13世纪，马可波罗将 水晶透镜 带回欧洲，欧洲人因此学会了 磨制镜片 的方法。当时，发达的制造业令玻璃成为一种廉价的材料，佛罗伦萨的能工巧匠利用玻璃制作出了 第一只眼镜 ，从此，眼镜制造业横空出现并且红红火火地发展起来。然而第一批使用眼镜的欧洲人，多是年纪大且老花眼的老年人，他们需要的是可以令他们看清眼前事物的 老花镜 ，也就是 凸透镜 。
早期的眼镜，来源：wikipedia
人们很快发现，凸透镜可以令物体的 影像放大 。于是，一些好奇的人们开始使用它来观察 微小物体 。但是这种放大镜的放大倍数也就是让孩子们近距离看看昆虫而已，想要观察更加细微的东西，就只能寻求别的工具。
16世纪90年代，一位十岁左右的孩子 扎卡莱亚斯·詹森 （Zacharias Janssen），跟随父亲 汉斯·詹森 （Hans Janssen）在街头贩卖自家打磨出来的镜片。或许是年幼的他在工作间观看父亲制作工序时产生了灵感，他将 多块凸透镜组合 在一起，就是这小小的灵感而引发的举动，引导了人类看向了 微观世界 。
在父亲汉斯的帮助下，小詹森制作出了 第一台显微镜 ，这是一个构造非常简单的显微镜：它由三个镜筒连接而成，中间那个镜筒比较粗，适于手握；另外两个镜筒则分别插进它的两端，它们可以 伸缩调整 ，以达到 聚焦 的目的。当这个显微镜两个活动的镜筒完全收拢时，它的放大倍数是 3倍 ；当它们完全伸展开时，放大倍数就有 10倍 。
詹森复式显微镜，1841年制的复刻版,来源：wikipedia
不过很可惜，詹森父子俩的这个显微镜虽然打开了探索微观世界的大门，但却没能让人们真真正正踏入其中。在那个认知水平有限的年代，人们仅乐于拿它观看跳蚤和其他 小昆虫 ，因此这只显微镜又被称作“ 跳蚤镜 ”。
1654年，22岁的 列文虎克 （Antonie van Leeuwenhoek）结束了在阿姆斯特丹布店学徒的日子，回到家乡代尔夫，开了一家属于自己的小布店。
早期，他尝试着用 凸透镜的放大作用 来鉴定布料的质量。初始的布料店并不算忙碌，他在闲暇之余，很快就培养起了对凸透镜的兴趣，并尝试自己 打磨镜片 。列文虎克这个没上过几年学的年轻人，靠着兴趣竟在小店中制造出了世界一流的镜片。镜片 厚度仅为1毫米 ， 曲率半径为0.75毫 米 ，有着很高的放大率和分辨率。
在掌握了这项技术后，列文虎克将透镜镶嵌在两块凿出小孔的黄铜片之间，用螺丝连接在一个金属固定器上。螺钉可以用于调节 标本与透镜 之间的距离，以调整焦距。就此，人类历史上第一台真正意义上的 显微镜 诞生了，这台显微镜放大倍数可达 720 倍，要知道，当时其他可以称得上是显微镜的镜片，放大倍数最高也只有50倍。
列文虎克在17世纪设计的显微镜图，来源：wikipedia
列文虎克对微观世界的兴趣日益浓厚，带着他独创的显微镜开始进入科学领域，看到了他人 从未看到 的东西。在显微镜下，他观测到了池塘水中的 原生动物 ，鲑鱼血液中的 红细胞 ；他还在牙垢里发现了 细菌 ，并将结果写成报告寄给英国皇家学会，获得了后者的肯定，从而 开创了微生物学 。
他在微观世界里遨游，不断发现着各种各样令人震惊的事实，从而改变人们对 眼前寻常事物 的 固有认知 。
为了提高单镜片显微镜的观测能力，就必须要 缩短焦距 。缩短焦距必须要缩短镜片的直径。变小的镜片，很容易 磨损 ，经过一段时间的反复使用，镜片变得 模糊很难看清 。
为解决这个问题，17世纪左右，英国皇家学会负责科学试验的科学家 罗伯特·虎克 （Robert Hooke）制作了一台 复式显微镜 ，与列文虎克使用的单透镜显微镜不同，这种显微镜使用了不止一个镜片，一个镜片下的图像可以接着被另一个镜片放大。复式显微镜里，紧贴物体的镜片叫“ 物镜 ”，紧贴眼睛的叫“ 目镜 ”。从本质来说，其工作原理和外形已经很接近现代的光学显微镜了。
罗伯特虎克使用的复式显微镜，来源：wikipedia
可即便是很接近现代的光学显微镜，却依然存在着难以突破的问题—— 色差 ，就是在光线经过透镜时，不同颜色的光因 折射率 不同，会聚焦于不同的点上，使得观察物的成像被一层彩 色光斑 所包围，严重影响清晰度。
而且早期玻璃质量不高，显微镜还存在着 球面像差 的问题，即光线在经过透镜折射时，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一点上，也会使得成像模糊不清。
自显微镜诞生之日起， 色差和球面像差 就成为“与生俱来的顽疾”，一直阻碍着人们向微观世界进军的步伐。
直到19世纪， 光学显微技术 才在工业革命的助力下完成了一次 实 质性蜕变 ，在根本上解决了这两个难题。
