无论是从自己童年的经历中还是从童话图书中，我们都很容易记起外婆戴着老花镜的形象。也许你还摆弄过老花镜，或者用老花镜的镜片将阳光聚焦到纸片上，用聚集的光点在纸片上烧出一个个小孔。当然，对于外婆这样的老人，老花镜的最主要作用就是将小的东西放大，让眼花的老人可以看清楚书报上的小字，给缝衣针的小孔穿上线。总之，可以让使用这种眼镜的人看清楚原来难以看清的细小的东西。也就是说，老花镜有放大作用。
当然，不要说外婆的老花镜，现代人对眼镜可以说是太熟悉了。可能不少同学都有戴眼镜的经历或现在就正戴着眼镜。这就是近视眼镜，还有墨镜、平光镜、防风镜、防水镜等，眼镜的功能已经扩大到装饰和保护眼睛等多方面。眼镜给人们的生活带来了许多方便，是很多人一刻也不能离开的随身佩戴的重要用具。这么重要的用具最初是谁发明的呢？
眼镜虽然没有四大发明那么著名，但也不能不说是重要发明。
在13世纪末，第一个从欧洲意大利到中国来的旅行家马可·波罗，在他的游记中记载了中国的一些老年人佩戴着眼镜阅读印刷品的事。可见，那时的眼镜已经使用得比较普遍了。游记记载的时间是1260年。
有不少专家根据一些考古资料断定，眼镜最早出现于中国的南宋时期，发明人是位名叫史沆的官员。眼镜最初的样子是一个椭圆形的透镜。透镜是用岩石晶体、玫瑰色石英、黄色的玉石和紫晶等制成的。
当时因为材料很珍贵，人们把佩戴眼镜看作是一件很重要的事情，佩戴者也因此拥有一种尊严。还因为做镜框的玳瑁具有神圣的意义，而透镜的材料又是选自各种名贵的宝石。
后来就有人不是为了视力，而是为了显示尊贵而佩戴眼镜，以期收到提高身价的效果。这就妨碍了眼镜的普及。
挖掘汉光武帝刘秀之子刘荆的墓时，发现一只小巧的水晶放大镜。它是一片圆形水晶，嵌在一个指环形的金圈内，能把细小物放大5倍。这说明放大镜的发明是在眼镜的发明之前。正是有了放大镜的发明和使用，才有可能引发出眼镜的构思。毫无疑问，最初的眼镜是将放大镜固定在眼睛前面的。因为当时放大镜是用手拿着来看书的，经常用手拿着翻书不方便，时间长了手也很累，由此就会产生将放大镜固定到眼睛前面的设想，经过许多人的改进，才有了今天这样方便的眼镜，并且进而发明出隐形眼镜、帽式眼镜等。
眼镜只是放大镜演变的一个分支。放大镜的另一个变化也极为重要，这就是显微镜的发明。因为镜片的放大作用给人们提供了一种可能，那就是可不可以进一步提高其放大的倍数，去观察更加微小的东西呢？答案是肯定的。只不过，这种发明和中国的其他原创发明一样，飘洋过海到了国外，引发了新的发明。
3.1.1 从眼镜到第一台显微镜
我们在中学的生物课堂上都见过显微镜，还用它观察洋葱表皮的细胞或者其他微生物，如草履虫。老师还布置了将显微镜中所观察的图象画出来的作业，让同学们尝试了一下进行生物学实验的方法。
不仅是生物学研究需要显微镜，工农业生产、科学实验和诸多技术领域都需要用到显微镜。那么，现在仍在普遍使用的显微镜，是什么人在什么时候发明的呢？
这要回溯到16世纪，在欧洲，一个曾经的航海大国——荷兰。
15世纪末的地理大发现，给欧洲带来前所未有的商业繁荣，也为荷兰提供了成就商业帝国的历史性机遇。荷兰16世纪前长期处于封建割据状态，16世纪初受西班牙统治，于1568年爆发了延续80年的反抗西班牙统治的战争。
1581年7月26日，来自荷兰各起义城市的代表在海牙郑重宣布，废除西班牙国王对荷兰各省的统治权。
1588年，7个省联合起来，宣布成立荷兰联省共和国。这是一个在人类历史上前所未有的国家。很多历史学家说，它是世界上第一个“赋予商人阶层充分的政治权利的国家”。
因此，当时的荷兰有着发达的商业经济和手工制造业的基础。正是这种历史背景，才使显微镜的发明成为可能。
在荷兰密得尔堡有一家眼镜店，老板叫詹森。他继承了他的父亲罕斯的事业，经营着眼镜制作和销售的生意。虽说是老板，他也亲自参与眼镜的制作，可以说也是一个出色的眼镜匠人。在制作眼镜之余，有空的时候，詹森就拿着这些镜片摆弄和观看，一次偶然机会，他发现了使镜片放大倍数增大的方法。
