創業難?揭秘100多年前科學家成功創業的故事
2018年07月31日10:00

  德國耶拿,這是一座被稱為“光學之城”的城市,是一個被顯微鏡影響的城市,是一座被一個企業和一所大學影響的城市。在這裏,有一個你“見所未見”的故事,它的名字叫做“科學家創業”。

  光學顯微鏡開創的現代生物學

  第一台光學顯微鏡在16世紀晚期被發明出來。一個說法是荷蘭的一位眼鏡商人發現兩個凸透鏡放到一個鏡筒中可以放大物體,之後人們開始主動利用這個功能。隨後人們可以用放大功能來重新觀察觀察這個世界。

  在那個時代,隨便看看樹葉小草也是個重量級的大發現,比如大名鼎鼎的羅伯特?胡克(Robert Hooke)就是在1665年用顯微鏡看紅酒瓶的軟木塞時候發現“軟木塞上怎麼都是一個一個像蜂房一樣的小室,好吧,叫它“細胞(cell,來自拉丁語cella,意思為小房間)”好了。

一藝術家對羅伯特・胡克的印象畫。圖片來源:wikipedia
一藝術家對羅伯特・胡克的印象畫。圖片來源:wikipedia

  生物學從此走出了簡單的收集、整理和歸類,而走向了微觀的世界。

  另外一個叫列文・胡克是個荷蘭人。列文・虎克最喜歡做的事情是……磨鏡片,他磨出的鏡片製造的顯微鏡,放大能力遠遠超過了當時世界上所有的顯微鏡。

  羅伯特・胡克出版了一本書《顯微術》,列文・胡克看了這本書,覺得“哇塞,真牛逼。”於是在自己磨出的顯微鏡下觀察。羅伯特・胡克看到了軟木塞上死掉的細胞,而列文・胡克觀察了雨滴,然後是河水、井水、海水、辣椒水、薑水、丁香水、肉荳蔻水……他看到了無數小的,活的,微生物,“即使我說辣椒水錶面取出的一小滴水中有十萬小動物,也絕非誇大。”這一下,列文・胡克把人類帶進了微生物學的世界。

  顯微鏡就這樣打開了人們的視野,現代生物學及微生物學皆因光學顯微鏡而誕生,光學顯微鏡也成為生命科學中必不可少的工具。

單筒和雙筒顯微鏡,毋庸置疑的奢侈品和科研設備,如今的博物館藏品!
單筒和雙筒顯微鏡,毋庸置疑的奢侈品和科研設備,如今的博物館藏品!

  科學家創業的故事

  19世紀中期,當時的顯微鏡生產就像今天的智能機器一樣高科技和時尚。卡爾・蔡司是一位受過訓練的機械師,他在德國威瑪起家開始生產顯微鏡。這是一個非常聰明的學徒,除了師從一位博士學習技藝之外,他還在耶拿大學去旁聽各種課程。

  1846年,蔡司在耶拿開辦了一個小小的工作坊。最早的作坊里,蔡司親自設計、製作、改進不同的儀器。1861年,憑藉出色的設計,蔡司的顯微鏡在圖根州工業展覽會上獲得金牌,這些顯微鏡被認為是當時最好的科學儀器。

蔡司公司檔案館珍藏的蔡司先生親自設計的顯微鏡圖稿。
蔡司公司檔案館珍藏的蔡司先生親自設計的顯微鏡圖稿。

  當時,製作顯微鏡普遍採用的方法是“試錯法”,就是通過更換鏡片,然後改變鏡片間距,直到達成可用的光學系統。這種方法低效而且結果很不確定。在製造顯微鏡的過程中,蔡司和很多工人都觀察到,累加鏡片可以增加放大倍數,但隨著鏡片的增長,放大細節的能力卻不會增加了。

  1866年,蔡司選擇了一位特別的員工來幫助他提升生產工藝,他邀請到了耶拿大學的物理學家恩斯特・阿貝(Ernst Abbe)來合作。他們精心研發了六年,直到1872年,蔡司終於推出一款光學性能超越所有同行產品的顯微鏡,科學家和醫師們對蔡司顯微鏡推崇備至。

  1875 年阿貝成為蔡司公司的股東。

  雖然蔡司和阿貝成功地製造了出眾的顯微鏡,但他們對當時生產顯微鏡的玻璃還不夠滿意。第三位大牛的加入解決了這個問題。一位來自德國維滕的化學家奧托・肖特 (Otto Schott)發明了一種玻璃工藝,可以生產一種具有全新光學特性的鋰玻璃。

  1879 年肖特送了一份這種玻璃的樣品給阿貝,此舉開啟了另外一段佳話:這種玻璃能夠完美的地表現阿貝對於光學系統的需求。

  1884蔡司、阿貝與肖特共同創立“玻璃技術實驗室”,而後在此基礎上創立了“耶拿玻璃廠”,耶拿玻璃廠開發了各種新型的光學玻璃。這些 “耶拿玻璃”,使得蔡司的顯微鏡如虎添翼,從而有更為強大的功能和更廣泛的產品組合。

光學製品早期就這麼深入百姓生活啦!
光學製品早期就這麼深入百姓生活啦!