1830年，一位英国业余显微镜学爱好者 约瑟夫·杰克逊·李斯特 （Joseph Jackson Lister)对显微镜的球面像差发起了挑战，他创造性地用几个 特定间距的透镜组 ，成功减小了球面像差影响。
1846年，德国 蔡司光学工厂 成立，1857年蔡司工厂研制出 第一台现代复式显微镜 。在研制和生产过程中，蔡司也难以抗衡色差问题。直到1872年，德国耶拿大学的 恩斯特·阿贝 （Ernst Abbe）教授提出了完善的显微镜学理论，详细阐述了光学显微镜的 成像原理 、 数值孔径 等科学问题。蔡司即刻邀请阿贝教授加盟，他们共同开发出一款划时代的光学部件—— 复消色差透镜 ，一举消除了色差的影响。
1862年蔡司生产的现代复式显微镜，来源：wikipedia
蔡司奠定了现代光学显微镜的 基本形态 ，显微镜的设计已全然建立在健全的 物理定律 上，而不再是先驱者的反复试验。显微镜技术的突飞猛进也促使各种现代生物学理论的不断提升，透过高分辨率的透镜，微观世界中各种复杂的结构逐步以 具象的形式 呈现在人类眼前。
在这一时期，微生物学家通过给生物样品 染色 ，来方便肉眼观察。这一方法的局限在于染色剂本身的 毒性 会破坏微生物组织结构，直到1930年，荷兰科学家 泽尼克 (Frederik Zernike)提出了 相衬法 ，即通过 空间滤波器 将物体的 相位信息 转换为相应的 振幅信息 ，从而大大提高透明物体的可分辨性。1941年，蔡司将相衬法应用于显微镜中，由此 相差显微镜 诞生。
二战结束后，光学显微镜已得到了长足的进步，其 潜力被挖掘到极致 ，蔡司工厂以及阿贝教授均认为无法再一次提升微观世界的清晰度。光学显微镜的分辨率极限在 0.2微米 ，能够看到 细菌 和 细胞 ，再小的物体也就无能为力了，这一理论被称为“ 阿贝极限 ”。
即便是在几乎触达光学显微镜“天花板”的状态下，不少科学家们仍然希望可以解开“阿贝极限”的枷锁，而“荧光技术”就成为了那把钥匙。
科学家们发现，某些物质在 吸收波长较短 而能量较高的光线，如紫外线时，能将光源转化为 波长较长 的 可见光 ，这种现象被定义为“ 荧光现象 ”。
1911年，德国科学家首次研制出 荧光显微镜 装置，用荧光色素对被观测样品进行 荧光染色处理 ，并以紫外光激发样品的 荧光物质发光 ，但成像效果不佳，而且把荧光物质当作染色剂，和早期的染色剂一样，本身的毒性会伤害活体样品。
荧光显微镜示意图，来源：wikipedia
直到1974年，日本科学家下村修发现了 绿色荧光蛋白 ，其毒性远弱于以往的荧光物质，是对活体标本进行荧光标记的 理想材料 。
1989年，科学家 威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔 （William Esco Moerner）提出了一种方法，巧妙绕开了大自然对可见光的限制，通过提升 观测物的可见程度 来实现突破分辨率0.2微米的极限。
他首次进行了 单分子荧光检测 ，工作原理类似于日光灯中的荧光粉，用 特定波长 的光去激发 荧光 粉 ，它们就会发射出相应的荧光。这一巧妙地发现，让光学显微镜的检测尺度精确到 纳米量级 成为可能。随后在此基础上，美国科学家 罗伯特·埃里克·贝齐格 （Robert Eric Betzig）开发出一套新的显微成像方法：控制观测物的荧光分子，让少量分子发光，只要 每两个分子 之间的距离大于0.2微米，光学显微镜就可以清晰地观测到。通过对同一区域反复成像，最后用软件重现所有的闪光点，科学家就得到了纳米尺度的 稠密、精确图像 。通过这种方法，贝齐格轻而易举地突破了光学显微镜的“阿贝极限”。
荧光显微镜下的细胞，来源：wikipedia
可见光存在着“阿贝极限”，那么如果利用 波长较短的光束 是否也能突破分辨率的桎梏呢？
1931年，德国科学家诺尔（Max Knoll）和他的学生鲁斯卡（Ernst Ruska）在一台高压示波器上加入了一个放电电子源和三个电子透镜，制成了世界上首台 电子显微镜 。
首台电子显微镜，来源：wikipedia
电子显微镜，是利用 电子束 轰击固体样品，在其表面或内部发生 散射 时，各种散射信号被相应探测器采集后，可直接或间接体现固体样品在微观区域独特的 物理化学信息 。电子显微镜完全不受“阿贝极限”的约束，在分辨率上 远远超越 了光学显微镜，达到 纳米级别 （1微米=1000纳米），在这个观测尺度下，人类看到了比细菌更小的微生物—— 病毒 。
