羅伯特·胡克的顯微鏡
列文虎克的顯微鏡
當列文虎克把他的顯微鏡對準一滴雨水的時候，他驚奇的發現了其中令人驚嘆的小小世界：無數的微生物游曳于其中。他把這個發現報告給了英國皇家學會，引起了一陣轟動。人們有時候把列文虎克稱為“顯微鏡之父”，嚴格的說，這不太正確。列文虎克沒有發明第一個復合式顯微鏡，他的成就是制造出了高質量的凸透鏡鏡頭。
在接下來的兩個世紀中，復合式顯微鏡得到了充分的完善，例如人們發明了能夠消除色差(當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，這導致了成像質量的下降)和其他光學誤差的透鏡組。與19世紀的顯微鏡相比，現在我們使用的普通光學顯微鏡基本上沒有什么改進。原因很簡單：光學顯微鏡已經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”出任意放大倍數的顯微鏡。但是光的波動性將毀掉你完美的發明。即使消除掉透鏡形狀的缺陷，任何光學儀器仍然無法完美的成像。人們花了很長時間才發現，光在通過顯微鏡的時候要發生衍射——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微米的結構都沒法識別出來。
提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設法減小光的波長，或者，用電子束來代替光。根據德布羅意的物質波理論，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制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡(TEM)。1952年，英國工程師Charles
Oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡(SEM)。電子顯微鏡是20世紀最重要的發明之一。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——在電子顯微鏡下現出了原形。
電子顯微鏡下的蚊子
用電子代替光，這或許是一個反常規的主意。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家Gerd
Binnig和Heinrich
Rohrer發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，它完全失去了傳統顯微鏡的概念。
諾貝爾獎：Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich
Rohrer(從左至右)分別因為發明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學獎
很顯然，你不能直接“看到”原子。因為原子與宏觀物質不同，它不是光滑的、滴溜亂轉的小球，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”工作。如果舍棄復雜的公式和術語，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生變化，這股電流也會相應的改變。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。
掃描隧道顯微鏡：圖中的“IBM”是由單個原子構成的
因為這項奇妙的發明，Binnig和Rohrer獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。這一年還有一個人分享了諾貝爾物理學獎，那就是電子顯微鏡的發明者Ruska。
據說，幾百年前列文虎克把他制作顯微鏡的技術視為秘密。今天，顯微鏡——至少是光學顯微鏡——已經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。
