放大世界的極限之旅_風聞

如何看得更清楚？人類生理的極限決定了，明目食物、眼保健操之類的方法都不靠譜。只能靠某種玻璃製造的工具。而在短短四百年裏，這塊小小的玻璃已經被人玩到了極限。

－文字稿－

將世界放大，看得更加清楚，也就是在視野中放大物體，這是人類作為一種視覺動物的天性。在微觀世界這個方向上，人類為此付出了艱苦卓絕的努力。

我們可以從最簡單的「放大」開始。伸直手臂豎起食指，盯着食指並逐漸靠近眼睛。根據臂長和正常的明視距離25釐米，可以估計出手指佔據的視角擴大了約一倍。不過人類的視覺存在感知恆常性，不刻意的話並不會注意到到手指忽然變大。

簡單的放大鏡也就是一個凸透鏡，早在古希臘時代人們已經懂得用玻璃球注滿水來放大文字。正常的放大鏡可以產生放大2到6倍的虛像。再高的倍數就會產生嚴重的像差，也就是光線的折射與理論成像出現較大偏差。某些放大鏡通過透鏡組合，可以將放大倍數提高到20。

早期的顯微鏡可以將物體放大幾倍到幾十倍。羅伯特·胡克使用克里斯托弗·科克為其製造的50倍的複式顯微鏡，在觀察軟木片時發現了細胞（cell）。

1665年出版的《顯微圖譜》（Micrographia），以其精美與科學性兼備的顯微繪圖，為當時的人打開了一個全新的世界，在歐洲轟動一時。胡克也因此成為了最早的暢銷科學書作家。

同時代的列文虎克，雖然使用的是隻有一個鏡片的單式顯微鏡，但是其最高倍數達到了驚人的270倍，他據此發現了單細胞生物和精子等等。

一直到十八世紀，複合顯微鏡的倍數也沒有超過列文虎克的記錄，因為他們發現想要獲得更加清晰準確的成像，就必須解決色散和球面像差的問題。

通過將冠冕玻璃和火石玻璃這兩類折射率、色散率不同的鏡片組合，以及攪動玻璃溶液、平凸透鏡等等一系列技術，19世紀初人們終於有了更好的消色差透鏡。

法國制鏡師謝瓦利耶在1837年製造出了最高540倍的顯微鏡，其分辨率為1.7微米。德國制鏡師哈特納克又在1870年製造出了980倍的顯微鏡，分辨率達到了600納米。

在這種放大倍數之下，1882年德國生物學家華爾瑟·弗萊明趁着細胞分裂之際，第一次觀測到了染色體的存在。

顯微鏡的觀察尺度已經接近可見光的波長（390nm~700nm）。恩斯特·阿貝（Ernst Abbe）就在1874年宣佈了光學顯微鏡的極限：1500倍，分辨率約200納米，也就是最短的可見光波長的一半。

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這就是所謂的衍射極限（Abbe Diffraction Limit），一個點光源會形成一坨衍射斑（艾裏斑 Airy Disk），不論提高鏡片折射率還是疊加鏡片提高倍數，都變得毫無意義。

解決這個問題最直接思路就是，既然是可見光本身不行，那就使用更小波長的電磁波。

比如1904年，蔡司光學的奧古斯特·科勒和莫里茲·馮·羅爾，製造了第一台紫外線顯微鏡。他們使用280納米波長的紫外線作為光源，其極限分辨率瞬間就提高了一倍。

這種顯微鏡最終演化為現在的熒光顯微鏡。先用熒光劑對細胞染色，然後用紫外線或特定波長的光線激發熒光劑發光，再通過顯微鏡觀察。又因其圖像色彩絢爛而廣受人們歡迎。

1924年，德布羅意創立了電子的波動性理論。既然電子可以當作波，其波長可以通過加速來控制，想要多小就有多小，同時又很方便用電場來控制其運動，這就成了一種對顯微鏡而言異常理想的「波」。

1931年德國工程師恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾，據此製造出了第一台電子顯微鏡。儘管只是一台非常粗糙、缺乏實用性的原型機，其分辨率已經達到了50納米，遠超此前所有的光學顯微鏡。

現在的電子顯微鏡已經可以將物體放大五十萬倍，最高分辨率約1納米。在這種尺度下可以直接觀測病毒或是其他分子。

然而這還不是極限。1980年代誕生的掃描探針顯微鏡，使用一個物理探針直接在樣本表面移動，可以獲得原子級別的形狀信息，其最高放大率甚至可以達到不可思議的一億倍。

到這裏，人類放大世界的努力，似乎已經逐漸接近終點。下一個到來的極限會是更加難以克服的測不準原理嗎，我們只能拭目以待。