光学

罗塞塔号空间探测器花了十年时间，于2014年11月12日抵达楚留莫夫－格拉希门克彗星——距离地球有5亿公里之遥。彗星为人所知的主要特点是拖着标志性的大长尾。但这次，科学家着重关注的是冰冻的彗核：

探测器搭载了由Max-Planck研究所研究人员研制的专用摄像头，它向地球发送了令人震惊的图像。在此过程中，穿越宇宙传输一次数据需要28分20秒。在此之前，从来没有人能够看到如此详细的图像，即使是用最高级的望远镜，从地球也无法看得如此仔细。

楚留莫夫－格拉希门克彗星前方的罗塞塔号空间探测器（Collage）

人类视力的极限在哪里？1873年，德国物理学家Ernst Abbe计算出，光学显微镜仅能显示出相互之间的距离至少为所用光的一半波长的细节。因此，长期以来，物理学家认为光学显微镜的分辨率无法超过200纳米。

但到1999年，人类突破了这一极限：哥廷根物理学家Stefan Hell研制的STED显微镜能够显示仅有数纳米大小的细节。其妙处在于：先使微小的结构发光，然后用另一条特殊的光束将发出的一部分光切断。这样就防止了相距很近的结构互相掩盖住对方的光亮。

一纳米等于0.000000001米。因此，STED显微镜的效率要比传统光学显微镜高十倍至百倍。
» 视频“STED——纳米世界的光学探测”

STED显微镜下的细胞蛋白质结构

用传统显微镜看到的细胞蛋白质结构

我们是如何思考、感觉和学习的？只有深入理解了大脑的结构和功能，才能回答这个问题。为此，需要能够看见单个脑细胞及其活动。20世纪八十年代末，生物物理学家Winfried Denk将光学显微镜改进为双光子荧光显微镜：

一道激光将光子射入试验品中，使这些光子重叠在一个规定点上，产生放大效应。通过这种方式，研究人员能够看到活体大脑组织内部约一毫米深处，从而直接观察大脑“如何工作”。

新的光学显微镜技术为大脑研究提供了丰富的手段。因为与电子显微镜不同，利用光学显微镜能够研究活体细胞和组织。

双光子荧光显微镜下的活体视网膜细胞

埃博拉、艾滋、天花、麻疹、流感——许多危险的疾病都是通过病毒传播的。但是研究人员花了很长时间才能够识别这些病原体。原因是：病毒非常小，要比细菌小得多。在传统光学显微镜下无法看到病毒。

直到1931年，德国物理学家Ernst Ruska发明的电子显微镜才使人们能够看到纳米世界。Ruska没有使用光线，而是用了短波长的电子射线。在身为医生的兄弟Helmut Ruska协助下，这位物理学家成为了能够看清病毒并分类的第一人。1986年，Ernst Ruska凭借其发明获得了诺贝尔物理学奖。

现代电子显微镜能够达到最小0.1纳米的分辨率，可帮助研究人员对蛋白质等进行细致研究。

Ernst Ruska在使用电子显微镜，1955年左右

现代电子显微镜

1846年，柏林天文学家Johann Gottfried Galle发现了行星海王星。他所用的望远镜是那个时代精品中的精品。这架望远镜由巴伐利亚光学仪器制造商Joseph von Fraunhofer的工场制造——19世纪初，只有他才能制造没有条痕和气泡的高品质透镜。

现代望远镜的效率提高了许多倍：例如，由四台大型望远镜相连而成的甚大望远镜（VLT）能够将月球上一辆车的大灯识别为独立光点。目前，Max-Planck研究所的研究人员正在用VLT研究我们所在的银河系中心的黑洞。

沙漠的清朗夜空，繁星几乎触手可及

位于智利阿塔卡马沙漠的甚大望远镜（VLT）