一水一宇宙——趣谈显微镜历史

　　镀金的葬礼–扫描电镜

　　埃及法老死了，可以用裹脚布缠了锁到金字塔里;汉皇帝死了，套上金缕玉衣装进墓室;而一颗精子死了，也可以享受通体喷金的待遇，然后被放到扫描电镜里，为科学进步最后出一把力。

　　为什么扫描电镜的观测过程需要如此华丽呢?

　　让我们仍然拿这颗幸运的精子举例，不同于上一节，这次我们关心的是它的"外表问题"。同电镜一样，扫描电镜利用高能电子束轰击精子，期望炸得它的表面电子直飞。电子如何飞出、飞出多少，就反映了这颗精子的外表状况：比如是否光滑、通体姿态是否英俊等等。大家知道精子就像人体，都是不良导体，不容易轰出电子;另外，细胞的主要组成元素是碳，原子量小，抵御能力差，电子束容易炸到里边去，这样就不容易精确判断飞出的电子究竟来源于外层还是内部–紧贴表面镀上一层金铠甲，由铠甲飞出的电子可以测得铠甲形状，也就知道了内表面形状。这里只给大家看一只新鲜镀金、即将举行电子轰炸仪式的蜜蜂。与它并列的是精子的轰炸成品–扫描电镜图。

　　不同于电镜，扫描电镜扫描物体表面，所以得到的图像是立体的;它的放大率本领也极其多能，从25倍直到250000倍都可灵活掌握。这样一个聪明的技术，却是由一个"天才少年"纸上谈兵的演算开始的。

　　von Ardenne，货真价实的贵族少爷，奶奶是《寂寞芳心》这本书的女主角原型。他15岁拿到第一项电子管专利，后来高考也不参加就进了大学，入学才一年又以"教学死板"为由炒了学校的鱿鱼–最后果然成为应用物理界牛人一枚，在电镜、医疗、核技术、膜物理、无线电和电视技术等领域独占600项专利，私人实验室全由专利费养活。二战爆发前两年，他灵感突然迸发，撰文两篇论证想象中的扫描电镜;只是在付诸实施阶段竟对成果的解像度从未满意，于是没有发表任何照片。二战的空袭炸毁了不少电镜，除了上一节提到的西门子实验室，还有von Ardenne的雏形扫描电镜。von Ardenne同电镜的缘分随着钢铁骨架的破碎而灰飞烟灭。有人说，二战只需晚两年，扫描电镜的发明权必然纳入他的囊中。

　　二战平息，历史将研究的接力棒交给英国绅士Charles Oatley。不像von Ardenne，这个真正的发明者Oatley出生于烤面包行业，严谨低调，观其一生都很难找到什么风流韵事和英雄事迹。他的父亲虽然没有科学知识，却崇拜科学，并把热爱科学的基因遗传给了孩子。Oatley6岁时，父亲就将一辆电动汽车作为生日礼物送给他，后来又添了一个显微镜，这在1910那个年代可不是一些常见的玩具。Oatley就这样走出乡村，走入剑桥，二战后继续执教那里。尽管同时代的许多专家都说"研究扫描电镜简直是浪费时间"，Oatley还是目光敏锐地率领自己的博士生寒窗十年，敲打出让自己看到希望的扫描电镜;然后又是十年才说服其他显微镜学家接受这个成果。1965 年，扫描电镜的生产终于商业化，那具有历史意义的第一台被运往材料大公司杜邦的实验室。

　　扫描电镜也可以在冰冻的条件下操作，于是我们有幸能够一睹雪花的表面细节。不知北京的冬天有没有飘雪呢?

　　拨弄那“原初的孩子”——扫描隧道显微镜

　　上一节还提到，暮年的电镜鼻祖卢斯卡凭借一项五十岁的发明摘得1986年诺贝尔物理学奖，同他分享奖项的还有两位比他年轻30和40岁的欧洲科学家–IBM公司的比尼西和卢勒，前者成长于法兰克福二战后的废墟之上，以组建乐队和玩提琴起家，"幸而"弃艺从理;后者是泡利的学生，师承的不仅有科学知识，还有收获诺贝尔奖的传统。二位年轻人相会在IBM，异趣相投，却发现世上没有任何工具足以研究自己所感兴趣的物体表面原子构造。干脆自己动手，丰衣足食，仅两年便打造出一台扫描隧道显微镜。和电镜爷爷站在同一领奖台上，扫描隧道显微镜显然只是幼儿，那时它只有五岁大。

　　顾名思义，扫描隧道显微镜的意思是样品需要通过一个隧道般的仪器，像过火车，黑漆漆的隧道中有一个神秘的探头对其进行扫描，表面图像就自动生成了;由于隧道里没有光，所以图像只能采用很诡异的pseudo-color……啊，且慢!请放下你手中的西红柿!

