放大世界的极限之旅_风闻

如何看得更清楚？人类生理的极限决定了，明目食物、眼保健操之类的方法都不靠谱。只能靠某种玻璃制造的工具。而在短短四百年里，这块小小的玻璃已经被人玩到了极限。

－文字稿－

将世界放大，看得更加清楚，也就是在视野中放大物体，这是人类作为一种视觉动物的天性。在微观世界这个方向上，人类为此付出了艰苦卓绝的努力。

我们可以从最简单的「放大」开始。伸直手臂竖起食指，盯着食指并逐渐靠近眼睛。根据臂长和正常的明视距离25厘米，可以估计出手指占据的视角扩大了约一倍。不过人类的视觉存在感知恒常性，不刻意的话并不会注意到到手指忽然变大。

简单的放大镜也就是一个凸透镜，早在古希腊时代人们已经懂得用玻璃球注满水来放大文字。正常的放大镜可以产生放大2到6倍的虚像。再高的倍数就会产生严重的像差，也就是光线的折射与理论成像出现较大偏差。某些放大镜通过透镜组合，可以将放大倍数提高到20。

早期的显微镜可以将物体放大几倍到几十倍。罗伯特·胡克使用克里斯托弗·科克为其制造的50倍的复式显微镜，在观察软木片时发现了细胞（cell）。

1665年出版的《显微图谱》（Micrographia），以其精美与科学性兼备的显微绘图，为当时的人打开了一个全新的世界，在欧洲轰动一时。胡克也因此成为了最早的畅销科学书作家。

同时代的列文虎克，虽然使用的是只有一个镜片的单式显微镜，但是其最高倍数达到了惊人的270倍，他据此发现了单细胞生物和精子等等。

一直到十八世纪，复合显微镜的倍数也没有超过列文虎克的记录，因为他们发现想要获得更加清晰准确的成像，就必须解决色散和球面像差的问题。

通过将冠冕玻璃和火石玻璃这两类折射率、色散率不同的镜片组合，以及搅动玻璃溶液、平凸透镜等等一系列技术，19世纪初人们终于有了更好的消色差透镜。

法国制镜师谢瓦利耶在1837年制造出了最高540倍的显微镜，其分辨率为1.7微米。德国制镜师哈特纳克又在1870年制造出了980倍的显微镜，分辨率达到了600纳米。

在这种放大倍数之下，1882年德国生物学家华尔瑟·弗莱明趁着细胞分裂之际，第一次观测到了染色体的存在。

显微镜的观察尺度已经接近可见光的波长（390nm~700nm）。恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）就在1874年宣布了光学显微镜的极限：1500倍，分辨率约200纳米，也就是最短的可见光波长的一半。

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这就是所谓的衍射极限（Abbe Diffraction Limit），一个点光源会形成一坨衍射斑（艾里斑 Airy Disk），不论提高镜片折射率还是叠加镜片提高倍数，都变得毫无意义。

解决这个问题最直接思路就是，既然是可见光本身不行，那就使用更小波长的电磁波。

比如1904年，蔡司光学的奥古斯特·科勒和莫里兹·冯·罗尔，制造了第一台紫外线显微镜。他们使用280纳米波长的紫外线作为光源，其极限分辨率瞬间就提高了一倍。

这种显微镜最终演化为现在的荧光显微镜。先用荧光剂对细胞染色，然后用紫外线或特定波长的光线激发荧光剂发光，再通过显微镜观察。又因其图像色彩绚烂而广受人们欢迎。

1924年，德布罗意创立了电子的波动性理论。既然电子可以当作波，其波长可以通过加速来控制，想要多小就有多小，同时又很方便用电场来控制其运动，这就成了一种对显微镜而言异常理想的「波」。

1931年德国工程师恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔，据此制造出了第一台电子显微镜。尽管只是一台非常粗糙、缺乏实用性的原型机，其分辨率已经达到了50纳米，远超此前所有的光学显微镜。

现在的电子显微镜已经可以将物体放大五十万倍，最高分辨率约1纳米。在这种尺度下可以直接观测病毒或是其他分子。

然而这还不是极限。1980年代诞生的扫描探针显微镜，使用一个物理探针直接在样本表面移动，可以获得原子级别的形状信息，其最高放大率甚至可以达到不可思议的一亿倍。

到这里，人类放大世界的努力，似乎已经逐渐接近终点。下一个到来的极限会是更加难以克服的测不准原理吗，我们只能拭目以待。