構造観察の分野に革命的な進歩をもたらしたクライオ電子顕微鏡が登場しました。この技術は、走査型電子顕微鏡（Cryo-SEM）の極低温凍結サンプル作製・透過技術をベースとしており、液体、半液体、生物材料やポリマー材料など電子線に敏感なサンプルの直接観察を実現します。

2017年、ジャック・デュボシェ、ヨアヒム・フランク、リチャード・ヘンダーソンの3人の科学者が、クライオ電子顕微鏡による生体分子イメージング技術への貢献によりノーベル化学賞を受賞しました。この技術は、微視的世界に革命的な進歩をもたらしました。

2020年5月、英国ケンブリッジとドイツのマックス・プランク生物物理化学研究所の2つの科学チームがクライオ電子顕微鏡技術を使用して、これまでで最も鮮明な原子レベルの写真を取得し、タンパク質内の個々の原子を初めて特定しました。

英国チームが得た1.2×10^-10メートル（0.1ナノメートル）の構造は非常に完全である。使用される機器と技術により、タンパク質内の個々の水素原子と周囲の水分子を区別することができます。一方、ドイツのチームは、アポフェリチンタンパク質の1.25×10^-10メートルの構造を取得しました。下の図を参照してください。

この時点で、原子の真の姿が人々の前に現れます。まだ原子の外観だけですが、この物質がいかに小さいかを知る必要があります。それは非常に小さいので、針の先端に数十億個並べることができます。それらを区別できることは、科学技術の驚くべき成果を証明しています。

将来、原子の内部構造を見ることができるようになるのでしょうか？電子顕微鏡の登場と科学技術の継続的な進歩により、ついに人々は原子がどのように見えるかを見ることができるようになりました。見た目からすると、原子は量子力学で説明される電子雲モデルのように、確かに常に動いている明るい点です。では、将来人類は原子の内部構造をさらに詳しく見ることができるようになるのでしょうか?

原子は化学反応において分割できず、基本的な特性を維持する物質の最小単位であることがわかっています。これは、現在知られている 118 個の元素の場合です。しかし、原子は物理的な方法で分割することができます。たとえば、高温、高圧、高速衝突などにより、原子は核分裂または核融合を起こし、新しい元素になることができます。

さまざまな実験により、原子は原子核と電子で構成され、原子核は中性子と陽子で構成され、中性子と陽子はそれぞれ3つのクォークで構成されていることが確認されています。中性子は 2 つのダウンクォークと 1 つのアップクォークで構成され、陽子は 2 つのアップクォークと 1 つのダウンクォークで構成されます。

アップクォークは 2/3 の正電荷を持ち、ダウンクォークは 1/3 の負電荷を持ちます。したがって、中性子内のクォークの正電荷と負電荷は等しく、電気的特性を示しません。一方、陽子の正電荷と負電荷は互いに打ち消し合い、余分な電荷が残るため、正電荷を示します。そして電子は負の電荷を帯びます。このような原子は、その原子核に含まれる陽子の数と同じ数の電子を持ち、原子は中性状態で存在します。

では、将来これらの構造をはっきりと見ることができるようになるのでしょうか、あるいはクォーク内のより深い構造を発見できるようになるのでしょうか?現在の理論によれば、これはありそうにありません。

量子力学の不確定性原理によれば、微細構造が深くなるほど、運動エネルギーと位置を決定することが難しくなり、不確定性原理が適用されます。いかなる観察にも、電子や、X線やガンマ線などの高周波および超短波長光源などの光源の使用が必要であり、これらの光源が微細構造に干渉し、鮮明に観察することが不可能になります。

宇宙には、電子や陽電子だけでなく、個々の陽子や中性子も存在し、さまざまな機器で検出できます。ハドロン衝突型加速器や加速器などの高精度の装置や計測器でも検出できます。しかし、これらの検出は、その経路を取得するためのバブルチャンバーなどの方法を通じてのみ実行できます。彼らの「姿」を実際に「見る」ことはまずないでしょう。

さらに、クォーク閉じ込め理論によれば、クォークの全色電荷はゼロであり、強い相互作用力のため、クォークは単独では存在できません。したがって、既存の理論では、原子の外観を見ることができるのはすでに限界であり、将来的にはより鮮明に見えるようになるだけです。

しかし、今では超弦理論があり、私たちの世界はもともと10次元で構成されており、残りの6次元は丸まって見えなくなっているので、現在の世界は4次元時空、つまり3次元空間と1次元時間になっていると言われています。この世界を構成する最小単位は、原子でも、クォーク、電子、光子、ニュートリノなどの点粒子でもなく、極めて小さな線状の「弦」です。

これらの「弦」には、端点を持つ「開いた弦」と、円内の「閉じた弦」が含まれます。弦のさまざまな振動と動きによって、さまざまな異なる素粒子が生成されます。これは、弦のスケールがどの粒子よりも小さいことを意味します。この理論は非常に複雑なので、詳しく説明しません。多くの科学者は、この理論が大統一理論を実現するための最も有望なモデルであると信じています。

大統一理論とは、強い力、弱い力、電磁力、重力を統一する理論です。

現在、科学界は強い力と電気力を統一しており、標準モデルは基本的に強い力、電気力、弱い力を統一しています。重力だけは、どうやってそれらを統合するかという謎のままです。重力子を含むすべての粒子が「弦」で構成されているとすれば、重力の統一は自然な帰結となるでしょう。その結果、科学界は弦理論に大きな期待を寄せており、それが弦理論が大統一理論と呼ばれる理由です。

もしこれが本当なら、将来人類は物質を構成する最小単位である「ひも」を見ることができるようになるのでしょうか？量子力学の不確定性原理に基づくと、これは起こりそうにないと思います。おそらく将来、この期待を変えるような破壊的な理論が出現するだろう。

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