人類很早以前想探索微觀世界的奧秘，但是苦于沒有理想的工具和手段。1675年荷蘭生物學(xué)家列文虎克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了十分微小的原生動物和紅血球，甚至用顯微鏡研究動物的受精作用。列文虎克掌握了很高的磨制鏡片的技藝，制成了當(dāng)時世界上最精致的可以放大270倍的顯微鏡。以后幾百年來，人們一直用光學(xué)顯微鏡觀察微觀和探索眼睛看不到的世界，但是由于光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達到光波的半波長左右，這樣人類的探索受到了限制。進人20世紀(jì)，光電子技術(shù)得到了長足的發(fā)展，1933年德國人制成了第工一臺電子顯微鏡后，幾十年來，又有許多新型的顯微鏡問世。
很早以前，人們就知道某些光學(xué)裝置能夠“放大”物體。比如在《墨經(jīng)》里面就記載了能放大物體的凹面鏡。至于凸透鏡是什么時候發(fā)明的，可能已經(jīng)無法考證。凸透鏡——有的時候人們把它稱為“放大鏡”——能夠聚焦太陽光，也能讓你看到放大后的物體，這是因為凸透鏡能夠把光線偏折。你通過凸透鏡看到的其實是一種幻覺，嚴(yán)格的說，叫做虛像。當(dāng)物體發(fā)出的光通過凸透鏡的時候，光線會以特定的方式偏折。當(dāng)我們看到那些光線的時候，或不自覺地認(rèn)為它們?nèi)匀皇茄毓P直的路線傳播。結(jié)果，物體就會看上去比原來大。
單個凸透鏡能夠把物體放大幾十倍，這遠遠不足以讓我們看清某些物體的細(xì)節(jié)。公元13世紀(jì)，出現(xiàn)了為視力不濟的人準(zhǔn)備的眼鏡——一種玻璃制造的透鏡片。隨著籠罩歐洲一千年的黑暗消失，各種新的發(fā)明紛紛涌現(xiàn)出來，顯微鏡（microscope）就是其中的一個。大約在16世紀(jì)末，荷蘭的眼鏡商詹森（Zaccharias Janssen）和他的兒子把幾塊鏡片放進了一個圓筒中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過圓筒看到附近的物體出奇的大，這就是現(xiàn)在的顯微鏡和望遠鏡的前身。
1665年，英國科學(xué)家羅伯特?胡克在用他的顯微鏡觀察軟木切片的時候，驚奇的發(fā)現(xiàn)其中存在著一個一個“單元”結(jié)構(gòu)。胡克把它們稱作“細(xì)胞”。不過，詹森時代的復(fù)合式顯微鏡并沒有真正顯示出它的威力，它們的放大倍數(shù)低得可憐。荷蘭人安東尼?馮?列文虎克（Anthony Von Leeuwenhoek ，1632-1723)制造的顯微鏡讓人們大開眼界。列文虎克自幼學(xué)習(xí)磨制眼鏡片的技術(shù)，熱衷于制造顯微鏡。他制造的顯微鏡其實就是一片凸透鏡，而不是復(fù)合式顯微鏡。不過，由于他的技藝精湛，磨制的單片顯微鏡的放大倍數(shù)將近300倍，超過了以往任何一種顯微鏡。
當(dāng)列文虎克把他的顯微鏡對準(zhǔn)一滴雨水的時候，他驚奇的發(fā)現(xiàn)了其中令人驚嘆的小小世界：無數(shù)的微生物游曳于其中。他把這個發(fā)現(xiàn)報告給了英國皇家學(xué)會，引起了一陣轟動。人們有時候把列文虎克稱為“顯微鏡之父”，嚴(yán)格的說，這不太正確。列文虎克沒有發(fā)明第工一個復(fù)合式顯微鏡，他的成就是制造出了高質(zhì)量的凸透鏡鏡頭。
在接下來的兩個世紀(jì)中，復(fù)合式顯微鏡得到了充分的完善，例如人們發(fā)明了能夠消除色差（當(dāng)不同波長的光線通過透鏡的時候，它們折射的方向略有不同，這導(dǎo)致了成像質(zhì)量的下降）和其他光學(xué)誤差的透鏡組。與19世紀(jì)的顯微鏡相比，現(xiàn)在我們使用的普通光學(xué)顯微鏡基本上沒有什么改進。原因很簡單：光學(xué)顯微鏡已經(jīng)達到了分辨率的極限。
如果僅僅在紙上畫圖，你自然能夠“制造”出任意放大倍數(shù)的顯微鏡。但是光的波動性將毀掉你精美的發(fā)明。即使消除掉透鏡形狀的缺陷，任何光學(xué)儀器仍然無法精美的成像。人們花了很長時間才發(fā)現(xiàn)，光在通過顯微鏡的時候要發(fā)生衍射——簡單的說，物體上的一個點在成像的時候不會是一個點，而是一個衍射光斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，你就沒法把它們分辨開來。顯微鏡的放大倍數(shù)再高也無濟于事了。對于使用可見光作為光源的顯微鏡，它的分辨率極限是0.2微米。任何小于0.2微米的結(jié)構(gòu)都沒法識別出來。
提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設(shè)法減小光的波長，或者，用電子束來代替光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運動的電子具有波動性，而且速度越快，它的“波長”就越短。如果能把電子的速度加到足夠高，并且匯聚它，就有可能用來放大物體。
1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第工一臺透射電子顯微鏡（TEM）。1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第工一臺掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達到納米級（10-9m）。很多在可見光下看不見的物體——例如病毒——在電子顯微鏡下現(xiàn)出了原形。
用電子代替光，這或許是一個反常規(guī)的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學(xué)家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡（STM）。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進，它完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。
很顯然，你不能直接“看到”原子。因為原子與宏觀物質(zhì)不同，它不是光滑的、滴溜亂轉(zhuǎn)的削球，更不是達?芬奇繪畫時候所用的模型。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作。如果舍棄復(fù)雜的公式和術(shù)語，這個工作原理其實很容易理解。隧道掃描顯微鏡沒有鏡頭，它使用一根探針。探針和物體之間加上電壓。如果探針距離物體表面很近——大約在納米級的距離上——隧道效應(yīng)就會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，這股電流也會相應(yīng)的改變。這樣，通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀，分辨率可以達到單個原子的級別。
因為這項奇妙的發(fā)明，Binnig和Rohrer獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。這一年還有一個人分享了諾貝爾物理學(xué)獎，那就是電子顯微鏡的發(fā)明者Ruska。
據(jù)說，幾百年前列文虎克把他制作顯微鏡的技術(shù)視為秘密。今天，顯微鏡——至少是光學(xué)顯微鏡——已經(jīng)成了一種非常普通的工具，讓我們了解這個小小的大千世界。
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