　　没错，“样品过隧道”只是我多年的无稽想象，实际上“隧道”并不是一个宏观的概念。大家也许还记得中学化学老师说：构成物体的原子由原子核以及周围电子组成，电子老老实实绕核运动。但老师没讲的是，这些电子可能通过秘密“隧道”逃到你预料不到的周边去玩耍，所以你如果闭上眼睛瞎猜，最好严谨地说，这些电子有10%的可能穿过隧道跑出去了。题外话：崂山道士穿墙而过是同样道理(量子物理，一切皆有可能!)，只是你不可能经常看到这样牛的道士–因为道士的身体通常由无数微粒组成，哪怕每个粒子穿墙而过的概率都能达到10%，他全身所有粒子同时穿墙的概率也几乎等同于零。

　　扫描隧道显微镜就是借用了电子可能通过隧道跑到外边玩的性质。这个仪器像个盲人，要依靠一根细针在物体表面"抚摸"来确定物体形状，但是如何在不接触的前提下判断是否贴近目标了呢?请想象你要研究的表面由许多原子码成，每个原子里边都有电子，所以一个表面并不是齐刷刷的，而是长着一些招摇的“电子绒毛”，绒毛正是那些穿隧道跑走的调皮电子。仪器的针尖接近这个表面，针尖和表面上的电子绒毛就会接触，针尖就会感到非常痒痒，于是知道自己不能再靠近了;反之，一旦远离平面，针尖的绒毛立刻就感觉不到平面的绒毛，为了继续抚摸平面，就凑近。依据这个原理，扫描隧道显微镜便利用一根细到原子级别的针逐一"抚摸"表面的每颗原子，然后将它得到的印象告知人类。

　　请注意，文章进行到这一环节已达“原子”的精密程度(如果将你中等大小的细胞想象为地球，最大的原子也不过一个“鸟巢”场馆大小)，任何晃动都不能被容忍，因此诺贝尔奖得主当年利用了磁悬浮的技术来避免晃动，今日则多利用弹簧的原理。

　　在二位IBM工程师拿到诺贝尔奖不多年后，他们的同事不仅远观，而且亵玩，用类似仪器将35颗氙原子拼成IBM三个字。又过几年，居然又进行了更加明目张胆的艺术创作，用一粒粒铁原子写下横平竖直的“原子”，并这样注脚：“这两个汉字的意义是–原初的孩子(original child)”。

　　正如光学显微镜的发明定义了微生物学，电子显微镜的出现开始了细胞学;时至今日，扫描隧道显微镜这个当年的幼儿已长成巨人，并撑起了一片硕大的天空–那就是纳米技术。

　　后来，扫描隧道显微镜有了各种衍生产物，由于都用到“探针”，所以被统称为扫描探针显微镜。其中一个借助声波的帮助，能打探到物体内部去，叫做扫描探针声显微镜。你能猜出图中的“泡泡花”是什么吗?低头看看你手上璀璨的钻戒，这幅图就是钻石的心灵了(金刚石内部层理)。感谢同济大学的小菊和他的老师将图片同大家分享。

　　尾声

　　请看这幅图。你能从中看到几个女人?一眼看出1个?仔细看又有3个?还是8个、9个、11个?

　　抱歉，答案我并不知道。

　　显微镜的诞生唤醒了人们“看得更小”(micro+scope)的饥渴;它阶梯式地成长，带着人类目光一步步尖锐到更精细的地方。在此过程中，人们获得的愉悦如同欣赏这幅图画时一样–来自不可预知;换个角度，前所未见的细节便会优雅地出现，而它所在的层面也将从此清晰无比。

　　在远古的年代，人们躲在草从里偷窥小动物做窝，它们不论个头大小，都有自己的主意，知道要去向何处;500年前，“跳蚤镜”对焦昆虫世界，人们惊喜地看到小虫虫张牙舞爪，有自己的表情和舞步;300年前，在列文虎克的精美单式镜下，一滴水中的完整社会突然暴露无遗，各色细菌党同伐异，也有阶级和合作制度;70年前，电子突破细胞壁垒，其中的细节接二连三凌空而至，微小的泡泡爬来爬去，对人类惊讶的注视浑然不顾;今天，原子的行踪不再局限于推测和想象，人们甚至可以在尊重它们个性的前提下劝说其挪动身躯;100年后，原子核和电子被拉到近前，人们清晰地感知量子力学所预测的原子结构，亲手测量电子的大小;500年后，组成在座各位身体的粒子四散在大地和空气，甚至有幸成为另一个生命的一部分，它们将代我们见证彼时的世界;也许那天，生物学早已超越以视觉为基础的描述"的局限，而成为像数学和物理一样具有逻辑推理的学科。

　　不论何时，视野有界，想象无边。