安东尼·范·列文虎克丨Wikimedia Commons
17世纪，荷兰商人安东尼·范·列文虎克用自制的显微镜，第一次观察到了单细胞生物，人类也从此打开了微生物学的大门。
列文虎克能发现前人从未见过的世界，是因为他的显微镜放大倍数，比同时代的对手们高出一个数量级。比如，现存放大倍数最高的一台列文虎克显微镜，能将物体放大266倍。
这个男人向世人说出了微观世界的秘密，但一问到他的显微镜里藏着怎样的镜片，用何种工艺制成，列文虎克便守口如瓶。外界一直对此十分好奇，就连最早用显微镜发现细胞的前辈罗伯特·胡克都不例外。
如今300多年过去，荷兰代尔夫特理工大学的科学家们终于从那台“266倍镜”里看出了镜片的样子，同时也替罗伯特·胡克感受到一丝微妙。
怎么跟说好的不一样？
从前，人们大多是利用X射线来观察列文虎克显微镜的内部，好像医院里拍片那样。
能放大物体266倍的列文虎克显微镜，藏于乌得勒支大学博物馆丨参考文献1
但列文虎克显微镜的孔径太小，不到1毫米，镜片只有很小一部分暴露在外，90%以上都被黄铜板覆盖。X射线不易穿透金属，就很难检测出里面的镜片是什么形状。
于是，代尔夫特理工大学的科学家们不用X射线，改用中子层析（Neutron Tomography）的办法。与X射线相比，中子束对大部分金属的穿透能力更强。中子不会因为原子核外电子的影响而严重衰减，而X射线里的光子更容易被电子吸收或散射。
发射中子束，科学家就可以在不破坏文物的情况下，看出现存放大倍数最高的那台列文虎克显微镜里面的样子了：
显微镜（266x）的中子层析成像，灰色为镜片所在，各角度看都是圆形，直径大约1.3毫米丨参考文献1
左为显微镜（266x）本体，右为3D重建之后丨参考文献1
搭载镜片的黄铜板很薄，且镶嵌镜片的位置是凹进的。这样，镜片前表面可以凸出于黄铜板，镜片也能离观察样本近一点，再近一点。科学家们相信，“近”是列文虎克设计中的重要考量。
当然，他们更关心的还是镜片形状。成像显示，不论从哪个方向看，镜片的截面都是圆形。也就是说，那是颗玻璃球。而从用显微镜观察物体时的视角（也就是图中XZ方向）看，还会发现一条玻璃线与玻璃球相连。
圆形连着一条短线丨参考文献1
但这样的结果，与学界先前的认知大相径庭。从前的一项主要研究认为，这台“266倍镜”搭载的镜片并非球状，而是球被压扁一些的样子（下图）。如今的成像结果却指向，它的镜片就是球状，加一条线。
1981年一项研究认为显微镜（266x）的镜片是如此得来：把玻璃管吹成灯泡的形状，再将末端鼓起的部分掰下来，得到的镜片比较扁丨参考文献1
而当科学家们对另一台中等放大倍数的列文虎克显微镜也做了成像，发现镜片倒是扁了许多，更像小扁豆的形状。
中等放大倍数（118x）显微镜的成像结果，镜片更扁丨参考文献1
小扁豆丨Medical News Today
研究团队的这项成果，发表在5月的一期Science Advances期刊上。
新的成像打破了旧有的认知，但也没有完全超出科学家的想象。因为，他们对那种一个球连着一条线的形状有印象。
怎么和胡克的方案很像？
1670年代，列文虎克把一滴池塘水放在显微镜下，发现里面竟有许许多多“微小的动物”游来游去。从此，他开始将自己观察各种样本所见的“微小动物”，写信描述给英国皇家学院。
列文虎克观察一滴水丨Google Doodle
今天我们知道，他看到的是微生物。但在时人眼中，信里描述的场景难以置信，加之列文虎克一直拒绝透露使用的是怎样的设备，质疑和嘲讽接踵而来。1676年，皇家学会对那些“微小动物”的真实性提出疑问。在列文虎克坚持下，皇家学会安排多位宗教界高层鉴定他的观察结果。
1677年，列文虎克的发现得到了认可。但显微镜内部的秘密，并没有因此解开。时任皇家学会秘书的罗伯特·胡克，也是首先用显微镜看到细胞的人，便对列文虎克的秘而不宣颇有怨言。哪怕不论政治，一项科学发现的透明性和可复现性，也是皇家学会看重的因素。
1678年，胡克索性自己发表了一种“超级简单”的方案：
把一根细玻璃棒放在火焰上，当它慢慢融化，末端便会卷成一个小球。把小球掰下来，留一个小把手，方便安装。
科学家重建的镜片形状丨Rijksmuseum Boerhaave
一个小球连着一根线。时隔三个多世纪的今天，科学家们终于发现，列文虎克那一台能够放大物体266倍的显微镜，镜片原来与胡克的“超级简单”方案十分吻合。