  從此,三位大牛強強聯手,科學創業的故事獲得了卓著的成功。

  這個故事的後續是這樣的:蔡司先生在1888年底去世,他在遺囑中將股權轉移給兒子洛迪里克,洛迪里克將股權出售給了阿貝。1889年,阿貝成立了一個基金會,將自己的股份和資產全部轉在基金會名下,並將這個基金會命名為卡爾・蔡司基金會(阿貝有機會以自己的名字命名這個基金會啊!)。1891年,耶拿玻璃廠也成為基金會的企業。至今,卡爾・ 蔡司基金會仍然是蔡司公司和肖特公司的獨家產權所有人。

  這才真是科學家創業和偉大友誼的典範啊!

  阿貝將基金會的管理製度化,他明確規定:蔡司要永久專注於科研與創新,基金會的資金被用來建立大學,支援科學家和科研項目,而企業利潤的大部分要被用於改進的產品和創造新產品。由此,蔡司能夠將大量資源投入在基礎性和前瞻性的研發與創新上,而不僅僅囿於短期的利益。

  同時,蔡司的員工也可以享受專業的技術培訓和完善的福利待遇――蔡司早在1870年代,就開始逐步建立完善的員工福利計劃,比如每天工作8小時,為員工建立完備的健康保險和帶薪假期,這些幾乎都是現代公司史上的第一次。像因為大型企業而興起的城市一樣,這種企業文化的自豪感,通過員工的家庭而滲透到整個社區,從而影響了城市。

  這才真是科學家創業回饋科學與社會的典範啊!

蔡司檔案館的館長大人在展示蔡司先生當年的顯微鏡交易記錄,那些訂單客戶,大都是當年最傑出的科學家。蔡司先生的賬本,都是漂亮的花樣手寫體,簡直優雅到不行!
蔡司檔案館的館長大人在展示蔡司先生當年的顯微鏡交易記錄,那些訂單客戶,大都是當年最傑出的科學家。蔡司先生的賬本,都是漂亮的花樣手寫體,簡直優雅到不行!
蔡司第一代天象投影系統。今天在蔡司博物館和耶拿城中,都可以看到這個設計感十足的天象儀,這個天象儀也成為耶拿城市形象的一部分。
蔡司第一代天象投影系統。今天在蔡司博物館和耶拿城中,都可以看到這個設計感十足的天象儀,這個天象儀也成為耶拿城市形象的一部分。

  一個厲害的公式

  極少會有一個物理學公式,會在一個博物館和一個城市中反復出現。然而在耶拿城里,這個公式就出現在好幾個博物館和耶拿大學中。

  這個公式也被寫到阿貝本人的墓碑上,在今天耶拿大學城里可以看到。耶拿大學也是一個傳奇,這一溜走過來,萊布尼茨這樣的大牛,名字赫赫在列,就更別說歌德、謝林、黑格爾、康德,馬克思這些影響了世界的大哲們了。

耶拿大學城里寫到阿貝墓碑上的物理公式。
耶拿大學城里寫到阿貝墓碑上的物理公式。

  這個公式到底是個什麼?還得說回顯微鏡。

  隨著人們越看越小,人們不禁會問,到底能看多小?光學顯微鏡能看到的極限,到底在哪裡?“能看多小”換成比較科學的說法就是“解像度有多高”。解像度,嚴格講是光學解像度,簡單來說就是成像系統能看到的細節的能力,或者說是成像系統能區分的兩點之間的最小距離。

  解決這一問題,正是阿貝。

  作為一個物理學家,阿貝在1873年發表了他最重要的公式。這個公式里,阿貝明確指出,可見光的理論解像度和光的波長成反比,和光學器件的數值孔徑成正比。這一公式也奠定了此後人類所有高性能光學顯微鏡的基礎,也指出了傳統光學顯微鏡的解像度會有一個物理極限。

  為什麼會這樣呢?回想下我們高中物理曾經學過的單縫衍射實驗:

  當一束光經過一條狹縫,在中間亮條紋的兩側會出現一系列明暗交替的條紋。這是因為光作為電磁波,它被狹縫限製時會發生衍射,從而偏離直線傳播。

單縫衍射強度分佈圖。圖片來源:wikipedia
單縫衍射強度分佈圖。圖片來源:wikipedia

  如果光經過的不是一條狹縫,而是一個圓孔,那麼圓孔就會在各個方向上限製光的傳播,從而光在各個方向上發生衍射而形成圓孔的衍射圖樣,這就叫做“愛里斑”(Airy Disk)――中心有一個比較大的亮斑,外圍有一些明暗交替的光環。

紅色激光的圓孔衍射圖樣。圖片來源:wikipedia
紅色激光的圓孔衍射圖樣。圖片來源:wikipedia

  同樣的道理,由於衍射的存在,成像系統無法把光線彙聚成無限小的點,而只會在像平面上形成有限大小的愛里斑。通過任何光學儀器成像的過程,都可以認為是把物平面上的無數微小的點轉換成愛里斑,然後再把它們疊加起來呈現在像平面上。這樣的結果是,任何成像系統所得到的像無法精確地描述物體的所有細節。

  如何在平面上呈現更多精細的細節呢?

  假如物平面上有兩個點,通過一個光學成像系統後產生兩個愛里斑。當這兩個點離得較遠時,像平面上的愛里斑也會離得較遠――此時我們可以輕鬆分辨出物平面上有兩個點。如果把兩個點逐漸移近,愛里斑也會隨之接近。當它們接近到一個圓斑中心與另一個圓斑邊緣重合的時候,我們達到能夠分辨出有兩個點的極限(這就叫“瑞利判據”)。如果這兩個點更接近,像平面上的兩個愛里斑就幾乎重合在一起,成為一個圓斑,那物平面上的兩個點就不可分辨了。

  因此,愛里斑的直徑就給出了理想光學系統的最高解像度;在光學顯微鏡中,這個數值大概是光波波長的小一半,0.2微米或200納米。

  不可突破,卻可繞

  很長時間以來,人們都認為光學顯微技術無法突破阿貝公式的這個極限。直到法國物理學家德布羅依在1924年發現了著名的“物質波”

法國物理學家德布羅依。
法國物理學家德布羅依。

  物質波是說,不僅微觀粒子具有波粒二象性,物質皆有!這個思路很快就被人利用在顯微鏡的原理上――如果不用光波觀察物體,而是換成極細小的物質波長,那麼衍射極限就能降到原子尺寸的級別,這真是一個厲害的思路。

  然而,在當時人們所熟知的微觀粒子世界,可選的餘地並不大:質子和氦核的質量都很大,雖然他們的物質波長都極短,但把它們加速到一個能用於成像的速度需要極大的能量,顯然不合適;中子不電不磁,但到現在人們也還沒有掌握有效的操控它的方法。這樣一來,也就電子可選了。而且電子也的確是很合適,電子幾乎沒有質量,來源廣泛,可以用電場加速,還可以用磁場控製,實在是物質波顯微技術最佳光源。

  1931年,德國物理學家恩斯特・魯斯卡研製出了第一台電子顯微鏡,一方面證明了物質波理論的正確性,另一方面,又一次重新開啟了人類對於探索微觀世界的大門!

德國物理學家恩斯特・魯斯卡。
德國物理學家恩斯特・魯斯卡。

  電子顯微鏡的解像度能達到0.2納米,不過事實上,電子顯微鏡也是遵循衍射規律的。不同的是電子波長比光波短1000倍,從而解像度更高。然而,電子顯微鏡有一個很明顯的缺點,它很難用於活的生物樣品的觀察。

  顯微鏡對於解像度的追求,這樣就到盡頭了嗎?

  艾力克・貝齊格(Eric Betzig)、斯特凡・W・赫爾(Stefan W。 Hell)和W・E・莫納(W。 E。 Moerner)三位大牛,成功的越過的阿貝公式的極限,對於發展超解像度螢光顯微鏡做出的卓越貢獻。

  他們的突破性工作使光學顯微技術進入了納米尺度,從而使科學家們能夠觀察到活細胞中不同分子在納米尺度上的運動。由此,三位大牛,獲得了2014年諾貝爾化學獎!

  獲獎並不是科學家做研究的主要目的,更重要的是,顯微鏡的發展,使得今天的科學家們能夠從最微小的分子細節來研究活細胞,比如腦部神經細胞間的突觸是如何形成的,比如帕金森症、阿爾茲海默症和亨丁頓舞蹈症相關的蛋白聚集過程,比如受精卵分裂形成胚胎時不同蛋白質的形成過程,這些都無疑將推動人類從分子水平理解生命科學中的現象與機理。

  簡直牛炸!

  來源:我是科學家iScientist

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