电子显微镜是人类认识超微观世界的途径，从肉眼可见的毫米尺度，到光学显微镜可达的微米尺度，再到电子显微镜下的纳米尺度， 显微成像技术 正在迅速突破人类对微观世界的认知极限。
电子显微镜所具备的 超高分辨率 是光学显微镜无法企及的高度，但是电子显微镜的缺憾也渐渐显露出来。电子加速只可以在 真空条件 下实现，然而，处于真空环境下的生物，往往要经过 脱水 和 干燥 ，这意味着电子显微镜下 没有活 体状态 的生物样本，并且电子束本身也容易破坏样品表面的 生物分子结构 ，导致一些关键信息无法被生物学家们顺利捕捉到。
横跨五十年，直到1981年，在苏黎世的IBM实验室中，科学家 盖尔德·宾尼 （Gerd Bining）和 海因里希·罗雷尔 （Heinrich Rohrer）采用了一些看似离经叛道的方法，改变了电子显微镜损伤样品结构的问题。他们利用量子物理学中的“ 隧道效应 ”，制作了一台 扫描隧道显微镜 。
扫描隧道显微镜，来源：wikipedia
与传统的光学和电子显微镜不同，这种显微镜连镜头都没有。在工作时，用一根 探针 接近观测物，并在两者之间 施加电压 ，当探针距离样品只有 纳米 级时就会产生隧道效应——电子从这细微的缝隙中穿过，形成微弱的电流，这股电流会随着探针与样品距离的变化而变化，通过测量电流的变化人们就能 间接得到 观测物的大致形状。由于全程没有电子束参与，扫描隧道显微镜从根本上避免了加速电子对生物样品表面的破坏。
随后几年， 盖尔德·宾尼 （Gerd Bining）又与C.FQuate和C.Gerber等人，研制成功了 原子力显微镜 ，原子力显微镜利用 微悬臂 感受和放大悬臂上尖细 探针 与受 测样品原子 之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足，极大拓宽了人类对于 生物 、 化学 、 材料 、 物理 等领域的认知疆界。目前，电子显微镜已经成为 金属 、 半 导体 和 超导体 领域的主力军。
在 生物医学 领域，科学家们仍然在寻找能够极大程度避免电子束损害生物样品的办法，他们从另一个角度出发，在不改变电子显微镜整体工作模式的情况下，去改变观测物本身，对其进行 超低温冷冻 处理，研发 冷冻电镜 技术。由于观测温度低，生物样品也处于含水状态，分子也处于天然状态，样品对辐射的耐受能力得以提高。
利用这项技术，科学家们可以将样品冻结在不同的状态，观测 分子结构 的变化。在新冠疫情爆发后，冷冻电镜技术为人类研究和抗击疫情做出了突出贡献。
时至今日，人类对 微观世界 的探究从未停止， 光学显微镜 和 电子显微镜 互补互足、相得益彰。未来，更加广阔的和更加多元化的显微成像技术，将会进一步完善我们生物、医学、化学、物理等各个领域的知识结构，将包罗万象的世界展现在我们的眼前。
这复杂而长久的探索旅程，使我们明白： 看见不可见，不只是一种想象。
Reference:
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1680812072031746312&wfr=spider&for=pc
http://zhishifenzi.com/depth/newsview/1891
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https://chanzuckerberg.com/blog/the-past-present-and-future-of-medical-imaging/
https://wenku.baidu.com/view/2ec9061f084c2e3f5727a5e9856a561253d32151.html
https://baike.baidu.com/item/%E6%B3%BD%E5%B0%BC%E5%85%8B/10942480?fr=aladdin
https://www.microscope.com/education-center/microscopes-101/history-of-microscopes
https://ceramics.org/ceramic-tech-today/video-scanning-tunneling-microscope-gets-upgrade-that-could-enable-atomic-scale-fabrication
https://zj.zjol.com.cn/news.html?id=594912
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来源：as科学艺术研究中心
编辑：藏痴