我们的眼睛能看到数百万光年外的星系，却不一定能看到眼前细小的物体。在大尺度上观察物质的运动，毫无疑问能得到强烈的美感。那么从极其微小的尺度上呢？威廉·布莱克在一首诗中写道：

一花一世界，一沙一天堂，掌中握无限，霎那成永恒。

——《天真的预言》( Auguries of Innocence)， 1863

如果除去其中的神秘主义和宗教意味，那么这首诗恰好与微观世界的某些特点不谋而合。例如一朵花包含数以万计的细胞，而一粒沙确实是由无数的氧原子和硅原子组成的( SiO₂)。

不过，即使把一朵花握于掌中，你也决不会肉眼分辨出其中的“世界”。一个视力正常的人，只能看清大约 25厘米之外的物体，如果继续靠近，晶状体就无法把物体的像正确的投影在视网膜上。即使在 25厘米的明视距离上，你也只拥有 1分的分辨率。或者说，在这个距离上，你恰好能把两条相距 0.075毫米的线分开。从生物学的角度可以解释这种现象。当两条线的距离小于 0.075毫米的时候，它们的像就会落在视网膜的同一个视觉感受器—视锥细胞或者视杆细胞—上面。那么你就没法把它们分辨开来。

很早以前，人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。至于凸透镜是什么时候发明的，可能已经无法考证。凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光，也能让你看到放大后的物体，这是因为凸透镜能够把光线偏折。你通过凸透镜看到的其实是一种幻觉，严格的说，叫做虚像。当物体发出的光通过凸透镜的时候，光线会以特定的方式偏折。当我们看到那些光线的时候，或不自觉地认为它们仍然是沿笔直的路线传播。结果，物体就会看上去比原来大。

单个凸透镜能够把物体放大几十倍，这远远不足以让我们看清某些物体的细节。公元 13世纪，出现了为视力不济的人准备的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。随着笼罩欧洲一千年的黑暗消失，各种新的发明纷纷涌现出来，显微镜 (microscope)就是其中的一个。大约在 16世纪末，荷兰的眼镜商詹森( Zaccharias Janssen)和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中，结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大，这就是现在的显微镜和望远镜的前身。

詹森制造的是第一台复合式显微镜。使用两个凸透镜，一个凸透镜把另外一个所成的像进一步放大，这就是复合式显微镜的基本原理。如果两个凸透镜一个能放大 10倍，另一个能放大 20倍，那么整个镜片组合的的放大倍数就是 10* 20= 200倍。

复合式显微镜

1665年，英国科学家罗伯特·胡克(人们可能更熟悉他的另一个发现：胡克定律)用他的显微镜观察软木切片的时候，惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“细胞”。不过，詹森时代的复合式显微镜并没有真正显示出它的威力，它们的放大倍数低得可怜。荷兰人安东尼·冯·列文虎克( Anthony Von Leeuwenhoek， 1632-1723)制造的显微镜让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术，热衷于制造显微镜。他制造的显微镜其实就是一片凸透镜，而不是复合式显微镜。不过，由于他的技艺精湛，磨制的单片显微镜的放大倍数将近 300倍，超过了以往任何一种显微镜。

当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会，引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”，严格的说，这不太正确。列文虎克没有发明第一个复合式显微镜，他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。

在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善，例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候，它们折射的方向略有不同，这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与 19世纪的显微镜相比，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单：光学显微镜已经达到了分辨率的极限。

如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷，任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了很长时间才发现，光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说，物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是 0.2微米。任何小于 0.2微米的结构都没法识别出来。

提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。

1938年，德国工程师 Max Knoll和 Ernst Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜 (TEM)。 1952年，英国工程师 Charles Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜 (SEM)。电子显微镜是 20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级( 10-9 m)。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。

用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。 1983年， IBM公司苏黎世实验室的两位科学家 Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜 (STM)。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。

诺贝尔奖： Ernst Ruska， Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer(从左至右)分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享 1986年的诺贝尔物理学奖。

很显然，你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同，它不是光滑的、滴溜乱转的小球，更不是达·芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语，这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。

因为这项奇妙的发明， Binnig和 Rohrer获得了 1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微镜的发明者 Ruska。

据说，几百年前列文虎克把他制作显微镜的技术视为秘密。今天，显微镜——至少是光学显微镜——已经成了一种非常普通的工具，让我们了解这个小小的大千世界。