放大世界的極限之旅_風聞
观察者网用户_241334-2019-10-15 20:37
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。
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。