德国耶拿，这是一座被称为“光学之城”的城市，是一个被显微镜影响的城市，是一座被一个企业和一所大学影响的城市。在这里，有一个你 “见所未见”的故事，它的名字叫做“ 科学家创业”。

光学显微镜开创的现代生物学

在那个时代，随便看看树叶小草也是个重量级的大发现，比如大名鼎鼎的 罗伯特•胡克（Robert Hooke） 就是在1665年用显微镜看红酒瓶的软木塞时候发现“软木塞上怎么都是一个一个像蜂房一样的小室，好吧，叫它“细胞（cell，来自拉丁语cella，意思为小房间）”好了。

生物学从此走出了简单的收集、整理和归类，而走向了微观的世界。

另外一个叫 列文·胡克， 是个荷兰人。列文·虎克最喜欢做的事情是……磨镜片，他磨出的镜片制造的显微镜，放大能力远远超过了当时世界上所有的显微镜。

罗伯特·胡克出版了一本书《显微术》，列文·胡克看了这本书，觉得“哇塞，真牛逼。”于是在自己磨出的显微镜下观察。 罗伯特·胡克 看到了软木塞上死掉的细胞，而 列文·胡克 观察了雨滴，然后是河水、井水、海水、辣椒水、姜水、丁香水、肉豆蔻水……他看到了无数小的，活的，微生物，“即使我说辣椒水表面取出的一小滴水中有十万小动物，也绝非夸大。”这一下，列文·胡克把人类带进了微生物学的世界。

显微镜就这样打开了人们的视野，现代生物学及微生物学皆因光学显微镜而诞生，光学显微镜也成为生命科学中必不可少的工具。

单筒和双筒显微镜，毋庸置疑的奢侈品和科研设备，如今的博物馆藏品！

1846年，蔡司在耶拿开办了一个小小的工作坊。最早的作坊里，蔡司亲自设计、制作、改进不同的仪器。1861年，凭借出色的设计，蔡司的显微镜在图根州工业展览会上获得金牌，这些显微镜被认为是当时最好的科学仪器。

蔡司公司档案馆珍藏的蔡司先生亲自设计的显微镜图稿。

当时，制作显微镜普遍采用的方法是“试错法”，就是通过更换镜片，然后改变镜片间距，直到达成可用的光学系统。这种方法低效而且结果很不确定。在制造显微镜的过程中，蔡司和很多工人都观察到，累加镜片可以增加放大倍数，但随着镜片的增长，放大细节的能力却不会增加了。

1866年，蔡司选择了一位特别的员工来帮助他提升生产工艺，他邀请到了耶拿大学的物理学家 恩斯特·阿贝 （Ernst Abbe）来合作。他们精心研发了六年，直到1872年，蔡司终于推出一款光学性能超越所有同行产品的显微镜，科学家和医师们对蔡司显微镜推崇备至。

1875 年阿贝成为蔡司公司的股东。

虽然蔡司和阿贝成功地制造了出众的显微镜，但他们对当时生产显微镜的玻璃还不够满意。第三位大牛的加入解决了这个问题。一位来自德国维滕的化学家 奥托·肖特 （Otto Schott）发明了一种玻璃工艺，可以生产一种具有全新光学特性的锂玻璃。

1879 年肖特送了一份这种玻璃的样品给阿贝，此举开启了另外一段佳话： 这种玻璃能够完美的地表现阿贝对于光学系统的需求。

1884蔡司、阿贝与肖特共同创立“玻璃技术实验室”，而后在此基础上创立了“耶拿玻璃厂”，耶拿玻璃厂开发了各种新型的光学玻璃。这些 “耶拿玻璃”，使得蔡司的显微镜如虎添翼，从而有更为强大的功能和更广泛的产品组合。

光学制品早期就这么深入百姓生活啦！

从此，三位大牛强强联手，科学创业的故事获得了卓著的成功。

这个故事的后续是这样的：蔡司先生在1888年底去世，他在遗嘱中将股权转移给儿子洛迪里克，洛迪里克将股权出售给了阿贝。1889年，阿贝成立了一个基金会，将自己的股份和资产全部转在基金会名下，并将这个基金会命名为卡尔·蔡司基金会（阿贝有机会以自己的名字命名这个基金会啊！）。1891年，耶拿玻璃厂也成为基金会的企业。至今，卡尔· 蔡司基金会仍然是蔡司公司和肖特公司的独家产权所有人。

这才真是科学家创业和伟大友谊的典范啊！

阿贝将基金会的管理制度化，他明确规定： 蔡司要永久专注于科研与创新，基金会的资金被用来建立大学，支持科学家和科研项目，而企业利润的大部分要被用于改进的产品和创造新产品。由此，蔡司能够将大量资源投入在基础性和前瞻性的研发与创新上，而不仅仅囿于短期的利益。

同时， 蔡司的员工也可以享受专业的技术培训和完善的福利待遇 ——蔡司早在1870年代，就开始逐步建立完善的员工福利计划，比如每天工作8小时，为员工建立完备的健康保险和带薪假期，这些几乎都是现代公司史上的第一次。像因为大型企业而兴起的城市一样， 这种企业文化的自豪感，通过员工的家庭而渗透到整个社区，从而影响了城市。