1590年，一个晴朗无风的早晨，詹森在楼顶上闲玩。他对镜片的放大作用是很熟悉的，两块放大镜叠放到一起有更大的放大作用是他平时已经注意到的。他偶然想到，改变两个镜片之间的距离对放大作用有无影响呢？他决定试一试。他把各种镜片包括凸形放大镜片和凹镜装到一个金属管子里，分别来进行实验，当他试到一个放大镜片和一个凹镜时，通过调整两个镜片之间的距离，使镜内的图像变得清楚时，令他兴奋不已。因为奇怪的事情发生了，教堂高塔上大公鸡的雕塑比原来大了好几倍，这个发现使詹森非常高兴，他飞快地跑下楼去，把父亲也拉上楼来观看，一起分享这种新发现带来的愉快。他们抓住这个偶然的发现，认真思索，反复实践，用大大小小的凸形镜片做各种距离不等的配合，终于发明了世界上第一台望远镜。由于当时的镜片直径都很小，他们就用这种小直径的有放大作用的镜片组合观察身边的细小事物，检查其放大效果，由此也就诞生了第一台显微镜。当然，这台显微镜无论是放大倍数，还是分辨能力都是相当低的，但是，毕竟是向显微镜的完善迈出了重要的第一步。詹森虽然是发明显微镜的第一人，却并没有发现显微镜的真正价值。也许正是因为这个原因，詹森的发明并没有引起世人的重视。
此后在大半个世纪的时间里，人们的兴趣放在了这种镜片组合的望远功能上，从而使望远镜通过伽利略、牛顿之手成为研究天文学的重要工具，而显微镜则几乎被人们忘记了。
1665年，另一位荷兰人重新燃起了对显微镜的兴趣。这个人就是列文虎克，一个荷兰代尔夫特市政厅的看门人。
列文虎克，于1632年10月24日出生在荷兰代尔夫特市的一个酿酒工人家庭。他父亲去世很早，在母亲的抚养下，他只读了几年书，16岁即外出谋生，过着漂泊的生活，后来返回家乡，才在代尔夫特市政厅当了一位看门人。
由于看门工作比较轻松，时间宽裕，而且接触的人也很多，一个偶然的机会，他从一位朋友那里得知，荷兰的最大城市阿姆斯特丹有许多眼镜店，除磨制镜片外，也磨制放大镜。朋友还告诉他说，“用放大镜可以把看不清的小东西放大，并让你看得清清楚楚，奇妙极了。”
具有强烈好奇心的列文虎克默默地想着这个新鲜有趣的问题，越想越有兴趣。
“闲着也没事，我不妨也买一个放大镜来试试。”
可是，他到眼镜店一问，却发现放大镜贵得吓人，他只好高兴而去，扫兴而归了。
列文虎克从眼镜店出来，恰好看到磨制镜片的人正在使劲地磨着镜片，磨制的方法并不神秘，只是需要仔细和耐心就够。
“我为什么不自己也来磨磨看呢？”他开始找来一些厚玻璃，用不同粗细的沙子磨了起来。
从那时起，列文虎克利用自己的空闲时间，耐心地磨制起镜片来。当然，这种偶然导致的行动必然会结出果实。列文虎克经过辛勤劳动，终于磨制成了小小的透镜。但由于实在太小了，他就做了一个木架子，把这块小小的透镜镶在上面，以方便观察。经过反复琢磨，他又在透镜的下边装了一块铜板，上面钻了一个小孔，以使光线从这里射进而反照出所观察的东西来。这就是列文虎克所制作的第一架显微镜，它的放大能力相当大，超过了当时所有的放大镜。
列文虎克有了自己的显微镜后，便十分高兴地观察周围的一切。他把手伸到显微镜下，只见手指上的皮肤粗糙得像块柑橘皮一样，难看极了；他看到蜜蜂腿上的短毛犹如缝衣针一样地直立着，会使人有点害怕。随后，他又观察了蜜蜂的螫针、蚊子的长嘴和一种甲虫的腿。
总之，他对任何东西都感兴趣，都要仔细观察。可是，当他把身边和周围能够观察的东西都看过之后，便开始不大满足了。他觉得应再有一个更大、更好的显微镜。
为此，列文虎克更加认真地磨制透镜。由于经验加上兴趣使他毅然辞退了公职，并把家中的一间空房改作了自己的实验室。
几年以后，列文虎克所制成的显微镜不仅越来越多、越来越大，而且也越来越精巧、越来越完美了，以致能把细小的东西放大到两三百倍。
1675年的一个雨天，列文虎克从院子里舀了一杯雨水用显微镜观察。他发现水滴中有许多奇形怪状的小生物在蠕动，而且数量惊人。在一滴雨水中，这些小生物要比当时全荷兰的人数还多出许多倍。以后，列文虎克又用显微镜发现了红血球和酵母菌。这样，他就成为了世界上第一个微生物世界的发现者，被吸收为英国皇家学会的会员。
显微镜的发明和列文虎克的研究工作为生物学的发展奠定了基础。人们利用显微镜发现各种传染病都是由特定的细菌引起的。从而开始进行抵抗疾病的健康检查、种痘和研制药物。
一个看门人竟登上了科学的殿堂，并为后人留下了非常宝贵的精神食粮。他一生磨制了超过500个镜片，并制造了400种以上的显微镜，其中有9种至今仍有人使用。虽然他在世时就看到人们承认了他的发现，但当100多年以后，人们在用效率更高的显微镜重新观察列文虎克描述的形形色色的“小动物”时，并知道他们会引起人类严重疾病和产生许多有用物质时，才真正认识到列文虎克对人类认识世界所做出的伟大贡献。
