人類很早以前想探索微觀世界的奧秘，但是苦于沒有理想的工具和手段。1675年荷蘭生物學家列文虎克用顯微鏡發現了十分微小的原生動物和紅血球，甚至用顯微鏡研究動物的受精作用。列文虎克掌握了很高的磨制鏡片的技藝，制成了當時世界上較精致的可以放大270倍的顯微鏡。以后幾百年來，人們一直用光學顯微鏡觀察微觀和探索眼睛看不到的世界，但是由于光學顯微鏡的分辨率只能達到光波的半波長左右，這樣人類的探索受到了限制。進人20世紀，光電子技術得到了長足的發展，1933年德國人制成了第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，又有許多新型的顯微鏡問世。
    很早以前，人們就知道某些光學裝置能夠“放大”物體。比如在《墨經》里面就記載了能放大物體的凹面鏡。至于凸透鏡是什么時候發明的，可能已經無法考證。凸透鏡——有的時候人們把它稱為“放大鏡”——能夠聚焦太陽光，也能讓你看到放大后的物體，這是因為凸透鏡能夠把光線偏折。你通過凸透鏡看到的其實是一種幻覺，嚴格的說，叫做虛像。當物體發出的光通過凸透鏡的時候，光線會以特定的方式偏折。當我們看到那些光線的時候，或不自覺地認為它們仍然是沿筆直的路線傳播。結果，物體就會看上去比原來大。
   單個凸透鏡能夠把物體放大幾十倍，這遠遠不足以讓我們看清某些物體的細節。公元13世紀，出現了為視力不濟的人準備的眼鏡——一種玻璃制造的透鏡片。隨著籠罩歐洲一千年的黑暗消失，各種新的發明紛紛涌現出來，顯微鏡（microscope）就是其中的一個。大約在16世紀末，荷蘭的眼鏡商詹森（Zaccharias Janssen）和他的兒子把幾塊鏡片放進了一個圓筒中，結果發現通過圓筒看到附近的物體出奇的大，這就是現在的顯微鏡和望遠鏡的前身。
    1665年，英國科學家羅伯特•胡克在用他的顯微鏡觀察軟木切片的時候，驚奇的發現其中存在著一個一個“單元”結構。胡克把它們稱作“細胞”。不過，詹森時代的復合式顯微鏡并沒有真正顯示出它的威力，它們的放大倍數低得可憐。荷蘭人安東尼•馮•列文虎克（Anthony Von Leeuwenhoek ，1632-1723)制造的顯微鏡讓人們大開眼界。列文虎克自幼學習磨制眼鏡片的技術，熱衷于制造顯微鏡。他制造的顯微鏡其實就是一片凸透鏡，而不是復合式顯微鏡。不過，由于他的技藝精湛，磨制的單片顯微鏡的放大倍數將近300倍，超過了以往任何一種顯微鏡。
    當列文虎克把他的顯微鏡對準一滴雨水的時候，他驚奇的發現了其中令人驚嘆的小小世界：無數的微生物游曳于其中。他把這個發現報告給了英國皇家學會，引起了一陣轟動。人們有時候把列文虎克稱為“顯微鏡之父”，嚴格的說，這不太正確。列文虎克沒有發明第一個復合式顯微鏡，他的成就是制造出了高質量的凸透鏡鏡頭。
    在接下來的兩個世紀中，復合式顯微鏡得到了充分的完善，例如人們發明了能夠消除色差（當不同波長的光線通過透鏡的時候，它們折射的方向略有不同，這導致了成像質量的下降）和其他光學誤差的透鏡組。與19世紀的顯微鏡相比，現在我們使用的普通光學顯微鏡基本上沒有什么改進。原因很簡單：光學顯微鏡已經達到了分辨率的極限。
    如果僅僅在紙上畫圖，你自然能夠“制造”出任意放大倍數的顯微鏡。但是光的波動性將毀掉你完美的發明。即使消除掉透鏡形狀的缺陷，任何光學儀器仍然無法完美的成像。人們花了很長時間才發現，光在通過顯微鏡的時候要發生衍射——簡單的說，物體上的一個點在成像的時候不會是一個點，而是一個衍射光斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，你就沒法把它們分辨開來。顯微鏡的放大倍數再高也無濟于事了。對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微米的結構都沒法識別出來。
    提高顯微鏡分辨率的途徑之一就是設法減小光的波長，或者，用電子束來代替光。根據德布羅意的物質波理論，運動的電子具有波動性，而且速度越快，它的“波長”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，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM）。1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第一臺掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡是20世紀較重要的發明之一。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到納米級（10-9m）。很多在可見光下看不見的物體——例如病毒——在電子顯微鏡下現出了原形。
 用電子代替光，這或許是一個反常規的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家Gerd  Binnig和Heinrich Rohrer發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，它完全失去了傳統顯微鏡的概念。
    很顯然，你不能直接“看到”原子。因為原子與宏觀物質不同，它不是光滑的、滴溜亂轉的削球，更不是達•芬奇繪畫時候所用的模型。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應”工作。如果舍棄復雜的公式和術語，這個工作原理其實很容易理解。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——大約在納米級的距離上——隧道效應就會起作用。電子會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生變化，這股電流也會相應的改變。這樣，通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀，分辨率可以達到單個原子的級別。
    因為這項奇妙的發明，Binnig和Rohrer獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。這一年還有一個人分享了諾貝爾物理學獎，那就是電子顯微鏡的發明者Ruska。
    據說，幾百年前列文虎克把他制作顯微鏡的技術視為秘密。今天，顯微鏡——至少是光學顯微鏡——已經成了一種非常普通的工具，讓我們了解這個小小的大千世界。

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