人類很早以前就有探索微觀世界奧秘的要求，但是苦于沒有理想的工具和手段。1675年荷蘭生物學(xué)家列文虎克用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了十分微小的原生動(dòng)物和紅血球，甚至用顯微鏡研究動(dòng)物的受精作用。列文虎克掌握了很高的磨制鏡片的技藝，制成了當(dāng)時(shí)世界上精致的可以放大270倍的顯微鏡。以后幾百年來，人們一直用光學(xué)顯微鏡觀察微觀和探索眼睛看不到的世界，但是由于光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到光波的半波長(zhǎng)左右，這樣人類的探索受到了限制。進(jìn)人20世紀(jì)，光電子技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，1933年德國(guó)人制成了D一臺(tái)電子顯微鏡后，幾十年來，又有許多新型的顯微鏡問世，比如，掃描隧道顯微鏡（STM）就是一種比較先J的現(xiàn)代儀器。
很早以前，人們就知道某些光學(xué)裝置能夠“放大”物體。比如在《墨經(jīng)》里面就記載了能放大物體的凹面鏡。至于凸透鏡是什么時(shí)候發(fā)明的，可能已經(jīng)無法考證。凸透鏡—有的時(shí)候人們把它稱為“放大鏡”—能夠聚焦太陽光，也能讓你看到放大后的物體，這是因?yàn)橥雇哥R能夠把光線偏折。你通過凸透鏡看到的其實(shí)是一種幻覺，嚴(yán)格的說，叫做虛像。當(dāng)物體發(fā)出的光通過凸透鏡的時(shí)候，光線會(huì)以特定的方式偏折。當(dāng)我們看到那些光線的時(shí)候，或不自覺地認(rèn)為它們?nèi)匀皇茄毓P直的路線傳播。結(jié)果，物體就會(huì)看上去比原來大。
單個(gè)凸透鏡能夠把物體放大幾十倍，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓我們看清某些物體的細(xì)節(jié)。公元13世紀(jì)，出現(xiàn)了為視力不濟(jì)的人準(zhǔn)備的眼鏡—一種玻璃制造的透鏡片。隨著籠罩歐洲一千年的黑暗消失，各種新的發(fā)明紛紛涌現(xiàn)出來，顯微鏡（microscope）就是其中的一個(gè)。大約在16世紀(jì)末，荷蘭的眼鏡商詹森（ZacchariasJanssen）和他的兒子把幾塊鏡片放進(jìn)了一個(gè)圓筒中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過圓筒看到附近的物體出奇的大，這就是現(xiàn)在的顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡的前身。
詹森制造的是D一臺(tái)復(fù)合式顯微鏡。使用兩個(gè)凸透鏡，一個(gè)凸透鏡把另外一個(gè)所成的像進(jìn)一步放大，這就是復(fù)合式顯微鏡的基本原理。如果兩個(gè)凸透鏡一個(gè)能放大10倍，另一個(gè)能放大20倍，那么整個(gè)鏡片組合的的放大倍數(shù)就是10*20=200倍。
1665年，英國(guó)科學(xué)家羅伯特?胡克（人們可能更熟悉他的另一個(gè)發(fā)現(xiàn)：胡克定律）用他的顯微鏡觀察軟木切片的時(shí)候，驚奇的發(fā)現(xiàn)其中存在著一個(gè)一個(gè)“單元”結(jié)構(gòu)。胡克把它們稱作“細(xì)胞”。不過，詹森時(shí)代的復(fù)合式顯微鏡并沒有真正顯示出它的威力，它們的放大倍數(shù)低得可憐。荷蘭人安東尼?馮?列文虎克（AnthonyVon Leeuwenhoek，1632-1723)制造的顯微鏡讓人們大開眼界。列文虎克自幼學(xué)習(xí)磨制眼鏡片的技術(shù)，熱衷于制造顯微鏡。他制造的顯微鏡其實(shí)就是一片凸透鏡，而不是復(fù)合式顯微鏡。不過，由于他的技藝精湛，磨制的單片顯微鏡的放大倍數(shù)將近300倍，超過了以往任何一種顯微鏡。
當(dāng)列文虎克把他的顯微鏡對(duì)準(zhǔn)一滴雨水的時(shí)候，他驚奇的發(fā)現(xiàn)了其中令人驚嘆的小小世界：無數(shù)的微生物游曳于其中。他把這個(gè)發(fā)現(xiàn)報(bào)告給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，引起了一陣轟動(dòng)。人們有時(shí)候把列文虎克稱為“顯微鏡之父”，嚴(yán)格的說，這不太正確。列文虎克沒有發(fā)明第一個(gè)復(fù)合式顯微鏡，他的成就是制造出了高質(zhì)量的凸透鏡鏡頭。
