云　帆

眼睛，是我們最重要的感覺器官。我們所獲得的信息，有八成是來自視覺。如果形容什么東西最珍貴，總是說“像愛護自己的眼睛一樣”去珍惜它。

愛護眼睛，青少年朋友首先要做到，在看書學習的時候，要把書本、紙張放在距離眼睛25厘米的地方。這個距離稱為“明視距離”。老師、家長要求的“25厘米距離”是怎么來的?原來，我們的眼睛，能分辨離眼睛25厘米處相距0.1毫米(100000納米)的兩個點。在這種情況下，對眼睛來說，它們所成的視角大約是1，所成的像恰好能落在視網(wǎng)膜的兩個感光細胞上。兩個點的距離如果小于0.1毫米，它們在視網(wǎng)膜上的像，就都落到一個感光細胞上，我們的視覺感受到的就只是一個點。顯然，設(shè)法把這個視角放大，我們就可以看到更小的東西。

光學顯微鏡的誕生

顯微鏡的問世，要從400年前說起。1590年前后，眼鏡工匠詹森把兩個凸透鏡前后放置，發(fā)現(xiàn)物體的細節(jié)變得十分清楚。光學顯微鏡就是這樣偶然發(fā)明的。但是，談到顯微鏡，荷蘭人列文虎克的名氣比詹森大得多。列文虎克的貢獻，不僅是自制出放大倍數(shù)達到300的顯微鏡，而且致力于顯微鏡的實際應(yīng)用。這使他成為顯微鏡發(fā)展史上的杰出人物。

閱讀關(guān)于列文虎克的記載文字，給我們留下最難忘印象的，就是他那不可遏止的強烈的好奇心。他本是個賣亞麻制品的商人，卻以制作玻璃與金屬制品為樂事。他把磨制鏡片、組裝顯微鏡作為業(yè)余的消遣。做商人，那是為了生計；做實驗，那是他的游戲。列文虎克用自制的顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一個微觀的世界，一個人們從未見過的世界。這使他異常興奮。我們見慣了大自然的美，有了顯微鏡才發(fā)現(xiàn)，那個微觀的自然世界也很動人、也很美!列文虎克懷著極大的興趣觀察了許許多多東西的“細節(jié)”。唾液、精液、尿液、葉片、牛糞等，都成了他的觀察對象。他破天荒第一次利用顯微鏡觀察到細菌，打破了數(shù)百年來人們的迷信猜測，開辟了征服傳染病的新紀元。

顯微鏡的歷史，就是不斷提高分辨率的歷史：使越來越小的樣本細節(jié)，能夠在眼睛上形成1以上的視角?？茖W家漸漸認識到，光學顯微鏡的分辨率與照明輻射的波長成正比。照明輻射的波長越短，顯微鏡的分辨率越高?？梢姽獾牟ㄩL為400納米～760納米。現(xiàn)代光學顯微鏡的最大有效放大倍數(shù)可以達到2000，能夠分辨200納米的物體，可以看到最小的細菌。多數(shù)病毒比細菌小得多，使用光學顯微鏡就無法觀察了。

電子顯微鏡的誕生

人們對光的認識也在不斷深化。1864年，麥克斯韋把全部電磁現(xiàn)象歸結(jié)為一組數(shù)學方程，推論出自然界存在電磁波，指出光只是波長在一個很小范圍內(nèi)的特殊的電磁波。1878年人們認識到，光學顯微鏡的分辨率在理論上是有限度的。科學家知道，為了提高分辨率，必須采用波長更短的“輻射”來照射樣品。1905年，26歲的愛因斯坦發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》的論文，首次揭示了光子的波粒二象性。1921年，愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎，就是因為這篇論文的成就。1923年夏天，32歲的德布羅意提出，一切實物粒子都具有波動性；1924年，他給出物質(zhì)波波長的計算公式，實物粒子動量越大，它的波長就越短。德布羅意獲得1929年諾貝爾物理學獎。

物理學的這些革命性事件，引起了顯微鏡科學技術(shù)的革命。德國科學家魯斯卡和克諾爾想到，既然“一切實物粒子都具有波動性”，那可以用電子束代替光作為顯微鏡的“光源”。電子與光子一樣，也具有波粒二象性，而電子的波長比光的波長短得多，利用電子束照射樣品，就能分辨樣品更微小的細節(jié)。1932年，他們研制出第一臺電子顯微鏡，放大倍數(shù)達到12000，超過了光學顯微鏡。這一年魯斯卡年僅26歲。1939年，在魯斯卡主持下，西門子公司制造出世界上第一臺實用的電子顯微鏡。如今，電子顯微鏡的工作電壓高達100萬伏，有效放大倍數(shù)高達100萬倍。電子顯微鏡完成了顯微技術(shù)的一次革命，因此魯斯卡獲得1986年諾貝爾物理學獎金的一半，另一半由研制出掃描隧道顯微鏡的賓尼希和羅雷爾分享。獲諾貝爾物理學獎時，魯斯卡已經(jīng)是80歲的耄耋老人了，離他去世僅僅兩年。

