关于这个问题,最常见的回答是:“因为它可以按照一定的方式改变光的路线,就像物理教科讲的那样。”这个答案虽然说明了原因,但并没有把事情的本质说清楚。显微镜和望远镜到底为什么能够放大物体呢?
我不是从教科知道其中的原因的,而是通过偶然发现的一个有趣的现象而理解的。当时,我还是个小学生。那天,我坐在关着的玻璃窗旁边,正无聊地看着对面胡同里一所房屋的墙。突然我吓坏了:墙上出现一个好几米宽的人眼,也在看着我……那时,我还没读过爱伦·坡的故事,所以我不知道那个大眼睛只是我自己的眼睛在窗玻璃上的影像,我以为它是在很远的墙上,所以觉得它特别大。
当我明白是怎么回事儿之后,就开始琢磨能不能利用这种错觉来制造显微镜。后来我的实验失败了。这时,我才明白原来显微镜放大的本质不在于它可以使物体的尺寸看起来变大了,而是让观察者能够在更大的视角里看物体。也就是物体成像能够在我们的视网膜上占据较大的位置,这一点才是关键。
为了更容易地理解视角在这里的重要作用,首先,我们来了解一下眼睛的一个重要特点:如果我们在小于1分的视角里看一个物体或它的一部分,对正常的眼睛而言,物体就会聚成一点,我们根本看不清它的形状和各个部分。如果物体离我们太远,或者物体本身太小,导致在我们的视角里,整个物体或者其中的一部分小于1分,我们就看不清它的任何细节了。因为在这样小的视角里,物体的整体或者任何部分在视网膜上的成像,只能落在一个感觉细胞上,根本无法接触到更多的神经末梢。在我们看来,物体的形状和结构细节都消失了,就只能看到一个点了。
显微镜和望远镜的根本作用在于能够改变物体光线的路线,让我们在比较大的视角里看到它们。这时,物体的像就能接触到视网膜里的更多末梢神经,我们就能看到物体的细节了(图)。
图 透镜将放大了的物像投射到我们视网膜上。
“显微镜或望远镜能放大100倍”——这句话的真实意思是:我们利用仪器看东西的视角是肉眼看时的100倍。即使我们总是说看到物体被放大了,但光学仪器如果不能把视角放大,它就是无法物体放大的。我觉得砖墙上的眼睛很大,但我其实是无法做到像照镜子一样清晰地看到很多细节的。就像我们会觉得月亮在地平线附近比在半空中时要大,但即使是更大的月亮,我们能看到更多细节吗?
再说说爱伦·坡描写的“飞蛾”。现在,我们可以确定:虽然这只天蛾的像被放得这么大,我们也看不出任何细节。不管天蛾是在很远的树林里,还是在近处的窗台上,我们看它的视角都没有变。所以无论这个像有多大,只要视角相同,我们就无法从中分辨出任何细节。爱伦·坡是一个真正的作家,他在写故事的时候也没有偏离自然。他所描写的天蛾的那些肢体,不管是“闪着光泽的金属片”,还是“两个笔直的大角”,或是“长着绒毛的触角,像野猪的牙一样”,这些都是我们平时肉眼能够看到的东西。至于那些肉眼无法分辨的东西,他一点儿都没有提到。
如果显微镜的作用只是放大我们的视角,那它对科学的价值就不大了,充其量只能是个有趣的玩具。可众所周知,显微镜让我们进入一个肉眼完全无法观察的世界!虽然我们有敏锐的目光,但能力还是有限的,有太多微小的生物即使就在我们眼前,我们也看不到。
俄罗斯的科学家莱蒙诺索夫在他在著作《谈玻璃的用处》中这样写道:
就在“我们的时代”,显微镜向人类展示了一个肉眼看不到的微小生物世界。这些生命体的躯干、关节、心脏、血管,还有神经,是那么细小!与大海里的巨鲸相比,一个小蠕虫构造的复杂程度也并不逊色……显微镜能看到的微粒和细小血管真是数不胜数。
显微镜不仅可以放大被观察的物体,还能让我们在一个更大的视角里观察物体。放大了的物体成像出现在视网膜上,作用于众多神经末梢上,我们的眼睛就能接收到更多单独的视觉印象。简单来说,显微镜并不是放大物体,而是放大了物体在视网膜上的成像。