超越光的极限——电子显微镜自从镜头下的物体第一次被光线照亮,光学显微镜的分辨率就被套上了极限枷锁。即使透镜组合被制作得无可挑剔,分辨率最多也只能达到光波长的一半。自然光的平均波长为0.55µm,这就是为什么光学显微镜最多只能分辨0.275 µm的细节。
若想继续用可见光做显微镜的光源,必须缩短它们的波长,唯一的办法是让光跑得更快——然而如果有什么速度能超越光速这个定值,相对论则会被推翻,时间机器就会存在,电影《无极》中的情景可能成真,我们的世界里就会飞满了来自未来的观光者……大家知道这是不可能的。
这样,光学显微镜的发明使人们的目光从“一面墙”倏的一下集中到了墙上的“一块块砖头”;但由于光线无法提速,就无论如何敲不开砖头,看不到它们的内部去。随着时间的推移,天文学家望到越来越多的天体,只是不可触及;对生物学家来说,细胞尽在咫尺,然而从某种意义来讲却同星系一样遥远。
对可见光下不可见的微观世界猜了四百年,那时的人们自然地认为,细胞内部如同一锅稠粥,用专业的话讲,细胞就是一口袋“蛋白酶”。
质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明电子也和光子一样具有波动性,令人惊喜的是其波长本身就比光子短。这位未来的法国公爵和德国亲王,早年曾毕业于历史专业,却在刚刚萌发科学兴致不久投身第一次世界大战。战中巴黎铁塔上无数个与无线电发射器为伴的夜晚,不知是否启发了德布罗意对“波”的奇思妙想。上述研究使德布罗意马上博士毕业,5年后,为他赢得了诺贝尔物理学奖,自此开创博士论文获得诺奖的先河;而它对本篇文章最有意义的贡献是:它提供了理论依据,说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”;利用德布罗意公式可以算出,电子的速度能被电场加到特别大,以至波长缩到光子的1/100000。如果用电子做“光源”,那么显微镜分辨率则可以本质性地提高,就可以看到更加细微的物体了。