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显微镜的发现及故事

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       显微镜的故事,需要从公元前3500年的美索不达米亚平原说起。考古证据显示,当时沿海地区的人们在金属加工的时候无意制造出了历史上第一块玻璃。美丽的玻璃从那时候起就成为了贵重的观赏物品,它的制造技术也因此流传了下去。大约在公元4世纪,罗马人终于挖掘了玻璃除了观赏之外的其他功能:他们开始用玻璃来制造门窗、杯子等实用的东西。与此同时,我国则出现了利用水晶石打磨透镜的技术,不过这通常只是作为饰物使用。13世纪,马可波罗将这种水晶透镜带回欧洲,欧洲人因此学会了磨制镜片的方法。制造业的发达,令玻璃成为了一种廉价的材料,因此,眼镜制造业便红红火火地发展起来了。

4世纪罗马人的玻璃杯(维基百科)

       当时戴眼镜的人大多数是些年纪很大的富翁,他们需要的是老花镜,也就是凸透镜。人们很快发现,凸透镜可以令物体的影像放大。于是,一些极具好奇心的人开始使用凸透镜来观察细小的物体,显微镜就是在这个时候诞生的。显微镜有两种形式,一种就是单块的凸透镜,又被称为放大镜或单式显微镜;另一种是多块凸透镜的组合,又被称为复式显微镜。

       一开始,人们用单块凸透镜观察物体。这有一个致命的缺点:凸透镜的焦距和透镜的直径成正比,而焦距又和放大倍数成反比,也就是说,想要获得更大的放大倍数,透镜的直径就要很小。如果想要获得放大100倍的影像,那么透镜的直径要做到0.33毫米那么小——这个比大头针还小的透镜在当时根本就制造不出来。因此,当时的凸透镜的放大倍数最大不过25倍。这种放大倍数是玩具级别的,只能让小孩观察小虫,想要观察更细微的东西,只能寻求别的工具。

       16世纪90年代,在荷兰的米德尔堡诞生了人类历史上第一台真正意义上的显微镜。具体年份的记录已经在二战期间、1940年5月17日一场发生于米德尔堡的爆炸中丧失,人们推测显微镜的发明年份应该是在1590~1505年间。那个时候,发明人扎卡莱亚斯·詹森(Zacharias Janssen)很可能只是个十岁左右的孩子(他的出生年份同样不详,大约是在1580~1585年间),跟着他的父亲汉斯·詹森(Hans Janssen)在街头贩卖自家打磨的镜片。或许是在父亲的工作室里玩耍时得到的灵感,扎卡莱亚斯成为了世界上第一个将多块凸透镜组合在一起的人,就是这一举动,为人类打开了微观世界的大门。父亲汉斯帮助他制作出了世界上第一台复式显微镜,它看上去像是一根手电筒。

詹森复式显微镜,1841年制的复刻版(网络图)

       詹森父子的复式显微镜的构造十分简单: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。当这个复式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。虽然这个放大倍数看似还不如单式的凸透镜,但它的意义在于它是最早的变焦镜头,同时它只是一个未成熟的雏形,有了复式镜片组合的结构基础,放大倍数很快就开始了飞跃。另外,制造工艺也很简单,人们不再需要费劲去磨制极小的透镜。

詹森父子(网络图)

       不过很可惜,詹森父子的显微镜发明虽然为人类打开了微观世界的大门,但在那个年代,还没有人能够真正踏进去。由于技术水平的局限,16世纪的复式显微镜放大倍数仍然不够高,人类在探索微观世界上并没有什么激动人心的发现。在那个时代,与其说显微镜是科学仪器,倒不如说它是一种艺术品。它美丽的黄铜外表、精美的装饰受到上流社会的追捧,大部分人只把显微镜当做典雅高贵的收藏品。

       半个世纪过去了,荷兰再次诞生了一位显微镜伟人。1632年10月24日,安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)出生在荷兰的代尔夫,由于家境困难,他只上过很短时间的学,16岁就被送去荷兰首都阿姆斯特丹做布店学徒。1654年,22岁的列文虎克回到老家代尔夫,开了一家属于自己的小布店。一开始,他尝试着用凸透镜来放大鉴定布料的质量,布匹店的工作并不忙碌,他很快培养起了对透镜的兴趣,并尝试自己打磨镜片。靠着兴趣和毅力,这个没上过几年学的年轻人在自家的小店里打磨制造出了世界第一流的镜片,它们的厚度仅为1毫米,曲率半径为0.75毫米,有着很高的放大率和分辨率。

列文虎克(网络图)

       在掌握了镜片的磨制技术后,列文虎克将镜片组装成复式显微镜,并用它们发现了人类从未见到的细胞。典型的列文虎克显微镜很小,结构很巧妙,由一块扁平宽大的镜身、一个镜头、一个针形载物台、两个螺钉构成的。透镜被镶嵌在两块凿出小孔的黄铜片之间,螺钉可以用于调节标本与透镜之间的距离,以调整焦距。使用时,先将标本固定在针尖上,拿起显微镜对准光源,调节螺钉令影像达到最佳状态便可观察。

现存的列文虎克显微镜(网络图)

       1677年,他观察到了池塘水中的原生动物,鲑鱼血液中的红细胞。1683年,他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。他还正确地描述了微生物的形态有杆状、螺旋状等多种。通过对毛细血管的观察,他证实了血液循环系统的存在,结束了多年的科学界之争。微观世界的大门只对他一个人开启,他用镜片在其中遨游,不断发现着各种令人震惊的事实,改变了人们的观念。

列文虎克绘制的木细胞图(网络图)

1677年列文虎克写给英国皇家学会的信件(网络图)

       列文虎克一生亲自磨制了550块透镜,装配了247台显微镜,为人类创造了一批宝贵的财富。至今保存下来的有9台,都被妥善地保存在各地的博物馆里。荷兰尤特莱克特大学博物馆里的那台显微镜的放大倍数为270倍,分辨率为1.4微米,这几乎已经是光学显微镜的极限。列文虎克制作透镜的方法已经失传了,而他手工制作出来的显微镜的质量之高,到现在为止都没有人能仅靠双手复刻。

原文链接:http://news.xinhuanet.com/science/2015-11/23/c_134836689.htm