在接下來的兩個(gè)世紀(jì)中，復(fù)合式顯微鏡得到了充分的完善，例如人們發(fā)明了能夠消除色差（當(dāng)不同波長(zhǎng)的光線通過透鏡的時(shí)候，它們折射的方向略有不同，這導(dǎo)致了成像質(zhì)量的下降）和其他光學(xué)誤差的透鏡組。與19世紀(jì)的顯微鏡相比，現(xiàn)在我們使用的普通光學(xué)顯微鏡基本上沒有什么改進(jìn)。原因很簡(jiǎn)單：光學(xué)顯微鏡已經(jīng)達(dá)到了分辨率的J限。
如果僅僅在紙上畫圖，你自然能夠“制造”出任意放大倍數(shù)的顯微鏡。但是光的波動(dòng)性將毀掉你的發(fā)明。即使消除掉透鏡形狀的缺陷，任何光學(xué)儀器仍然無法完M的成像。人們花了很長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)現(xiàn)，光在通過顯微鏡的時(shí)候要發(fā)生衍射—簡(jiǎn)單地說，物體上的一個(gè)點(diǎn)在成像的時(shí)候不會(huì)是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)衍射光斑。如果兩個(gè)衍射光斑靠得太近，你就沒法把它們分辨開來。顯微鏡的放大倍數(shù)再高也無濟(jì)于事了。對(duì)于使用可見光作為光源的顯微鏡，它的分辨率極限是0.2微米。任何小于0.2微米的結(jié)構(gòu)都沒法識(shí)別出來。
提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設(shè)法減小光的波長(zhǎng)，或者，用電子束來代替光。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)的電子具有波動(dòng)性，而且速度越快，它的“波長(zhǎng)”就越短。如果能把電子的速度加到足夠高，并且匯聚它，就有可能用來放大物體。
1938年，德國(guó)工程師Max Knoll和ErnstRuska制造出了世界上D一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM）。1952年，英國(guó)工程師CharlesOatley制造出了D一臺(tái)掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡是20世紀(jì)重要的發(fā)明之一。由于電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到納米級(jí)（10-9m）。很多在可見光下看不見的物體—例如病毒—在電子顯微鏡下現(xiàn)出了原形。
用電子代替光，這或許是一個(gè)反常規(guī)的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家Gerd Binnig和HeinrichRohrer發(fā)明了所謂的掃描隧道顯微鏡（STM）。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進(jìn)，它完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念。
很顯然，你不能直接“看到”原子。因?yàn)樵优c宏觀物質(zhì)不同，它不是光滑的、滴溜亂轉(zhuǎn)的削球，更不是達(dá)?芬奇繪畫時(shí)候所用的模型。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應(yīng)”工作。如果舍棄復(fù)雜的公式和術(shù)語，這個(gè)工作原理其實(shí)很容易理解。隧道掃描顯微鏡沒有鏡頭，它使用一根探針。探針和物體之間加上電壓。如果探針距離物體表面很近—大約在納米級(jí)的距離上—隧道效應(yīng)就會(huì)起作用。電子會(huì)穿過物體與探針之間的空隙，形成一股微弱的電流。如果探針與物體的距離發(fā)生變化，這股電流也會(huì)相應(yīng)的改變。這樣，通過測(cè)量電流我們就能知道物體表面的形狀，分辨率可以達(dá)到單個(gè)原子的級(jí)別。
因?yàn)檫@項(xiàng)奇妙的發(fā)明，Binnig和Rohrer獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一年還有一個(gè)人分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，那就是電子顯微鏡的發(fā)明者Ruska。
據(jù)說，幾百年前列文虎克把他制作顯微鏡的技術(shù)視為秘密。今天，顯微鏡—至少是光學(xué)顯微鏡—已經(jīng)成了一種非常普通的工具，讓我們了解這個(gè)小小的大千世界。