มองเห็นสิ่งที่มองไม่เห็น

ในช่วงทศวรรษ 1670 พ่อค้าผ้าชาวดัตช์ Antonie van Leeuwenhoek เจียระไนเลนส์แก้วขนาดเล็ก แล้วนำไปส่องดูน้ำในบ่อ เศษที่ขูดจากฟัน และน้ำฝน เขามองเห็น "สัตว์ตัวจิ๋ว" ที่ไม่มีใครเคยรู้ว่ามีอยู่ กล้องจุลทรรศน์เลนส์เดี่ยวของเขาขยายภาพได้มากถึงประมาณ 270 เท่า กล้องจุลทรรศน์สำหรับโรงเรียนสมัยใหม่ขยายภาพได้ 1,000 เท่า แต่มีข้อควรรู้คือ การขยายที่มากขึ้นไม่ได้หมายความว่าภาพจะชัดขึ้นเสมอไป

กำลังขยายทำให้ภาพมีขนาดใหญ่ขึ้น ความละเอียด คือระยะห่างที่น้อยที่สุดระหว่างจุดสองจุด ซึ่งเรายังมองเห็นเป็นจุดสองจุดได้ หากความละเอียดไม่ดี การขยายเพิ่มก็แค่ทำให้ภาพเบลอใหญ่ขึ้นเท่านั้น เราเรียกสิ่งนี้ว่า การขยายเปล่า

สำหรับกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ความละเอียดถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของแสง ลิมิตของ Abbe บอกว่าระยะทางที่เล็กที่สุดซึ่งยังแยกออกจากกันได้มีค่าประมาณ

d = λ ÷ (2 × NA)

โดย λ คือความยาวคลื่นของแสง และ NA คือรูรับแสงเชิงตัวเลขของเลนส์ ซึ่งเป็นจำนวนที่บอกว่าเลนส์รวบรวมแสงได้มากแค่ไหน ลองใช้แสงสีเขียวที่มี λ ≈ 550 nm และเลนส์คุณภาพดีมากที่มี NA ≈ 1.4: d ≈ 550 ÷ 2.8 ≈ 200 nm

ดังนั้น แบคทีเรียที่มีขนาดประมาณ 2,000 nm จึงใหญ่กว่าลิมิตสิบเท่าและมองเห็นได้ชัดเจน ไวรัสไข้หวัดใหญ่ที่มีขนาดประมาณ 100 nm มีขนาดเล็กกว่าลิมิต กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงจึงมองเห็นได้เพียงเป็นภาพเบลอจาง ๆ หากจะมองเห็นได้เลย

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนใช้คานอิเล็กตรอนแทนแสง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้มาก จึงแยกรายละเอียดขนาดประมาณหนึ่งนาโนเมตรหรือเล็กกว่านั้นได้ในเครื่องมือที่ดีที่สุด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเครื่องแรกสร้างขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1930 ใน 1939 นักวิจัยในเยอรมนีตีพิมพ์ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของ ไวรัสโมเสกยาสูบ ซึ่งเป็นภาพแรก ๆ ของอนุภาคไวรัส (ผู้คนรู้จักไวรัสในชื่อ "สารที่กรองผ่านได้" มาตั้งแต่ทศวรรษ 1890 เพราะไวรัสผ่านตัวกรองที่กักแบคทีเรียไว้ได้ แต่ยังไม่มีใครเคยมองเห็นไวรัสจนถึงตอนนั้น)