第一台电子显微镜：科学史上的今天：4/7

鲁斯卡（右）与其教授Mark Knoll的电子显微镜。图／Ernst Ruska Archiv eV

自从十六世纪末显微镜问世以来，人们才惊讶地发现，原来在生活周遭潜藏着肉眼看不见的大千世界。虎克看见排列整齐的植物细胞，雷文霍克发现水中充满微生物；随着显微镜不断地改善，我们也一直往万物的内部深入，但这样的进程终于撞上了一堵墙，一堵无法翻越的墙──可见光的波长限制。

就像你无法用油漆刷子描出蚂蚁的轮廓；当物体本身或是两个物体之间的距离小于可见光波长的二分之一，无论显微镜的透镜与照明可以做到如何完美的程度，看起来也只是模糊一团。白光的平均波长是0.55 微米，因此0.275 微米就是那道墙，就是光学显微镜无法突破的极限。想要飞越这道墙，只能另起炉灶，关键在于找到更短的波长。

科学的发现或发明往往源自于无心插柳。1928 年，还是大学生的鲁斯卡(Ernst Ruska, 1906－1988) 在教授Mark Knoll 的指导下，研究如何利用阴极射线做出示波器。当时已经知道所谓阴极射线就是电子束，而且可以用磁场控制电子的飞行方向。然而要用电子束即时在萤光幕上画出正确的波形，电磁线圈就得让电子束精确的聚焦在特定的点上，就如同光束经过凸透镜而聚焦在一点上；此时电磁线圈也就与凸透镜一样具有放大的效果。

经过三年的努力，鲁斯卡终于在1931 年的今天做出史上第一台电子显微镜的原型机；但它的放大倍数只有14.4 倍，即使是特别备制的样本，也只能放大17 倍，远逊于光学显微镜，因此他与指导教授都还刻意避免使用「电子显微镜」这个字眼。当鲁斯卡在暑假得知德布罗意的物质波理论后（德布罗意于1929 年就因为这个理论获颁诺贝尔物理奖，鲁斯卡与教授竟然都未注意！），才知道电子既是粒子，也是一种波，而且波长只有可见光的十万分之一。这代表电子显微镜势将远远超越光学显微镜！

受此激励，鲁斯卡终于在1933年做出第一台突破光学显微镜极限的穿透式电子显微镜。随着技术的进步，如今电子显微镜已可放大达数百万倍，并有不同原理的扫描式电子显微镜，成为物理、化学、生物、医疗、……等各种不同领域突飞猛进的重要关键。鲁斯卡因此于1986年与发明扫描穿隧式显微镜的两位科学家一起获颁诺贝尔物理奖。值得一提的是，光学显微镜并未就此罢休；2014年的诺贝尔化学奖就是颁给在光学显微镜上另辟蹊径，突破极限的科学家。