罗伯特·胡克的显微镜
列文虎克的显微镜
当列文虎克把他的显微镜对准一滴雨水的时候，他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界：无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会，引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“显微镜之父”，严格的说，这不太正确。列文虎克没有发明第一个复合式显微镜，他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。
在接下来的两个世纪中，复合式显微镜得到了充分的完善，例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候，它们折射的方向略有不同，这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与19世纪的显微镜相比，现在我们使用的普通光学显微镜基本上没有什么改进。原因很简单：光学显微镜已经达到了分辨率的极限。
如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷，任何光学仪器仍然无法完美的成像。人们花了很长时间才发现，光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说，物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。
提高显微镜分辨率的途径之一就是设法减小光的波长，或者，用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高，并且汇聚它，就有可能用来放大物体。
1938年，德国工程师Max Knoll和Ernst
Ruska制造出了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)。1952年，英国工程师Charles
Oatley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。电子显微镜是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子显微镜下现出了原形。
电子显微镜下的蚊子
用电子代替光，这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983 年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd
Binnig和Heinrich
Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜(STM)。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。
诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich
Rohrer(从左至右)分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖
很显然，你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同，它不是光滑的、滴溜乱转的小球，更不是达·芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语，这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描显微镜没有镜头，它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应的改变。这样，通过测量电流我们就能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。
扫描隧道显微镜：图中的“IBM”是由单个原子构成的
因为这项奇妙的发明，Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖，那就是电子显微镜的发明者Ruska。
据说，几百年前列文虎克把他制作显微镜的技术视为秘密。今天，显微镜——至少是光学显微镜——已经成了一种非常普通的工具，让我们了解这个小小的大千世界。
