主题：【原创】快来看啊，真武大帝现身了！ -- 楚庄王

衍射极限并非不可逾越的，但也不是可以随便超过的。衍射极限是针对特定光学系统而言的，如果采用特别的技术手段，也是可以超越的。在显微镜领域，这次的炸药奖就给了荧光显微镜超分辨率三人组。

必须指出的是，称之为超越也好，或者突破也好，并不是推翻了原有的衍射极限公式。而是采用了特定的光学方案、成像原理，绕过了衍射极限的限制，实现了更高的 分辨率。这种超分辨率是在特殊条件下针对特定的观察对象取得的，称得上是个巨大突破，有极高的实用价值，但并不具备普遍意义。在光学领域，衍射极限公式仍然是成立的，并且具有更普遍的指导意义，比如在制造芯片的光刻机上，减小线宽的主要办法就是减小曝光的激光波长，以取得更小的衍射极限。不要小看前人的智慧，衍射极限公式还远远没到被击倒的程度呢。

此外，这种超分辨率原理仅限于显微领域，还不能应用于传统的照相和望远镜等宏观成像系统。这是因为荧光显微技术的基础在于利用对象的化学性质，让激光在特定分子上激发出荧光，然后才能得到超越衍射极限的图像。对宏观物体成像时，我们只能利用其物理性质，即透射光和反射光，不可能靠单个分子的荧光成像，也找不大足够强大的激光源去激发大片地区的荧光让卫星成像，哪怕只照一个人、一棵树也不行。所以在宏观成像领域，传统成像技术和衍射极限仍然统治着一切，除了量子成像技术。据报道，量子成像可以实现超出衍射极限的三维成像，目前已经取得了一些进展，能有多大发展还需要时间检验。

另外一个限制这种超分辨率应用的关键在于，其成像的对象是光源，即被激发出荧光的发光分子，而不是随便什么物体。光源成像有其特殊性可以利用，一般物体就不一样了。对于自身不发光的物体来说，只能靠外部光源投射到上面才能进行观察，对于分子量级的单个物体来说，其尺寸远远小于光波长，光照到上面根本不反射，而是直接绕射（衍射）掉了，后面的成像也就无从谈起了。在这种情况下，传统意义上的衍射极限仍然存在，荧光显微的超分辨率就完全不起作用了，采用近场显微镜可以实现超过衍射极限的空间分辨率，但不能进行内部观察。所以从整个显微成像领域来看，超分辨率的问题还远远没有完全解决，衍射极限仍然统治着大片的领域。

再多说两句突破这件事。类似超分辨率荧光显微这种成果，并非来自于对现有限制性公式本身的推翻式突破，恰恰相反，是立足于对这些公式的深刻理解，找出限制的根源所在，想办法解除或绕过限制，从而取得了突破。这么说未免太空洞，结合荧光超分辨率这件事来具体说说。

首先，衍射极限公式是这么来：光通过有限的光学孔径后，必然发生衍射，使得原本理想的像点发生扩散，从理想的无限小的点变成一块弥散斑，即点扩散函数。如果两块弥散斑挨得太近，无法分辨，这就是衍射极限。孔径越小，衍射越厉害，弥散斑越大，衍射极限的数值也就越大。用数学方法计算可以得出具体的公式，即瑞利公式。衍射的本质在于光的传播受到阻碍，任何形式的阻碍，无论是振幅上的（遮挡）还是相位上的（通过透明介质），或者二者兼备，一定发生衍射，这是由光的波动本质决定的，是无可避免的。即便是光通过玻璃也不例外，折射可以被认为是衍射的一种特例。

其次，任何光学系统的口径总是有限的，照相机、望远镜受限于物镜口径（主要限制，其他部分姑且不论），理论上可以无限扩大，所以分辨率并没有理论上限。但显微镜系统就不一样了，传统分辨率极限公式为：分辨率＝0.61*波长/数值孔径。除了波长，其分辨率反比于数值孔径，即物方折射率和半视场角正弦的乘积。空气的折射率基本是1，水是1.3，半视场角最多做到接近90度，正弦值小于1，所以数值孔径做到一点几就顶天了。对生物显微镜而言，取可见光的中心波长0.55计算，数值孔径至多做到1.3（在水中观察），分辨率是200多纳米，即光波长的二分之一到三分之一。这就是传统显微镜的极限。

