人縮小到微觀尺寸之後，能正常看東西嗎？能看清微觀的事物嗎？

翻譯：山寺小沙彌

審校：Alex Yuan

在60年代科幻影片《神奇旅程》中，潛艇船員身體縮小後被注入受傷的科學家體內，能夠看清人體內的白細胞。我們都知道這種科幻電影從科學的角度來說往往是相當粗糙，但類似的畫面卻的的確確在我們的想像中出現過。那麼問題來了：如果我們真的具備這種能力，能將人體等比例地縮小而不影響任何器官的功能，我們真的能夠看清縮小之前肉眼所看不見的事物嗎？人在變小之後真的能獲得類似顯微鏡的能力嗎？

1966年的《神奇旅程》

事實上，如果人真的縮小了的話，絕大多數情況下是不能看清東西的。

這個問題可以表述為：如果整個人的身體構造按比例縮小，使得微小的東西比人大，那麼它們對於人類的微小眼球看起來很大，這是不是意味著原本微觀的東西變成宏觀了？

人縮小到和樂高積木尺寸相當，看到的是不是上圖的景象呢？

答案是肯定的：一般來說，隨著眼睛的縮小，世界確實看起來更大。但是大部分情況並非這麼簡單：當眼睛變得越小時，世界看起來就越暗，如果人縮小到小於大約1/10000的大小，那麼人類的眼睛在可見光範圍下將無法正常工作。

同種材料、尺寸不同的透鏡，尺寸小的視野範圍變窄，「攝入」的光線也會變少

光與透鏡相互作用的方式由透鏡的材料和幾何形狀決定。假設人的小眼睛與其縮小前的眼睛是一樣的形狀和材料（這個假設是合理的），那麼小眼睛的工作原理也不會發生改變。 如果人類面前有一個和其尺寸相當的細胞或者樂高積木，它應該能夠看到更小的細節（與縮小前對比），這時候人類只要圍繞事物轉一圈就能知曉它的全貌。

這裡存在一個問題，光從微小的東西反射之後進入眼裡，或者說小眼睛對光的「攝入量」大大降低，所以小眼睛看到的將是一片漆黑。顯微鏡之所以有燈泡，就是為了解決這個問題。假設人類縮小x倍，（例如縮小x倍並注入到Benes博士的血液中），那麼其周圍環境的亮度約為原先的x-2，周圍的一切似乎都要大x倍，但光線會變暗x-2倍。

眼睛變小，看到的環境會變暗

所以，如果你從1米多高變成幾毫米高（收縮了1000倍），那麼你周圍世界的亮度將變成原來的百萬分之一（降低至原來的10-6），中午太陽的亮度將如縮小前所見到的滿月時的亮度那般。

在《神奇旅程》中，船被縮小107倍，因此如果想獲得和原來一樣的視覺效果，周圍環境的光強度將是原來的1014。 如果人處在光強如此高的環境下，那麼他將來不及看清周圍事物的時候，因為他已經被烤熟了。

更糟糕的是，我們還得考慮光的衍射。當人眼的尺寸與光的波長相當時，光開始體現其波動性，它能繞過與其尺寸相當的障礙物繼續向前傳播。在微米量級的眼球中，可見光並不是沿直線傳播，相反，它會隨意「濺射」到人的視網膜上。當人的眼球縮小至衍射現象明顯的尺寸時（假設此時有足夠的光線），人所看到的世界將是模糊的。可見光具有大約半微米的波長，我們的瞳孔大約為2至5毫米，大約為一萬倍。所以，如果你縮小了大約一萬倍，那麼你的眼睛將不再有效地聚焦入射光，並將其投影成有用的圖像，此時眼睛攝入的光將來自四面八方，而不是直線進入眼中。

左圖是激光經過大孔徑之後的圖像，右邊是經過小孔徑之後的圖像，因此我們不得不考慮衍射現象

白細胞大小約10μm，約為可見光波長的20倍。當人的尺寸縮小到一定程度，比如他看到的白細胞大小猶如未變小之前看到的高爾夫球那樣大小的時候，衍射現象開始變得明顯，當看到的白細胞大小和自己的腦袋差不多時，人類也差不多「失明」了。

儘管困難重重，微米尺寸的眼睛確實存在。但是由於上述因素，他們幾乎沒有什麼用。幸運的是，最小的眼睛屬於單細胞生物，但他們容易被人類忽視。集胞藻是藍細菌（通過光合作用提供能量），身長約3微米，它把整個身體當作眼球。光照射到該生物時，光線能在其表面中更好地聚焦成像。這並不是難以發展的高大上技術。集胞藻的眼睛可以成像，但是像卻僅僅是一個光斑，它能藉助這些光斑游向太陽（或任何其他明亮的光源），它是一種十分依賴光的微生物。由於衍射極限，這個略微稍微明亮的區域是唯一的圖像，最小的可能眼球可以被製造出來，但我們不應該期望找到更小的眼睛。

集胞藻，具有微米級尺寸的眼睛

編輯：Alex Yuan