12月25日 [今天是星期幾？ ] “電子顯微鏡之父：恩斯特·魯斯卡的生日” - 觀察

恩斯特魯斯卡於1906年12月25日出生於德國海德堡。他後來成為電子光學領域的先驅，並為早期電子顯微鏡的設計和實現做出了重大貢獻。由於他的成就，他於1986年榮獲諾貝爾物理學獎。可以說，電子顯微鏡的出現極大地拓展了人類的「視覺」邊界，使其能夠觀測到微觀世界。

電子顯微鏡的工作原理：觀察光線無法到達的細節

光學顯微鏡存在物理極限。問題不在於“放大倍率”，而在於“解析度”。由於光具有波動性，衍射不可避免，導致細節模糊和重疊。通常，使用可見光的光學顯微鏡的橫向解析度約為200奈米，具體數值取決於鏡頭設計（數值孔徑等）。換句話說，無論放大倍率如何，遠小於光波長的結構都無法被「分辨」。考慮到可見光的波長約為400至700奈米，光學顯微鏡的觀察範圍存在明顯的界限。

魯斯卡的研究重點是電子。電子既具有粒子性又具有波動性，而且隨著速度的增加，其波長會變短。足夠快的電子束對應的波長遠小於可見光，因此理論上有可能分辨出較小的結構。

問題在於如何像透鏡一樣操控電子束。玻璃透鏡可以彎曲光線，但對電子束無效。關鍵在於磁場。設計合理的電磁線圈可以改變電子的軌跡並使其聚焦。這就是電磁透鏡。

1931年，魯斯卡將電磁透鏡結合起來，踏出了實現電子顯微鏡的第一步。透射電子顯微鏡（TEM）的基本結構在概念上與光學顯微鏡類似。電子槍發射電子束，電子束被電磁透鏡收集並照射到樣品上，透射的電子再次放大形成影像。然而，由於電子在空氣中容易散射，因此裝置內部必須保持高真空狀態。這給透射電子顯微鏡帶來了與光學顯微鏡不同的工程挑戰。

僅靠理論會阻礙科學進步。

觀察對科學至關重要。這看似顯而易見，但其實卻是科學探索的核心所在。

愛因斯坦的廣義相對論在數學上十分精妙，但其預測透過觀測得到驗證的過程極大地促進了該理論的被接受。例如，1919年日全食期間觀測到的光線因重力而彎曲的現象就具有像徵意義。同樣，量子力學的預測也是透過反覆的實驗驗證而逐漸形成的。

無論理論多麼精妙，它是否符合現實都必須透過觀察來​​驗證。尤其對於越是隱藏的現象，驗證機制就越發必要。望遠鏡和顯微鏡使不可見的事物變得可見，從而實現了理論與現實之間的雙向互動。

顯微鏡揭示的微觀世界

顯微鏡的歷史，就是人類感知世界不斷朝更小的方向擴展的歷史。

17世紀，羅伯特·胡克在顯微鏡下觀察到軟木薄片中的微小腔室狀結構，他稱之為「細胞」。大約在同一時期，安東尼·範·列文虎克用他自己製造的顯微鏡觀察微生物，發現有無數肉眼無法看到的生物體。

19世紀，我們對細胞內部結構的認識得到了提升。羅伯特·布朗於1831年描述了細胞核，施萊登和施旺在1838年至1839年間發展了細胞學說。染色技術的進步使得觀察細胞分裂過程中出現的染色體成為可能，19世紀80年代，沃爾特·弗萊明詳細描述了有絲分裂的過程。

然而，光學顯微鏡的分辨率有限，難以直接捕捉病毒的形狀或細胞內部的精細結構。這時，電子顯微鏡就派上用場了。

自1930年代以來，電子顯微鏡為生物學帶來了新的視角。它使病毒形態的可視化成為可能，並加深了我們對粒線體和內質網等細胞器結構的理解。在分子生物學的發展過程中，遺傳學、生物化學和X射線衍射等多種方法都發揮了核心作用，但電子顯微鏡作為一種重要的觀察工具，對於解答「我們應該捕捉細胞內部的哪些結構？」這個問題至關重要。

如今，融合了像差校正等技術的尖端透射電子顯微鏡已經能夠獲得原子級影像。掃描電子顯微鏡（SEM）能夠以高解析度捕捉表面訊息，已成為材料科學、半導體產業和其他領域不可或缺的工具。

望遠鏡如何改變了我們對宇宙的認知

就像顯微鏡向我們展示了微觀世界一樣，望遠鏡向我們展示了遙遠的世界，每一次我們的視野擴大，我們對宇宙的看法都會被重新描繪。

1609年，伽利略·伽利萊開始用望遠鏡觀測天體，由此獲得了一系列發現，包括木星的衛星、金星的盈虧以及月球表面的不平整。這些觀測結果難以用地心說解釋，卻有力地支持了日心說。這最初作為理論提出的世界觀，正逐漸透過觀測得到證實。

望遠鏡不斷改進，20世紀，我們對宇宙尺度的理解進一步加深。在1920年代，埃德溫·哈伯證明仙女座星係是銀河系之外的一個星系，揭示了宇宙並非只有銀河系。此外，1929年，他發現星系離我們越遠，遠離我們的速度就越快，這為宇宙正在膨脹的觀點提供了觀測證據。

自20世紀下半葉以來，人們不僅在可見光波段觀測宇宙，還在包括無線電波、紅外線和X射線在內的多種波段進行觀測。不同的波段揭示了不同的現象。無線電波揭示了星系結構和早期宇宙的痕跡，而X射線則突顯了高能量現象，例如黑洞和超新星遺跡周圍的現象。 2019年，一個連接世界各地電波望遠鏡的計畫成功捕捉了黑洞的「陰影」。

觀測推動科學進步

顯微鏡和望遠鏡的歷史也表明，科學進步與觀測技術的進步密切相關。

從細胞到原子，從木星的衛星到遙遠的星系。隨著觀測技術的每一次進步，我們所能感知的世界尺度都擴大了幾個數量級。而每到一個新的尺度，都會湧現出獨特的規律和現象。

科學的進步離不開理論與觀察的對話。理論賦予觀察意義，而觀察則將理論與現實進行比較。新的觀察技術總是能為我們展現一個超越想像的世界的具體圖像。

自從魯斯卡為電子顯微鏡的誕生鋪路以來，已經過了近90年。如今，我們能夠處理原子尺度的影像，捕捉黑洞合併產生的重力波，並凝視宇宙的遙遠過去。魯斯卡的生日——12月25日——提醒我們，觀察對科學是多麼至關重要。隨著可見世界的不斷擴展，現實也變得更加豐富多彩、令人驚嘆。科學史正是由觀察編織而成的。