然后，永不满足的科学家们自然会思考下面的问题：有没有办法提高分辨率？很容易想到用缩短光波长的办法，于是电子显微镜应运而生。但电子显微镜只能在真空中操作，看不了活体细胞。用比可见光更短的紫外光呢，显然也不行，那是杀菌用的。

于是科学家们只好另辟蹊径，本次炸药奖的三位老兄就找到了办法。既然衍射不可避免，不如反过来利用弥散斑得到超分辨率：可以在衍射极限存在的情况下用计算弥散斑光强分布的办法提高荧光点的定位精度（Betzig），也可以通过特殊的激光照射过程减小弥散斑的尺寸以便从根本上提高分辨率（Hell），这两者都是提高xy平面内的分辨率，更有甚者，还可以通过特殊的光学调制器件改变弥散斑的形状从而获得更高的z向分辨率（Morerner）。这就是三位本届炸药奖获得者的贡献。

所以，说起来这里其实不存在“超常规、非传统”的突破，也没有“胆大心细、肆无忌惮”的创新。超分辨率的获得与其说是打破了衍射极限、超越了衍射极限，不如说是遵守了衍射极限、利用了衍射极限。科学发现常常就是这样，所有突破和创造都是既有基础上的提高，靠的不是天马行空的所谓 开放思维，而是脚踏实地的对已有知识的深刻理解，在无数科学家、无数研究小组反反复复的尝试和失败之后，才会出现成果。

这在旁人事后看来，容易当成很轻易地打破了什么窠臼，突破了旧有的什么限制，仿佛科研成果就是天才科学家一拍脑袋就能想出来的，只要敢于打破常规就行。一般人只要敢于放开思想，也似乎就能和他们一样做出些什么。记者这么写可以吸引眼球，也是广大群众所喜闻乐见的。但遗憾的是，这是一种极大的误解。突破往往是有前提条件、有范围限制的，而且实际的科研也不是这个样子的。创新人人想做，更常见的是在前人工作的夹缝里寻找一点机会，搜肠刮肚、绞尽脑汁之后，毫不容易有点想法，一查文献，发现有人已经做过了，然后只好继续痛苦的搜肠刮肚、绞尽脑汁。这是一个漫长而痛苦的过程。当然也有人以苦为乐，偏偏好这口儿，那就另说了。

有运气好的出了创造性成果，甚至是炸药奖级别的成果，也仍然不够，还必须注意保养身体，要合理饮食、作息规律、保持心情愉快，才有可能拿到炸药奖。炸药奖本来就是这么发的，两个必要条件：一是不发给死人、二是只发给已被认可的，每年把在尚在人世的排排队，然后从中选一个最好的发。早年的炸药奖，那时称得上群星璀璨，发都发不过来，越到后来就越难发，变成了熬年头的游戏，成果的含金量也是给人一年不如一年的感觉。华裔的高锟熬了近四十年，才带着老年痴呆症颤颤巍巍地上台领了奖；本界的物理奖得主赤崎勇也是熬到85岁了才得了正果。咱们中国人没拿过科学炸药奖，不用着急，也不能说明现在中国的科学研究就如何不堪，谁让咱的年头还没熬够呢。

最后顺便说一句。个人觉得这三位应该给物理奖才对。这项技术是采用光学手段研究生物化学问题，历史上照相和显微技术拿了4、5个炸药奖，都是物理的。何况三个人都是纯纯的物理出身，贡献也都体现在物理方面，给个化学奖有些莫名其妙。照这逻辑伦琴的X射线应该给医学奖才对。这次不会是因为化学方面实在找不到人了才拉过来的吧。

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