假如人類可以把顯微鏡提升到40億倍,可以看到什麼?

光學透鏡的原理

假如人類可以把顯微鏡提升到40億倍,可以看到什麼?

光學透鏡的極限大約是2000倍,號稱大於這個倍數的,我秉承一個原則“你有錢你隨意”。

有同學開腦洞,提出光學顯微鏡的放大率就是物鏡的放大倍數乘以目鏡的放大倍數,好比物鏡50x,目鏡10x,放大倍數就是500倍。如果我們可以來一個無限的套嵌使用,豈不是可以突破到無限倍數,豈止40億倍?但光學顯微鏡放得大,不代表你能看得清;放得大講的是放大倍數,實際我們最需要的是——看得清,這就需要分辨率。而光學顯微鏡的分辨率僅僅由物鏡決定。

假如人類可以把顯微鏡提升到40億倍,可以看到什麼?

最前端的物鏡決定了到底有多少信息進入了光學系統,我們稱為——“空間頻率”。簡單的理解,透鏡是一個低通濾波器,如果我們用肉眼進行最終的觀察,成像的位置就需要人眼看得足夠清楚。像到肉眼的最佳距離被稱為Normal Near point,中文名稱叫最近對焦點。對於大多數人來說,這個距離大約是25cm。

光學顯微系統的放大倍數是2000倍,對應到200nm的分辨率,這個光學系統的成像能力就相當於呈現0.4mm有限分辨率的像。物體微觀到一定程度後,它本身就已經失去了常規的光學屬性了。物體細小到一定程度,如果光學屬性差,就不會被光展現出來,它就失去了具體的形狀、色彩——成出來的像就是一個衍射光斑,叫做艾裡斑。這就是一個點能夠準確成像的尺度極限——阿貝極限。光學顯微鏡2000倍時,就進入阿貝極限。這個可以說是人眼觀察的極限了,再往下努力,你需要的不是顯微鏡,而是配一副眼鏡了。

電子顯微鏡

假如人類可以把顯微鏡提升到40億倍,可以看到什麼?

電子顯微鏡,簡稱電鏡,Electron Microscope(簡稱EM)。相比一般光學顯微鏡,電鏡的歷史才50年左右,但它已經成為現代科學技術中不可缺少的重要工具了。

電鏡主要由鏡筒、真空裝置和電源櫃三部分組成。

電子顯微鏡的分辨率可以達到0.2nm,我們可以認為電子顯微鏡在光學顯微鏡的基礎上,再增強了1000倍。也就是200萬倍的級別。這個級別下,已經接近於原子級別了,細菌啊,晶體結構之類的已經可以很清晰的看得到了。

不過離題主的腦洞距離還差得很遠。

顯微是個燒錢的舉動

一般號稱能達到2000倍的光學顯微鏡,至少價格都在5位數以上,低於這個價格的,基本可以不用考慮實際效果。而且,動用這個東西,需要的更多是專業技巧,一般普通愛好者,你對半天,可能都是一團光影的糊糊。

而電子顯微鏡,這個動輒都必須過百萬的設備,就不是一般家庭可以配置拿來玩抖音的了,大學或者研究院才會配置,維護和操作都需要專業的培訓後,才可以上崗,大家就別想太多了。

至於腦洞的4億倍?天文望遠鏡可能有可能,不過光學透鏡的尺寸估計得超過日地距離,想想都有點小興奮呢。

結語

對於顯微鏡,腦洞科學不能隨意開,有錢也不是可以隨意燒。


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