3.1.2 从光学显微镜到电子显微镜
列文虎克发明的显微镜被称为光学显微镜。现在，光学显微镜已经发展成非常完善的系列产品，在科学研究、医学和生产中发挥着重要作用。
光学显微镜是利用光学原理，把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息的光学仪器。但是，鉴于光学原理和镜片物理性能的限制，光学显微镜的放大倍数在达到一定值以后，难以再有所提高。
显微镜的放大倍数为目镜倍数乘以物镜倍数。如果目镜倍数为10倍，物镜倍数为40倍，则放大倍数为40×10倍，即最大放大倍数是400倍。光学显微镜的极限放大倍数是2000倍。
光学显微镜的分辨本领由于所用光波的波长而受到限制。小于光波波长的物体因衍射而不能成像。最高级的光学显微镜的分辨率限度约200纳米（2000埃）。为了突破这一限度，人们通过实验，采用电子射线来代替光波。电子微粒高速运动时，类似光波的传播过程。运动电子的波长随其速度而定。由此诞生了电子显微镜。
电子显微镜是以电子束为照明源、通过电子流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后，在荧光屏上成像的大型仪器，而光学显微镜则是利用可见光照射，将微小物体形成放大影像的光学仪器。
1988年5月末，西柏林技术大学向报界宣布，诺贝尔奖金物理学奖获得者、电子显微镜发明人、物理学家恩斯特·鲁斯卡于1988年5月27日去世，享年81岁。鲁斯卡和克诺尔在1932年发明了电子显微镜。由于克诺尔去世较早，而诺贝尔奖只授给仍然健在的人，所以，1986年诺贝尔物理学奖授予了鲁斯卡和另外两位科学家。和他同时分得另一半诺贝尔奖金的科学家是德国的宾尼希和瑞士的罗雷尔。这两位科学家发明了扫描隧道显微镜。
从扫描隧道显微镜的发明到得奖，历时5年，而同时获得这一荣誉的鲁斯卡则等了50多年。
恩斯特·鲁斯卡，生于海德堡，是德国东方学家、科学历史学家和教育家尤利乌斯·鲁斯卡的儿子。恩斯特·鲁斯卡的弟弟赫尔穆特·鲁斯卡是德国医生，也是电子显微镜的先驱之一。鲁斯卡在海德堡读完中学后，1925年起，在慕尼黑工业大学学习电子学，1927年转到柏林工业大学，1933年完成论文《关于电子显微镜的磁性镜头》，并获得博士头衔。
由于电子显微镜的商业化开发不是大学研究所的任务，研究所的仪器也无法达到这个要求，鲁斯卡开始在电子光学的工业界寻求新的发展。他于1933～1937年在柏林电视机股份公司的研发部门工作，负责电视机接收发送管和带二级放大器的光电池的开发。在此期间，他同博多·冯·博里斯开始试探性地开发高分辨率的电子显微镜。1936年底、1937年初，他们在西门子公司从事电子显微镜工业研发工作实现了这一目标，在柏林设立了电子显微镜实验室，并于1939年，研发出了第一台能够批量生产的“西门子超显微镜”。
在研发“西门子超显微镜”的同时，他和弟弟赫尔穆特·鲁斯卡及其同事开始了它的应用，尤其是在医学和生物学领域。为了使它能够迅速地应用于各个领域，他们建议西门子公司建立一所电子显微镜研究所。1940年建成后直至1944年底，这个研究所共发表了约200篇不同专业领域的文章。
二战后，鲁斯卡为西门子公司重建了在柏林的电子光学实验室，1949年起重新开始生产电子显微镜，有超过1200家的各国研究所使用他们的产品。除此之外，鲁斯卡开始更多地在科学研究所工作，以加大对电子显微镜的物理学研究。1947年8月～1948年12月，鲁斯卡在德国科学学会医学和生物学研究所工作，1949年1月起，接手马克斯·普朗克协会弗里茨·哈伯研究所的电子显微镜部门，直至1974年底退休。这个部门在1957年成为独立的电子显微镜研究所，并以鲁斯卡的名字命名。鲁斯卡也在此前的1955年辞去了西门子公司的工作。
1944年，鲁斯卡在柏林工业大学获得大学任教资格，1949年，成为柏林自由大学的教授，1959年起仍在柏林工业大学任教，直至1971年，教授电子光学基础和电子显微镜技术，发表科学文章超过100篇。