这个方案，其实是1665年胡克所著《显微图谱》（Micrographia）中介绍过的一种方法的变体。差别只在于那个小把手，书中曾经认为需要磨掉。而《显微图谱》风靡的年代，早于列文虎克制造显微镜的全部生涯。
《显微图谱》丨罗伯特·胡克
那么，“266倍镜”的制造很可能借鉴了胡克的方法，而非采用什么秘制工艺。这个发现让研究团队相信，列文虎克的保密行为是面向竞争对手有意为之。
1685年，锲而不舍的胡克把一位皇家学会会士送到荷兰代尔夫特，试图从列文虎克那里获取显微镜的一些细节，依旧无所得。如今科学家们也稍稍替胡克感到讽刺，因为他一直寻找的答案，可能早在自己心里。
但即便如此，也是列文虎克自身的技艺让胡克的方法发挥出了同时期里最大的效用。列文虎克显微镜的放大倍数，直到100多年后才被超越。
怎么也研究不完
原本，列文虎克是一位布料商人，希望能有一种工具让他把每根丝线看得更清晰，以判断品质的优劣。
而在游历英国并受到胡克《显微图谱》的启发后，列文虎克对显微技术的钻研便一发不可收拾。
他观察过各种各样的细胞，还会把它们画下来，比如1-4为兔子的精子，5-8为狗的精子丨安东尼·范·列文虎克
他一生中制造了超过400台显微镜，打磨镜片的技艺精湛，火工和吹制也得心应手。而除开那些常规操作，列文虎克可能还探索过一些外界看来不可思议的工具：有历史文件显示，他曾经用一颗鳕鱼卵作透镜，来观察周围事物的倒像。
只不过，400多台显微镜中只有11台存世，列文虎克本人对工艺的描述又微乎其微，于是外界对他的显微镜制造方法了解甚少，大部分信息仍待挖掘。
而科学家们也在论文里写到，列文虎克制造显微镜镜片时用的工艺，怎么研究都不会枯竭，因为没有哪一种工艺是可以被完全排除的。
日前，清华大学科学博物馆在珍品柜展出了列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek，1632—1723年）单式显微镜的复制品，此展品由荷兰莱顿的布尔哈夫博物馆复原团队手工打造，其长不足10厘米，宽仅有两三厘米，厚约1厘米。这件精致小巧的科学仪器激起了很多人的好奇心，观众对它的第一反应往往是：这怎么可能是显微镜？的确，与大多数观众在求学期间自然课或生物课上使用的复式显微镜相比，这个可在手中摩挲的小小铜板不免显得有些“特立独行”。
那么列文虎克的这种单式显微镜该如何使用，能把标本放大多少倍？其背后又有什么有趣的历史？
列文虎克与罗伯特·胡克
要谈列文虎克，就不能不提到与他同时代的大名鼎鼎的罗伯特·胡克（Robert Hooke，1635—1703年）。1662年，年轻的胡克担任了成立不久的英国皇家学会的实验管理员，他用改良的显微镜来观察各种东西，发现软木在显微镜下呈现出一个一个的腔室，类似于修道院的一个个居室，所以将其称为“修道院单人小室”（cell）。这就是为我们熟知的“细胞”。1858年，传教士韦廉臣（Alexander Williamson，1829—1890年）、艾约瑟（Joseph Edkins，1823—1905年）和数学家李善兰（1811—1882年）编译了《植物学》，其中的“聚胞体乃聚无数细胞为一体，诸细胞相黏合”被后人认为是英文的cell首次被译为中文的细胞。虽然在这之后的几十年，细胞一词并未成为通行的译法，cell还被译作珠、膛、小凹等，直到甲午战争之后，随着日译科技术语的引入，细胞才成为主流的用法，沿袭至今。
胡克使用的是复式显微镜，可将标本放大30多倍。他最初的发现于1665年——伦敦大瘟疫发生那年——被结集成《显微图谱》（Micrographia）一书，这成为皇家学会第一本产生广泛影响的著作。而比胡克年长3岁的列文虎克，年轻时是荷兰代尔夫特的一名布商。他没有接受过太多的教育，只会讲荷兰语，不懂英语和拉丁语。列文虎克1668年访问伦敦，很有可能是在这段时间，他接触到了胡克的《显微图谱》。或许是书中描绘的巨大的跳蚤插图触动了这位布商，他开始对显微镜感兴趣，待返回荷兰，他就研制起透镜，开启了持续半个多世纪的单式显微镜制造和观察生涯。
列文虎克制造的显微镜，如清华大学科学博物馆珍品柜展示的这件仪器一样，结构极其简单。一个极小的玻璃珠作为单透镜安装在黄铜板上的小孔中，标本放置在镜头前突出的尖点上，转动两个螺丝，就可调整位置和焦距。眼睛靠近透镜，就能观察到放大的标本。列文虎克的显微镜，最多可将标本放大至275倍，这也使得胡克一生都对列文虎克如何制作出这种透镜感到好奇和疑惑。
