“探微之眼”帶你暢游微世界

秦彧

毫米級(jí)的世界

1毫米是1米的千分之一，也是普通直尺上的最小刻度。一只小昆蟲(chóng)或一朵小野花只有幾毫米大，一片雪花或是書(shū)上的小字也是毫米級(jí)的。我們用肉眼能看到這些東西，卻無(wú)法看清它們表面的微妙細(xì)節(jié)。

這個(gè)時(shí)候，一臺(tái)裝備有微距鏡頭的照相機(jī)能幫助我們看清毫米級(jí)的世界。微距鏡頭經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，可以在離物體比較近的距離上拍攝。光線通過(guò)精心設(shè)計(jì)的透鏡組合，可以把清晰的圖像投射到照相機(jī)的感光元件上，從而拍攝出微小物體的放大照片。

標(biāo)準(zhǔn)微距鏡頭的放大倍數(shù)通常是1～5倍，經(jīng)過(guò)發(fā)燒友改裝的鏡頭可能具備更高的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是指投射到感光元件上的圖像長(zhǎng)度和實(shí)際物體長(zhǎng)度的比值，而不是兩者的面積比值。

幾倍的放大比聽(tīng)起來(lái)并不驚人，不過(guò)照相機(jī)感光元件上面的成像單元又多又小，哪怕是一毫米長(zhǎng)的圖像都能覆蓋成百上千的成像單元。這樣一來(lái)，用微距鏡頭拍攝的圖像看起來(lái)比實(shí)際物體大得多，可以顯示出蜻蜓的復(fù)眼、雪花的形狀等細(xì)微的圖像。

微距照片上的蝴蝶翅膀并沒(méi)有失去五彩斑斕的色彩，翅膀表面的無(wú)數(shù)鱗片卻變得清晰可數(shù)，不過(guò)鱗片上的凹凸結(jié)構(gòu)還看不出來(lái)。想要把這些鱗片看得更精細(xì)，或是拍攝細(xì)菌、細(xì)胞這些更小的物體，微距鏡頭就實(shí)在無(wú)能為力了。

微米級(jí)的世界

微米，1毫米的千分之一，必須使用專(zhuān)門(mén)設(shè)備才能測(cè)量。細(xì)菌通常只有幾微米大小，蝴蝶鱗片一般還不到100微米長(zhǎng)。即使是微米級(jí)世界中最大的東西，在我們的眼睛里也只是一些小點(diǎn)或細(xì)線。陪我們漫游微米級(jí)世界的好伙伴，是各種光學(xué)顯微鏡。

經(jīng)過(guò)幾百年的發(fā)展，現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡已經(jīng)非常精密先進(jìn)，擁有了很多不同的類(lèi)型。它們的共同特征是：都有放置被觀察樣品的載物臺(tái)、用來(lái)照明的光源、用來(lái)對(duì)焦看清樣品的焦距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，光學(xué)顯微鏡最重要的部件，是用來(lái)放大圖像的光學(xué)透鏡組合。

光學(xué)顯微鏡的鏡頭通常分為物鏡和目鏡，物鏡靠近觀察樣品，目鏡供人眼觀察或連接攝影設(shè)備。物鏡和目鏡都有放大功能，光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)就是物鏡和目鏡放大倍數(shù)的乘積。大部分現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡可以連接攝影設(shè)備，成為拍攝和展示微觀世界的神兵利器。不同種類(lèi)的光學(xué)顯微鏡可以使用不同類(lèi)型的光源，光線入射方向也各不相同。因此，光學(xué)顯微照片的視覺(jué)效果絢麗多彩，可以把細(xì)菌、動(dòng)植物細(xì)胞甚至普通的沙子都拍攝得美輪美奐，充分展現(xiàn)微觀世界的別樣魅力。

利用可見(jiàn)光為光源來(lái)拍攝蝴蝶翅膀的顯微照片，可以輕松展現(xiàn)出鱗片表面的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，不過(guò)，這些鱗片仍然是彩色的，這是為什么呢？

