很早以前，人們就知道某些光學裝置能夠“放大”物體。比如在《墨經》裏面就記載了能放大物體的凹面鏡。至於凸透鏡是什麽時候發明的，可能已經無法考證。凸透鏡——有的時候人們把它稱為“放大鏡”——能夠聚焦太陽光，也能讓妳看到放大後的物體，這是因為凸透鏡能夠把光線偏折。妳通過凸透鏡看到的其實是壹種幻覺，嚴格的說，叫做虛像。當物體發出的光通過凸透鏡的時候，光線會以特定的方式偏折。當我們看到那些光線的時候，或不自覺地認為它們仍然是沿筆直的路線傳播。結果，物體就會看上去比原來大。
單個凸透鏡能夠把物體放大幾十倍，這遠遠不足以讓我們看清某些物體的細節。公元13世紀，出現了為視力不濟的人準備的眼鏡——壹種玻璃制造的透鏡片。隨著籠罩歐洲壹千年的黑暗消失，各種新的發明紛紛湧現出來，顯微鏡（microscope）就是其中的壹個。大約在16世紀末，荷蘭的眼鏡商詹森（Zaccharias Janssen）和他的兒子把幾塊鏡片放進了壹個圓筒中，結果發現通過圓筒看到附近的物體出奇的大，這就是現在的顯微鏡和望遠鏡的前身。
1665年，英國科學家羅伯特?6?1胡克在用他的顯微鏡觀察軟木切片的時候，驚奇的發現其中存在著壹個壹個“單元”結構。胡克把它們稱作“細胞”。不過，詹森時代的復合式顯微鏡並沒有真正顯示出它的威力，它們的放大倍數低得可憐。荷蘭人安東尼?6?1馮?6?1列文虎克（Anthony Von Leeuwenhoek ，1632-1723)制造的顯微鏡讓人們大開眼界。列文虎克自幼學習磨制眼鏡片的技術，熱衷於制造顯微鏡。他制造的顯微鏡其實就是壹片凸透鏡，而不是復合式顯微鏡。不過，由於他的技藝精湛，磨制的單片顯微鏡的放大倍數將近300倍，超過了以往任何壹種顯微鏡。
當列文虎克把他的顯微鏡對準壹滴雨水的時候，他驚奇的發現了其中令人驚嘆的小小世界：無數的微生物遊曳於其中。他把這個發現報告給了英國皇家學會，引起了壹陣轟動。人們有時候把列文虎克稱為“顯微鏡之父”，嚴格的說，這不太正確。列文虎克沒有發明第壹個復合式顯微鏡，他的成就是制造出了高質量的凸透鏡鏡頭。
在接下來的兩個世紀中，復合式顯微鏡得到了充分的完善，例如人們發明了能夠消除色差（當不同波長的光線通過透鏡的時候，它們折射的方向略有不同，這導致了成像質量的下降）和其他光學誤差的透鏡組。與19世紀的顯微鏡相比，現在我們使用的普通光學顯微鏡基本上沒有什麽改進。原因很簡單：光學顯微鏡已經達到了分辨率的極限。
如果僅僅在紙上畫圖，妳自然能夠“制造”出任意放大倍數的顯微鏡。但是光的波動性將毀掉妳完美的發明。即使消除掉透鏡形狀的缺陷，任何光學儀器仍然無法完美的成像。人們花了很長時間才發現，光在通過顯微鏡的時候要發生衍射——簡單的說，物體上的壹個點在成像的時候不會是壹個點，而是壹個衍射光斑。如果兩個衍射光斑靠得太近，妳就沒法把它們分辨開來。顯微鏡的放大倍數再高也無濟於事了。對於使用可見光作為光源的顯微鏡，它的分辨率極限是0.2微米。任何小於0.2微米的結構都沒法識別出來。
提高顯微鏡分辨率的途徑之壹就是設法減小光的波長，或者，用電子束來代替光。根據德布羅意的物質波理論，運動的電子具有波動性，而且速度越快，它的“波長”就越短。如果能把電子的速度加到足夠高，並且匯聚它，就有可能用來放大物體。
1938年，德國工程師Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上第壹臺透射電子顯微鏡（TEM）。1952年，英國工程師Charles Oatley制造出了第壹臺掃描電子顯微鏡（SEM）。電子顯微鏡是20世紀最重要的發明之壹。由於電子的速度可以加到很高，電子顯微鏡的分辨率可以達到納米級（10-9m）。很多在可見光下看不見的物體——例如病毒——在電子顯微鏡下現出了原形。
用電子代替光，這或許是壹個反常規的主意。但是還有更令人吃驚的。1983年，IBM公司蘇黎世實驗室的兩位科學家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發明了所謂的掃描隧道顯微鏡（STM）。這種顯微鏡比電子顯微鏡更激進，它完全失去了傳統顯微鏡的概念。
很顯然，妳不能直接“看到”原子。因為原子與宏觀物質不同，它不是光滑的、滴溜亂轉的削球，更不是達?6?1芬奇繪畫時候所用的模型。掃描隧道顯微鏡依靠所謂的“隧道效應”工作。如果舍棄復雜的公式和術語，這個工作原理其實很容易理解。隧道掃描顯微鏡沒有鏡頭，它使用壹根探針。探針和物體之間加上電壓。如果探針距離物體表面很近——大約在納米級的距離上——隧道效應就會起作用。電子會穿過物體與探針之間的空隙，形成壹股微弱的電流。如果探針與物體的距離發生變化，這股電流也會相應的改變。這樣，通過測量電流我們就能知道物體表面的形狀，分辨率可以達到單個原子的級別。
因為這項奇妙的發明，Binnig和Rohrer獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。這壹年還有壹個人分享了諾貝爾物理學獎，那就是電子顯微鏡的發明者Ruska。
據說，幾百年前列文虎克把他制作顯微鏡的技術視為秘密。今天，顯微鏡——至少是光學顯微鏡——已經成了壹種非常普通的工具，讓我們了解這個小小的大千世界。