进入充满生机活力的新世界
通过朋友介绍，列文虎克从1673年开始给英国皇家学会写信，他的发现也逐渐公诸于世。直到1823年去世，列文虎克一直与英国皇家学会及其成员保持着密切通信，现在有约200多封信仍然保存在英国皇家学会。透过这些书信，我们可以看到列文虎克对他进入的新世界充满生机和活力的记录。
其中，1676年10月9日的一封信，留下了当年春天列文虎克连续观察了4天雨水后写下的一段话：“我判断，即使把一百个这些小动物撑开摆在一起，也不会超过一颗粗沙子的长度；如果这是真的，那么一百万个这些活物也不够一颗粗沙粒的体积。”这段文字中的“小动物”，就是我们现在熟知的细菌，这也是人类首次发现细菌。
在1683年的另一封信里，他写道：“在我的门牙和臼齿之间有一些东西嵌在里面，或者生长在那里……极为诧异的是，我总会看到在这些物质中有许多非常小的活着的微生物，动得非常可爱。看来世界充满了生命，数量比以前想象的要多得多。水滴里存在活物，人的牙缝里寄存的小颗粒也存在活物！”
他还对两位从未清洁过牙齿的老人做了重复观察，在取出的样本上发现了“一群令人难以置信的活体动物，它们游泳的速度比我迄今为止见过的任何动物都要灵活。”
随着一个又一个石破天惊的新发现——包括精子、血细胞的首次观察——从代尔夫特传到伦敦，列文虎克在显微镜制作和观察上的才华开始被欧洲认可，他在1680年被选为英国皇家学会的正式会员，他位于代尔夫特的家也成为名流贵胄，包括俄罗斯彼得大帝、英格兰的詹姆斯二世和普鲁士的腓特烈二世等的“打卡地”。
列文虎克像一位我们这个世界率先进入到新的未知世界的探险家，从人类熟知的日常尺度进入了无法想象的、梦幻般的微小尺度。从“异界”归来后，他充满喜悦地分享自己的所见，改变了人类对自然的认知。
1716年，84岁的列文虎克还在坚持用显微镜观察这个世界，在一封信中他这样写道：“我已经做了很长时间的工作，并不是为了获得我现在所享受的赞美，而是主要来自对知识的渴望，我注意到，我的这种渴望比他人更甚。因此，每当我发现任何非凡的事情时，我都认为我有责任将我的发现写在纸上，以便所有具有创造力的人都得以知道。”
居世界领先地位长达150年
直到19世纪30年代消色差显微镜镜头出现，列文虎克的镜头才被超越，也就是说，他的显微镜性能在世界居于领先地位长达150年。
列文虎克在世时，他的同代人，包括胡克，就对他如何制造出如此高倍率的透镜产生了浓厚兴趣，但列文虎克对他制作透镜的方法严格保密，甚至在客人参观时也只让他们看中等质量的显微镜。1745年，随着列文虎克女儿玛丽亚的去世，他的大部分显微镜在1747年举办的一场拍卖会上被抢购一空。
这些珍贵的显微镜可谓命运多舛，科学史家研究认为，列文虎克制作的显微镜的总数达559件——这意味着在他50年的显微镜制作和标本观察生涯中，平均每个月制作一个，由此也可一窥列文虎克的勤奋。根据拍卖记录，买家似乎以代尔夫特当地居民为主，有公证人、医生、外科医生、地方法官、铜匠，但也有至少三分之一的拍品是匿名人士通过给中间人佣金的方式购买的。不过，可预见的是，大多数新主人利用显微镜观察标本的能力根本无法与列文虎克相提并论。在失望之余，这些小巧的显微镜被搁置一旁，最终导致了大量丢失——目前全世界只有约10件原件幸存。
由于列文虎克生前对透镜制作方法的严格保密，目前留存的显微镜原件又极为珍贵，不便拆开显微镜直接观察内部构造，因此在破解列文虎克如何制作出高倍率透镜之谜上，科学史家一直束手无策。2021年，荷兰莱顿的研究人员利用中子断层扫描技术对列文虎克的两个显微镜做了无损检测，揭示了透镜的完整结构，其中一个中倍率的透镜呈扁豆状，另一个高倍率的透镜则为带杆的球形玻璃珠，这表明，列文虎克使用的其实是胡克1678年公布的透镜制作方法。他对外保密自己的制作方法，可能也有这方面的考虑。
列文虎克利用他制作的显微镜“打开了新世界的大门”，如今各个领域的科学家还继续在这个新世界开疆拓土，不断突破所能观测的极限。有鉴于此，清华大学科学博物馆计划与哈佛大学历史科学仪器收藏馆（CHSI）合作，举办以历史上的显微镜为主题的线上展览，从列文虎克的单式显微镜到现代的最新式显微镜，相约一场尺度不断延伸的新世界之旅。
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