我們都知道，光是具有一定波長(zhǎng)的電磁波，人類(lèi)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)通常在0.4～0.76微米之間，波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)，依次呈現(xiàn)紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅的顏色。雖然光學(xué)顯微鏡的“視力”比人眼好了N倍，但只要同樣是利用可見(jiàn)光“看”世界，觀察到的蝴蝶翅膀顏色就沒(méi)有本質(zhì)不同，只是有可能展現(xiàn)出更多的色彩細(xì)節(jié)。

對(duì)于比最小刻度還短的長(zhǎng)度，尺子是無(wú)法準(zhǔn)確丈量的。對(duì)于比光的波長(zhǎng)還要小的物體，光學(xué)顯微鏡同樣無(wú)法準(zhǔn)確觀察。因此，光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)通常低于2 000倍，無(wú)法精密觀察病毒以及更小的物體。

納米級(jí)的世界

納米，1微米的千分之一，這個(gè)尺寸的物體長(zhǎng)度比光的波長(zhǎng)還要短，是完全不可見(jiàn)的。中等大小的病毒長(zhǎng)100納米，電腦芯片的線路寬十幾納米，而原子的直徑只有零點(diǎn)幾納米！

為了看清細(xì)微的納米級(jí)物體，必須使用比光波小得多的電子“尺子”。1931年，第一臺(tái)電子顯微鏡誕生了，我們從此進(jìn)入了納米級(jí)的微觀世界。經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，電子顯微鏡也有了多種類(lèi)型。其中，掃描電子顯微鏡可以顯示物體的三維形狀，是拍攝電子顯微照片的主力機(jī)型。

電子是一種基本粒子，同時(shí)也是一種波，它的波長(zhǎng)隨著電子束的速度在零點(diǎn)幾納米到零點(diǎn)零幾納米之間變化。有了如此精細(xì)的“尺子”，電子顯微鏡的放大倍數(shù)可以達(dá)到上百萬(wàn)倍。利用電子顯微鏡可以直接觀察到原子，給病毒這樣的“大”家伙拍張?zhí)貙?xiě)也不在話下。

但是，連接掃描式電子顯微鏡的電腦屏幕上顯示的圖像果然都是黑白的！難道納米級(jí)世界真的沒(méi)有任何色彩嗎？這種理解其實(shí)是有問(wèn)題的。

色彩的本質(zhì)，是物體將不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光反射，然后被我們眼睛中的感光細(xì)胞感受并處理的結(jié)果。電子顯微鏡的“光源”不是可見(jiàn)光，而是微小的電子，色彩對(duì)它們而言是沒(méi)有意義的，它們是天生的“色盲”。某省高考作文閱讀材料中，正是在這一點(diǎn)上犯了嚴(yán)重的知識(shí)性錯(cuò)誤，并且因此得出了蝴蝶翅膀本身無(wú)色的錯(cuò)誤結(jié)論。即使在納米級(jí)的世界中，蝴蝶翅膀的絢麗色彩并沒(méi)有消失，只是無(wú)法被電子顯微鏡感受到而已。

為了使電子顯微照片更加漂亮或容易觀察，人們經(jīng)常使用軟件將電子顯微鏡的觀察數(shù)據(jù)處理成彩色圖像，這種色彩不是被觀測(cè)樣品的真實(shí)顏色。如果看到彩色的電子顯微照片就認(rèn)為電子顯微鏡能夠感知顏色，我們就剛好犯了和某省高考作文閱讀材料恰好相反的錯(cuò)誤啦！

在看到原子的朦朧照片后，我們的微觀世界之旅在納米級(jí)世界到達(dá)了暫時(shí)的終點(diǎn)。比原子還要小的微觀世界，還遠(yuǎn)在不可知的前方。一旦擁有更加銳利的“探微之眼”，我們的探微之路將會(huì)朝著比納米還要小千百倍的尺度繼續(xù)延伸呢！