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六张图片揭示数据背后的科学

来源:环球科学
你的眼睛接收到从物体反射的光线,并通过大脑解读看到的图像。(图片来源:oldskool photography / Unsplash, CC BY)

作为一个在比分子更小尺度上工作的实验视频制作者,我置身于各种各样的科学可视化环境中。
在阅读关于科学发现的媒体报道时,我有时会遇到这样的说法:一种特定的科学可视化实际上是一张照片,例如:第一张氢原子内部的照片。
照片是由从物体反射的光子撞击到如胶片或数字传感器的光敏表面而制成的图像。因为光携带与形状、纹理和颜色有关的信息,所以照片展示并保留了物体原貌的特征(物体的图像)。
但是,我们生活在一个后摄影的世界; 可视化技术能用不同方式来“观察”数据和科学现象。
以下可视化图像涵盖了从地质到量子的各种尺度。它们是用可以说明摄影和科学可视化过程之间存在巨大差异的技术制成的——在某些情况下,联合使用了摄影和科学可视化两种手段。
1.从距离地球700公里看到的澳大利亚
卡奔塔利亚海湾飞行了12个月。(图片来源:Grayson Cooke, Author provided (No reuse))

Grayson Cooke是一位媒体艺术家,负责处理来自近地轨道卫星的数据。这些卫星具有记录电磁辐射包括紫外线、红外线和可见光波长的传感器。
这张来自Cooke的露天项目的静态图像,由Carpentaria海湾上历经一年拍摄的多帧图片组成,结合了红外和可见波长。
该图像可以部分认为是照片,因为它部分使用了可见光拍摄。但它也利用了不可见的红外辐射,所以也是部分数据可视化,在这张图像上人眼不可见的红外辐射已经被赋予了可见的颜色。
2.大鼠视网膜的荧光图像
在分子分界的另一边。电子显微照片(2013)。(图片来源:Andrea Rassell, Author provided (No reuse))

共聚焦显微镜成像是利用荧光染料(商业化生产的带有荧光分子的抗体),与生物样本中细胞或组织蛋白特异性结合的一门技术。。荧光分子可以被显微镜的激光激发,发射可见光,并通过光电探测器或照相机成像。
在这个大鼠视网膜的例子中,荧光分子靶向了不同的细胞表面蛋白,带有不同荧光分子的抗体用来区分视网膜中的不同细胞类型,揭示了组织的分层结构。这张图像是荧光分子的照片,并不是组织本身的照片。
3.原子力显微镜下的石墨烯
视频里的一帧图片,纳米显微照片(2018)。(图片来源:Andrea Rassell, Author provided (No reuse))

以上图像是石墨烯的显微照片,石墨烯是是由单层碳原子排列成六边形晶格的一种物质,可以像纸张一样堆叠。这是用原子力显微镜拍摄的石墨烯图像。
显微成像传统上是直接的光学图像捕获过程。光波从物体反射并通过显微镜中的透镜放大,使观察者可以直接观察放大状态下的细节。
但这个过程并不适用于纳米尺度的样品成像(纳米是十亿分之一米)。可见光谱中的光波太长,不能撞击400纳米以下的物体,因此光学显微镜接收不到反射回来的光。
原子力显微镜使用了另一种检测方法——一根类似于唱片机唱针的探针,用以扫描和“感觉”样品表面形貌。
探针尖端的大小(通常为几纳米宽)决定了显微照片的分辨率。这种方法可以对由于尺度太小无法进行光成像的样品进行可视化成像。
仪器产生的空间数据(对应于深度、宽度和高度的值)通过一些列仪器和计算过程进行转换成显微照片。此过程将探针的触觉数据转换为可视数据。
4.蛋白质散射的X射线
GroEL蛋白的纳米结晶照片。(2011)(图片来源: Andrew Martin, Author provided (No reuse))

X射线散射模拟是用于确定分子结构的常用技术。以上例子模拟了蛋白质(称为GroEL)的X射线散射图案,其直径约为60,000个原子(10纳米)。
当一束X射线打到蛋白质样品时,就会产生这种可视化图像。X射线散射,即改变方向是由于其和蛋白质中的原子相互作用。这些原子在某些区域可能会出现不同程度的密集。
我们可以测定X射线散射的模式并反向找出产生这些模式的蛋白质结构。晶体学家使用计算分析来复原蛋白质的三维结构。
5.分子的理论图像
氟苯的计算照片(2011)。(图片来源:Ula Alexander, Author provided (No reuse))

这是25℃下氟苯分子的计算图像。
计算图像用于确定光与分子相互作用时分子旋转发生的变化。这些图像是用实验数据制作的,并且可以修改用来计算的信息,直到计算的结果与实验结果匹配。
该图像是分子吸收和发射光的概率图,并且根据概率大小来人工分配颜色。概率大小取决于分子的形状、分子内部的原子振动以及分子在空间中的旋转。
这张图像是由一系列水平的一维图像构成,这些一维图像堆叠在一起,形成二维图案。沿着其中一系列的点走就像沿着分子初始旋转量对应的能量阶梯走。
如果分子的周围环境温度很低,分子的旋转运动就会减少,则这些曲线系列会很短,而分子周围温度更高,分子的旋转运动就会加快,会产生更长的一系列点。
6.粒子的气泡通路
费米实验室15英尺高的气泡室中中微子的相互作用(1976)。(图片来源:费米实验室)

气泡室是充满加压液体的圆筒,当运动的粒子穿过其中会形成气泡。虽然我们不能直接拍摄粒子本身,但我们可以捕捉到这些气泡的运动轨迹。
粒子束流入腔室,在从多个角度拍摄闪光照片之前,形成的气泡能够膨胀到约1mm。
了解这些“照片”背后的拍摄过程,我们就知道了它们并不是传统意义上真正的照片。
数据可视化并不是捕捉“事物的外观”,而是将特征转换为可视化的形式,或者找到能够可视化的物理过程。
与这些复杂的小尺度科学图像并列的是数值数据、表格、图示和解释。因此,科学可视化的图像并不能代表真实,而只是给我们一种真实的感觉。

作者:Andrea Rassell
翻译:黄静
审校:王艺静
引进来源:the Conversation
引进链接:https://theconversation.com/six-images-reveal-how-we-see-data-and-capture-invisible-science-102769?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

本文来自:环球科学
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