这才真是科学家创业回馈科学与社会的典范啊！

蔡司档案馆的馆长大人在展示蔡司先生当年的显微镜交易记录，那些订单客户，大都是当年最杰出的科学家。蔡司先生的账本，都是漂亮的花样手写体，简直优雅到不行！

蔡司第一代天象投影系统。今天在蔡司博物馆和耶拿城中，都可以看到这个设计感十足的天象仪，这个天象仪也成为耶拿城市形象的一部分。

这个公式也被写到阿贝本人的墓碑上，在今天耶拿大学城里可以看到。耶拿大学也是一个传奇，这一溜走过来，莱布尼茨这样的大牛，名字赫赫在列，就更别说歌德、谢林、黑格尔、康德，马克思这些影响了世界的大哲们了。

耶拿大学城里写到阿贝墓碑上的物理公式。

这个公式到底是个啥？还得说回显微镜。

随着人们越看越小，人们不禁会问，到底能看多小？光学显微镜能看到的极限，到底在哪里？“能看多小”换成比较科学的说法就是 “分辨率有多高” 。分辨率，严格讲是光学分辨率，简单来说就是成像系统能看到的细节的能力，或者说是成像系统能区分的两点之间的最小距离。

解决这一问题，正是阿贝。

作为一个物理学家，阿贝在1873年发表了他最重要的公式。这个公式里， 阿贝明确指出，可见光的理论分辨率和光的波长成反比，和光学器件的数值孔径成正比。 这一公式也奠定了此后人类所有高性能光学显微镜的基础，也指出了传统光学显微镜的分辨率会有一个物理极限。

为什么会这样呢？回想下我们高中物理曾经学过的 单缝衍射实验 ：

当一束光经过一条狭缝，在中间亮条纹的两侧会出现一系列明暗交替的条纹。这是因为光作为电磁波，它被狭缝限制时会发生衍射，从而偏离直线传播。

如果光经过的不是一条狭缝，而是一个圆孔，那么圆孔就会在各个方向上限制光的传播，从而光在各个方向上发生衍射而形成圆孔的衍射图样，这就叫做 “爱里斑” （Airy Disk）——中心有一个比较大的亮斑，外围有一些明暗交替的光环。

红色激光 的圆孔 衍射图样。 图片来源：wikipedia

同样的道理，由于衍射的存在，成像系统无法把光线汇聚成无限小的点，而只会在像平面上形成有限大小的爱里斑。 通过任何光学仪器成像的过程，都可以认为是把物平面上的无数微小的点转换成爱里斑，然后再把它们叠加起来呈现在像平面上。 这样的结果是，任何成像系统所得到的像无法精确地描述物体的所有细节。

如何在平面上呈现更多精细的细节呢？

假如物平面上有两个点，通过一个光学成像系统后产生两个爱里斑。当这两个点离得较远时，像平面上的爱里斑也会离得较远——此时我们可以轻松分辨出物平面上有两个点。如果把两个点逐渐移近，爱里斑也会随之接近。当它们接近到一个圆斑中心与另一个圆斑边缘重合的时候，我们达到能够分辨出有两个点的极限（这就叫“瑞利判据”）。如果这两个点更接近，像平面上的两个爱里斑就几乎重合在一起，成为一个圆斑，那物平面上的两个点就不可分辨了。

因此，爱里斑的直径就给出了理想光学系统的最高分辨率；在光学显微镜中，这个数值大概是光波波长的小一半，0.2微米或200纳米。

很长时间以来，人们都认为光学显微技术无法突破阿贝公式的这个极限。直到法国物理学家德布罗依在1924年发现了著名的 “物质波” 。

法国物理学家德布罗依。

物质波是说，不仅微观粒子具有波粒二象性，物质皆有！这个思路很快就被人利用在显微镜的原理上—— 如果不用光波观察物体，而是换成极细小的物质波长，那么衍射极限就能降到原子尺寸的级别 ，这真是一个厉害的思路。

然而，在当时人们所熟知的微观粒子世界，可选的余地并不大：质子和氦核的质量都很大，虽然他们的物质波长都极短，但把它们加速到一个能用于成像的速度需要极大的能量，显然不合适；中子不电不磁，但到现在人们也还没有掌握有效的操控它的方法。这样一来，也就电子可选了。而且电子也的确是很合适，电子几乎没有质量，来源广泛，可以用电场加速，还可以用磁场控制，实在是物质波显微技术最佳光源。

1931年，德国物理学家 恩斯特·鲁斯卡 研制出了第一台电子显微镜，一方面证明了物质波理论的正确性，另一方面，又一次重新开启了人类对于探索微观世界的大门！

德国物理学家恩斯特·鲁斯卡。

电子显微镜的分辨率能达到0.2纳米，不过事实上，电子显微镜也是遵循衍射规律的。不同的是电子波长比光波短1000倍，从而分辨率更高。然而，电子显微镜有一个很明显的缺点，它很难用于活的生物样品的观察。

显微镜对于分辨率的追求，这样就到尽头了吗？

艾力克·贝齐格（Eric Betzig）、斯特凡·W·赫尔（Stefan W. Hell）和W·E·莫纳（W. E. Moerner）三位大牛，成功的越过的阿贝公式的极限，对于发展超分辨率荧光显微镜做出的卓越贡献。

他们的突破性工作使光学显微技术进入了纳米尺度，从而使科学家们能够观察到活细胞中不同分子在纳米尺度上的运动。由此，三位大牛，获得了2014年诺贝尔化学奖！

获奖并不是科学家做研究的主要目的，更重要的是，显微镜的发展，使得今天的科学家们能够从最微小的分子细节来研究活细胞，比如脑部神经细胞间的突触是如何形成的，比如帕金森症、阿尔兹海默症和亨丁顿舞蹈症相关的蛋白聚集过程，比如受精卵分裂形成胚胎时不同蛋白质的形成过程，这些都无疑将推动人类从分子水平理解生命科学中的现象与机理。

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排版：小爽