恩斯特·鲁斯卡在1986年获诺贝尔物理学奖后一年多，于1988年5月27日在德国柏林去世。他的一生完全贡献给了电子显微镜事业。
3.1.3 扫描隧道显微镜
继恩斯特之后，不仅有高压电镜和扫描电镜问世，而且还出现了另一种原理完全不同的显微镜。这就是1982年发明的扫描隧道显微镜（简称STM）。扫描隧道显微镜是人类迈向微观世界的又一个有力工具。这种新一代的显微镜的发明人是德国的宾尼希和瑞士的罗雷尔。宾尼希，1947年7月4日出生于德国的法兰克福。当时正值第二次世界大战结束不久，他和小伙伴们常常在废墟中做游戏，当时他并不懂得为什么建筑物会变成那个样子。10岁时，尽管他还不太了解物理是什么，但已决心要当一名物理学家。等到在学校里真正学到物理时，他大概有点怀疑这一选择了。十几年后，当宾尼希开始做毕业论文时，才真正感到物理的魅力，认识到做物理工作比学习物理更有乐趣。他深切地体会到，由学到做才是正确途径。这就是“学以致用”的原则。
1978年，宾尼希在法兰克福大学获博士学位。他在做博士论文时参加了马廷森教授的研究组，指导教师是洪尼希博士。洪尼希博士非常耐心地指导他做实验，从而提高了他的动手能力。宾尼希在完成博士论文后，在他的妻子威格勒的劝说下，接受了IBM公司苏黎世研究实验室的聘任，参加那里的一个物理小组。这是非常重要的决定，因为在那里宾尼希遇到了罗雷尔。他们的相遇成就了一项重要的发明。“相遇成金”在这里又一次得到了印证。
罗雷尔，1933年6月6日，出生于瑞士的布希，1949年，全家前往苏黎世。他对物理学的喜爱完全属于偶然，因为他原来喜欢古典语文和自然，只是在向瑞士联邦工业大学注册时才决定主修物理。在学校的4年中，受教于泡利、舒勒等著名教授。1955年开始作博士论文，很幸运得到了奥尔森教授的指导，博士论文题目涉及测量超导体在磁场中长度的变化。而奥尔森以测量杨氏模量的不连续性著称。罗雷尔在实验中要用到非常灵敏的机械传感器，往往要在夜深人静的时候工作。4年的研究生生活使罗雷尔得到了很好的锻炼。
1961年，罗雷尔到美国的鲁特格尔斯大学做了两年博士后，研究的题目是Ⅱ类超导体和金属的导热性。1963年，他回到瑞士，在鲁希利康IBM研究实验室工作，研究脉冲磁场中的磁阻问题。60年代末，从事反磁体研究，并在研究组组长缪勒的鼓励下研究临界现象。在这里，他开始与宾尼希合作。70年代末，开始致力于研制扫描隧道显微镜，终于在1982年获得重大发明，并收获了1986年诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜之所以得到发明并且迅速发展，是由于微电子学以极快的速度发展。作为电子计算机核心部分的硅集成块的集成度要求愈来愈高，其尺寸愈来愈小，所带来的问题是集成块表面积与体积之比的急剧增大。此时，在集成块的工作状态中，以及它与其他逻辑元件的相互作用中，表面状态变得愈来愈重要。这种微观世界的细微变化需要有可以观测到它的工具。这个任务不要说光学显微镜，就是普通的电子显微镜也不能够胜任。除此以外，在物理、化学及生物发展过程中，真实表面状态的研究也有其重要意义。扫描电镜的发明虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于高能电子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映“真实”表面状态。针对这一问题，IBM在瑞士苏黎世研究所的宾尼希与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内，分辨率就达到了原子水平。
对于非常光滑的样品平面，如新解理的晶体表面，从微观来看，原子是按一定规律排列起来的。如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在x、y方向扫描，由于每个原子有一定大小，因而在扫描过程中隧道间隙就会随x、y的不同而不同，即使是百分之几纳米的高度变化，也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨率为百分之几纳米的电子显微图像。人们终于可以看清原子级别的图像，从而为微控制技术的发展做出了重要贡献。