電子顯微鏡的革命性在于，它用電子束代替了光學照明。在受到50～100千伏電壓的加速后，電子的波長為0.53～0.37納米，大致等于光波長的l／1000。根據(jù)兩者波長的關(guān)系，大家可以推測，電子顯微鏡的分辨率會比光學顯微鏡高得多。現(xiàn)代電子顯微鏡可以分辨物體上距離0.2納米的兩個點，是光學顯微鏡的1／1000。借助電子顯微鏡，人們能夠觀察金屬的晶體結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)分子、細胞和病毒的結(jié)構(gòu)。電子顯微鏡的發(fā)明，推動了生物學的研究。

掃描隧道顯微鏡的誕生

電子顯微鏡觀察的物體要放在真空中，要接受脫水處理，而且要接受高速電子的打擊。因此，能放進電子顯微鏡觀察的試樣受到限制，觀察結(jié)果也受到影響?？茖W技術(shù)的發(fā)展，需要基于新原理的顯微鏡；而顯微鏡要在理論上有所突破，必須依賴基礎(chǔ)科學的革命性的進展。1958年，日本科學家江崎玲於奈在研究重攙雜PN結(jié)時發(fā)現(xiàn)了隧道效應(yīng)，揭示了固體中電子隧道效應(yīng)的物理原理。江崎玲於奈與賈埃弗、約瑟夫森分享1973年諾貝爾物理學獎。

1978年，一種新型顯微鏡的靈感，在一次談話中產(chǎn)生了。一天，IBM公司蘇黎世實驗室的科學家羅雷爾向德國研究生賓尼希介紹他們實驗室的表面物理研究計劃。31歲的賓尼希提出，可以用隧道效應(yīng)來研究表面現(xiàn)象啊!羅雷爾對他的想法很有興趣。于是，1978年底，羅雷爾就邀請賓尼希來到蘇黎世，一起研制利用隧道效應(yīng)的顯微鏡。賓尼希和羅雷爾克服了重重困難，終于在1981年研制出掃描隧道顯微鏡。它是顯微技術(shù)的又一個革命性的進展，放大倍數(shù)達到數(shù)千萬倍。這種新型顯微鏡的革命性表現(xiàn)在，它是借助隧道效應(yīng)研究材料表面。因此，它不使用透鏡，對樣品無破壞性，而且可以獲得三維圖像。

掃描隧道顯微鏡的研制成功，展示的是綜合性成果之和諧美。最早利用隧道效應(yīng)來研究表面現(xiàn)象的不是賓尼希和羅雷爾，而是美國物理學家賈埃弗。我們可以想見，觀察樣品表面原子尺度，必定要求儀器具有極高的穩(wěn)定性。賈埃弗未能克服這個巨大的障礙。賓尼希和羅雷爾卻在3年時間里，實現(xiàn)了理論上、實驗技術(shù)上和機械工藝上三大方面的突破，解決了儀器的穩(wěn)定性難題，取得了最后的成功。沒有機械工藝上的突破，掃描隧道顯微鏡是無法成功的。

掃描隧道顯微鏡分辨率極高，水平方向達到0.2納米，垂直方向更達到0.001納米，可以給出樣品表面原子尺度的信息。我們知道，一個原子的典型線度是0.3納米。對于單個原子成像來說，這樣的分辨率已經(jīng)是足夠了。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，促進了生物科學、表面物理、半導體材料和工藝、化學作用的研究。掃描隧道顯微鏡技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展。例如，為了彌補掃描隧道顯微鏡只能對導體和半導體進行成像和加工這個缺陷，研制出能在納米尺度對絕緣體進行成像和加工的原子力顯微鏡。

在上世紀30年代，還出現(xiàn)了一種借助電子來顯示物體表面結(jié)構(gòu)的顯微鏡，那就是場一發(fā)射顯微鏡。1937年，繆勒發(fā)明了場一發(fā)射顯微鏡，直接把發(fā)射體表面的圖像投射到熒光屏上。因為是“直接投射”，這種顯微鏡的放大倍數(shù)，大約等于熒光屏半徑除以發(fā)射體半徑，可以達到100萬。場一發(fā)射顯微鏡和場一離子顯微鏡，是迄今最得力的顯微鏡之一。場一發(fā)射顯微鏡的分辨率可以達到2納米。場一離子顯微鏡的分辨率更高，可以達到0.2納米。0.2納米的分辨率是什么意思呢?就是說，熒光屏上能夠顯示出樣品(針尖)表面上的單個原子。在場一離子顯微鏡中，樣品尖端要承受強大的電場力作用。因此，場一離子顯微鏡僅用于研究金屬材料，無法進行生物分子的研究。

從光學顯微鏡、電子顯微鏡到掃描隧道顯微鏡，顯微術(shù)與近現(xiàn)代科學結(jié)伴同行，走過了400多年的歷程。顯微鏡陪伴伽利略、牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦一路走來。顯微鏡發(fā)展的歷史，是科學革命的歷史，是技術(shù)創(chuàng)新的歷史，是制造技術(shù)發(fā)展的歷史。顯微鏡是人類科學、技術(shù)、工程活動的和諧產(chǎn)物。像科學史一樣，顯微鏡發(fā)展史是一面鏡子，給我們許多深刻的啟發(fā)。

顯微鏡幫助我們看清物體微觀尺度的面貌。有了顯微鏡，人類不僅可以研究微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律，而且在更小的尺度下，發(fā)現(xiàn)了另類的賞心悅目的美。顯微鏡既是真善美融合統(tǒng)一的產(chǎn)物，又是真善美融合統(tǒng)一的“證人”。