Svim ljudima, a još više školarcima, poznate su slike poput ove gore. Međutim, hoćemo li vidjeti nešto slično ako pogledamo molekulu ili atom čak i kroz najhladniji optički mikroskop?
Znamo da postoje takvi optički instrumenti kao što su mikroskopi. Ovi uređaji vam omogućavaju da vidite vrlo male objekte. U njima se vide ćelije živih organizama, pa čak i njihova unutrašnja struktura, kao i mnoge druge stvari koje običnom oku nisu vidljive. Ali da li je moguće otići dalje i vidjeti molekule koji čine ćelije?
Strogo govoreći, svi mikroskopi imaju neku granicu do koje mogu povećati sliku, ili drugim riječima, koliko mali predmet se može vidjeti u njima. I odmah iskreno priznajemo da ne postoji takav optički mikroskop u kojem bi bilo moguće ispitati objekt male veličine poput jedne molekule ili atoma. To je spriječeno nekim fundamentalnim zakonima optike.
Međutim, pretpostavimo, ipak, da smo uspjeli dobiti mikroskop tako sjajne rezolucije da bi bio spreman da nam pokaže isti mali objekt kao jedan molekul ili atom. I tako smo ovaj mikroskop usmerili na jedan jedini atom ili molekul, šta ćemo videti?
Odgovor je vrlo jednostavan: praktično ništa. To je zato što se svjetlost sastoji od fotona. A da bismo vidjeli bilo koji predmet mikroskopom ili čak samo okom, i da bismo razmotrili njegovu strukturu, potrebno nam je mnogo fotona koji bi se istovremeno reflektirali od različitih dijelova ovog objekta i potom u izobilju padali nakon toga u okular optički uređaj ili u naše oko. Naravno, moguće je i da sam predmet svijetli, tj. emituje fotone. Značenje ostaje isto, mnogi fotoni iz različitih dijelova objekta moraju istovremeno ući u optički uređaj.
Ali molekule ili atomi komuniciraju s fotonima na drugačiji način. Oni ih ne odražavaju. Molekuli i atomi mogu samo apsorbirati ili emitovati fotone. I najčešće fotoni uglavnom lete pored molekula i atoma bez interakcije. Istovremeno, atom ili molekul obično emituju samo jedan foton, koji potom leti u nepredvidivom smjeru. Osim toga, da bi molekul ili atom emitovao foton, on (ili on) prvo mora apsorbirati drugi foton.
Stoga bi naš eksperiment promatranja molekula u mikroskopu izgledao ovako: osvjetljavamo atom ili molekul svjetlošću, ali većina fotona leti pored atoma ili molekule koja se proučava. Zatim, u nekom trenutku, jedan od fotona se i dalje apsorbira, a nakon nekog vremena atom ili molekula emituju sličan foton u nepredvidivom smjeru (često, usput rečeno, leti u istom smjeru u kojem je došao prethodno apsorbirani foton od).
Dakle, ovaj pojedinačni foton koji emituje molekul ili atom teško možemo razlikovati od svjetlosti koja obasjava predmet koji se proučava, tj. milijarde drugih sličnih fotona koji lete u blizini. A ako molekul nije osvijetljen, tada će foton koji emituje možda morati da čeka jako dugo.
Ali čak i ako možemo odvojiti foton emitovan iz molekule od fotona osvjetljenja, ipak, najbolje što možemo očekivati od molekule ili atoma koji gledamo u optičkom mikroskopu je da u nekom nepredvidivom trenutku ona (ili on ) i dalje će emitovati jedan foton prema okularu mikroskopa. Jedan foton nije dovoljan da ljudsko oko vidi barem nešto. Ali mikroskop bi vjerovatno mogao biti napravljen da uhvati i pojača signal od jednog fotona.