“探微之眼”带你畅游微世界

秦彧

毫米级的世界

1毫米是1米的千分之一，也是普通直尺上的最小刻度。一只小昆虫或一朵小野花只有几毫米大，一片雪花或是书上的小字也是毫米级的。我们用肉眼能看到这些东西，却无法看清它们表面的微妙细节。

这个时候，一台装备有微距镜头的照相机能帮助我们看清毫米级的世界。微距镜头经过特殊设计，可以在离物体比较近的距离上拍摄。光线通过精心设计的透镜组合，可以把清晰的图像投射到照相机的感光元件上，从而拍摄出微小物体的放大照片。

标准微距镜头的放大倍数通常是1～5倍，经过发烧友改装的镜头可能具备更高的放大倍数。放大倍数是指投射到感光元件上的图像长度和实际物体长度的比值，而不是两者的面积比值。

几倍的放大比听起来并不惊人，不过照相机感光元件上面的成像单元又多又小，哪怕是一毫米长的图像都能覆盖成百上千的成像单元。这样一来，用微距镜头拍摄的图像看起来比实际物体大得多，可以显示出蜻蜓的复眼、雪花的形状等细微的图像。

微距照片上的蝴蝶翅膀并没有失去五彩斑斓的色彩，翅膀表面的无数鳞片却变得清晰可数，不过鳞片上的凹凸结构还看不出来。想要把这些鳞片看得更精细，或是拍摄细菌、细胞这些更小的物体，微距镜头就实在无能为力了。

微米级的世界

微米，1毫米的千分之一，必须使用专门设备才能测量。细菌通常只有几微米大小，蝴蝶鳞片一般还不到100微米长。即使是微米级世界中最大的东西，在我们的眼睛里也只是一些小点或细线。陪我们漫游微米级世界的好伙伴，是各种光学显微镜。

经过几百年的发展，现代光学显微镜已经非常精密先进，拥有了很多不同的类型。它们的共同特征是：都有放置被观察样品的载物台、用来照明的光源、用来对焦看清样品的焦距调节机构。当然，光学显微镜最重要的部件，是用来放大图像的光学透镜组合。

光学显微镜的镜头通常分为物镜和目镜，物镜靠近观察样品，目镜供人眼观察或连接摄影设备。物镜和目镜都有放大功能，光学显微镜的放大倍数就是物镜和目镜放大倍数的乘积。大部分现代光学显微镜可以连接摄影设备，成为拍摄和展示微观世界的神兵利器。不同种类的光学显微镜可以使用不同类型的光源，光线入射方向也各不相同。因此，光学显微照片的视觉效果绚丽多彩，可以把细菌、动植物细胞甚至普通的沙子都拍摄得美轮美奂，充分展现微观世界的别样魅力。

利用可见光为光源来拍摄蝴蝶翅膀的显微照片，可以轻松展现出鳞片表面的复杂微观结构，不过，这些鳞片仍然是彩色的，这是为什么呢？

我们都知道，光是具有一定波长的电磁波，人类可见光的波长通常在0.4～0.76微米之间，波长从短到长，依次呈现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红的颜色。虽然光学显微镜的“视力”比人眼好了N倍，但只要同样是利用可见光“看”世界，观察到的蝴蝶翅膀颜色就没有本质不同，只是有可能展现出更多的色彩细节。

对于比最小刻度还短的长度，尺子是无法准确丈量的。对于比光的波长还要小的物体，光学显微镜同样无法准确观察。因此，光学显微镜的放大倍数通常低于2 000倍，无法精密观察病毒以及更小的物体。

纳米级的世界

纳米，1微米的千分之一，这个尺寸的物体长度比光的波长还要短，是完全不可见的。中等大小的病毒长100纳米，电脑芯片的线路宽十几纳米，而原子的直径只有零点几纳米！

为了看清细微的纳米级物体，必须使用比光波小得多的电子“尺子”。1931年，第一台电子显微镜诞生了，我们从此进入了纳米级的微观世界。经过70多年的发展，电子显微镜也有了多种类型。其中，扫描电子显微镜可以显示物体的三维形状，是拍摄电子显微照片的主力机型。

电子是一种基本粒子，同时也是一种波，它的波长随着电子束的速度在零点几纳米到零点零几纳米之间变化。有了如此精细的“尺子”，电子显微镜的放大倍数可以达到上百万倍。利用电子显微镜可以直接观察到原子，给病毒这样的“大”家伙拍张特写也不在话下。

但是，连接扫描式电子显微镜的电脑屏幕上显示的图像果然都是黑白的！难道纳米级世界真的没有任何色彩吗？这种理解其实是有问题的。

色彩的本质，是物体将不同波长的可见光反射，然后被我们眼睛中的感光细胞感受并处理的结果。电子显微镜的“光源”不是可见光，而是微小的电子，色彩对它们而言是没有意义的，它们是天生的“色盲”。某省高考作文阅读材料中，正是在这一点上犯了严重的知识性错误，并且因此得出了蝴蝶翅膀本身无色的错误结论。即使在纳米级的世界中，蝴蝶翅膀的绚丽色彩并没有消失，只是无法被电子显微镜感受到而已。

为了使电子显微照片更加漂亮或容易观察，人们经常使用软件将电子显微镜的观察数据处理成彩色图像，这种色彩不是被观测样品的真实颜色。如果看到彩色的电子显微照片就认为电子显微镜能够感知颜色，我们就刚好犯了和某省高考作文阅读材料恰好相反的错误啦！

在看到原子的朦胧照片后，我们的微观世界之旅在纳米级世界到达了暂时的终点。比原子还要小的微观世界，还远在不可知的前方。一旦拥有更加锐利的“探微之眼”，我们的探微之路将会朝着比纳米还要小千百倍的尺度继续延伸呢！