Как увидеть невидимое

В 1670-х годах голландский торговец тканями Антони ван Левенгук шлифовал крошечные стеклянные линзы и рассматривал воду из пруда, соскобы с зубов и дождевую воду. Он увидел живых «анималькулей» — маленьких существ, о существовании которых никто не знал. Его однолинзовые микроскопы увеличивали изображение примерно в 270 раз. Современный школьный микроскоп может увеличивать в 1 000 раз, но есть одна загвоздка: большее увеличение не означает более чёткое изображение.

Увеличение делает изображение крупнее. Разрешение — это наименьшее расстояние между двумя точками, при котором ты всё ещё видишь их как две отдельные точки. Если разрешение плохое, дальнейшее увеличение просто даёт более крупное размытое пятно. Это называется пустым увеличением.

Для светового микроскопа разрешение ограничено длиной волны света. Предел Аббе говорит, что наименьшее различимое расстояние примерно равно

d = λ ÷ (2 × NA)

где λ — длина волны света, а NA — числовая апертура линзы, то есть число, показывающее, сколько света собирает линза. Возьмём зелёный свет с λ ≈ 550 nm и очень хорошую линзу с NA ≈ 1,4: d ≈ 550 ÷ 2,8 ≈ 200 nm.

Итак, бактерия размером около 2 000 nm в десять раз больше предела, поэтому её хорошо видно. Вирус гриппа размером около 100 nm меньше предела. Световой микроскоп может показать его только как слабое размытое пятно — если вообще может его увидеть.

Электронные микроскопы используют балку электронов вместо света. Быстрые электроны ведут себя как волны с длинами волн, намного меньшими, чем у видимого света, поэтому лучшие приборы могут различать детали размером около нанометра и даже меньше. Первый электронный микроскоп создали в начале 1930-х годов. В 1939 году исследователи в Германии опубликовали электронные микрофотографии вируса табачной мозаики — одни из первых изображений вирусной частицы. (О вирусах знали как о «фильтрующихся агентах» ещё с 1890-х годов, потому что они проходили через фильтры, которые задерживали бактерии. До этого никто их не видел.)