你可曾想過為何歷史上的某些大流行傳染病會伴隨一些神秘又可怕的傳說？也許是當時的人們因為檢測技術受限，無法清楚看到傳播疾病的細菌和病毒，再加上恐懼來自未知的事物，因此傳染病可能是源自於惡魔的詛咒，或是某些妖言惑眾的言論被莫名渲染成巫師們用來懲罰人們的黑魔法，還好玄學盡頭是科學，隨著第一台顯微鏡的發明，人們可以進一步的去研究許多肉眼無法看到的細節，終於可怕的疾病不再被未知的迷霧壟罩著。
但是因為從透明玻璃發明以來，人們一直在使用放大鏡，所以實際上是誰發明了第一台顯微鏡已經不可考了，唯一可以確認的是第一個真正將顯微鏡（如圖一）推廣成科學工具的是一位英國的藝術家兼研究員，羅伯特．虎克(Robert Hooke)，你可能會覺得很熟悉的名字，他不是電影中的虎克船長，而是那位研究彈簧的彈性並推導出虎克定律的科學家 [1]。
圖一：虎克顯微鏡
（圖片來源：National Museum of Health and Medicine）
1665年虎克出版了一本名為《微物圖誌》的圖文書，這本書裡收錄了許多他使用顯微鏡觀察昆蟲及其他生物切片時所繪製的精美圖畫，他使用顯微鏡觀察昆蟲，然後發現了昆蟲擁有奇特的複眼；他也將樹皮切片來觀察植物，接著他發現植物似乎是由他稱為細胞的微小結構組成的。
不久之後荷蘭籍的布料商人，安東尼．范．雷文霍克(Antony Van Levon)也開始研究並設計顯微鏡（圖二），起初他只是很單純的想要用顯微鏡來檢查他所購買的布料品質，但是後來好奇心驅使他，開始將除了布料以外的東西也放在顯微鏡下觀察，他把許多的液體像是池塘水、啤酒、還有自己的唾液、甚至蒼蠅的分泌物都列入觀察範圍，他使用顯微鏡後看到當時科學家們尚未發現的許多微小生物。他把這些小生物稱為微小動物（animalcules），是取動物（animal）和分子（molecule）這兩個字的結合，他並沒有因為花大量時間研究液體感到尷尬，反而覺得自己的發現很值得記錄下來並且發表給更多人知道，所以他將自己的研究發現寫成科學的信件，而後他將信件寄到當時英國最有名的科學機構：英國皇家學會，皇家學會發表了他的信件，也因為這封信件很多利用顯微鏡觀看微小生物的研究就此展開，之後科學家們也拼湊出了先前未知疾病的可能發生原因。
圖二：雷文霍克顯微鏡結構
（圖片來源：維基百科）
這裡講到的兩種古老顯微鏡是我們在課堂上有用過的光學顯微鏡的前身。
光學顯微鏡的使用原理是利用透鏡折射可見光來成像，雖然包括細菌、微生物等都能透過顯微鏡來觀察，但是光學顯微鏡因為需要利用光源不斷的發出光子，如果把光子當作是微小的光粒子，且假設光子能夠以光速沿著直線傳播，當它撞擊到物體的時候，因為撞擊物體的差異，光子可能會被反射或是穿透物體，又或是被物體吸收。因為我們眼角膜有曲率，可以使光線產生折射並且聚焦，接著光線進入瞳孔後，由瞳孔來控制進光量，然後光線就會進入水晶體，接著就會在視網膜成像。
只可惜受限於可見光的波長（四百到八百奈米），導致光子的波長比許多科學家所要觀察的物體大得多，而且光子沒有固定的大小，它的能量由波長決定，所以若要使用光學顯微鏡來觀察半徑約0.1到0.3奈米大小的原子，在解析度上就有遇到了瓶頸，畢竟光的波長決定了它能分辨的最小尺寸，換句話說用一般的光學顯微鏡，無法觀察大多數的原子和分子還有病毒（典型病毒的大小約在二十到四百奈米之間）。
為了克服這個大約0.2微米的繞射極限問題，在1930年代德國的物理學家 Ernst Ruska 和電機工程師 Max Knoll 發明了世界第一台功能齊全的穿透式電子顯微鏡（Transmission electron microscope，TEM)[2]。因為電子顯微鏡使用電子束取代光子來照射物體，而且電子的波長比可見光的光子波長短約十萬倍，有了更高的放大倍率和解析度後，科學家們能夠觀察到更精細的物質結構，也因為有了電子顯微鏡，繞射極限的問題已迎刃而解，關於先前未知病毒隨著科技的進步終將被研究更透徹（關於傳統光學顯微鏡的魔咒—繞射極限）[3]。如今，穿透式電子顯微鏡被廣泛的應用在材料科學、醫學、生物研究等領域，它的工作原理是透過電子物穿透超薄的樣品來觀察材料或是病毒結構，進而做出診斷和理解病毒。
隨著電子顯微鏡的發明，人們可以開始和病毒展開正面對決，而且科學家也沒有滿足於現狀，隨後在1980年左右，IBM的研究人員格德爾．賓寧（Gerd Bennig）和海因里希．羅雷爾（Heinrich Rohrer）發明了第一台掃描穿隧顯微鏡，它的原理是利用一個微小的金屬探針來感知待測物表面的凹凸形貌，原理和盲人透過指尖閱讀點字相似，探針在掃描的過程就能收集到可以生成超高解析度影像的資料，就有了後來的物體表面科學的研究。
科技的進步讓電子顯微鏡可以用來觀察微小的病毒，科學家們努力專研各種可突破顯微鏡觀察能力極限的方法，像是將可見光與掃描探針顯微鏡技術的結合，畢竟光子太大，不適合用來觀察單一原子和分子，如果能設計出合適形狀的金屬探針，接著可將光子引導到探針尖端，這樣一來光子在二維方向上就會被壓縮到比較小的範圍，當探針靠近待測物的尖端處，光子可以被吸收並且重新發射，這樣一來就能看到單一個原子（關於原子力顯微鏡的應用[4]），也因為科學家們研究出這個可以縮小光的方法，就可以透過改變一些儀器的工作原理，更進一步在掃描樣本的同時也記錄下分子內部原子的運動，有了這些技術上的突破與更新，原先未知的病毒能夠被清楚的觀察，並且區分出微小的差異，接著只要透過觀察病毒隨時間的演變，就可以著手計畫並生產對抗病毒的疫苗。
以前科學家應該沒想過因為他們使用簡單的透鏡觀察昆蟲複眼，隨著時代的演變還有顯微鏡技術的各種突破與發展，現在研究人員有能力來觀察微小病毒的演化，也因此曾經存在的未知並且造成恐懼的的迷霧，也逐漸有了撥雲見日的清晰感，既然病毒可以被看到，疫苗就可以被研發，接著透過施打疫苗，可能造成大流行的疾病就可以避免，這似乎驗證了三國志中諸葛孔明的「君子視微知著，見始知終，禍無從起」！
延伸閱讀：
[1] 從微米到奈米：光學顯微術的一大步
[2] 看見微小世界的奇蹟
[3] 奈米光學饗宴—散射式近場光學顯微鏡
[4] 量測物體表面酸鹼度的顯微鏡
