人能够看到物体是因为物体发出或反射的光进入了人眼的缘故。透镜能够使光发生折射，继而让人看到放大、缩小或扭曲的像。利用透镜观察放大的物体可能有上千年的历史，16世纪末有人发现将两个凸透镜放在合适的位置能够将物体放大很多倍。17世纪时科学家制造出了真正意义的显微镜，并被用来观察细胞、微生物等。

光有波动性，遇到比较小的障碍物会发生明显的衍射。光经过一个很小的障碍物时可能会绕过它，即使被它反射后也容易扩大为一个光斑。当要观察的两个位置过于接近时，两个位置反射的光斑会有很大部分发生重叠，这样就看不清要观察的物体，这就是光学显微镜的衍射极限。一般而言光学显微镜的分辨极限为0.2微米，换算成放大倍数大约在2000倍附近。中学生物课上用到的显微镜就是光学显微镜，一般最多放大几百倍，即使超过了1000倍视野也会变得非常暗。一些电商宣扬他们的光学显微镜能够放大五千倍甚至数万倍，那种放大并不能提高分辨率，没有任何意义。

可见光的波长范围大约是390纳米至760纳米，波长越短衍射现象就越不明显。物质具有波动性，电子的波长要比可见光的波长小很多，用电子代替光制作的显微镜就是透射电子显微镜。随着技术的突破，透射电子显微镜的分辨能力也在逐步提高，目前分辨极限可达0.2纳米，到了原子直径的数量级。

扫描隧道显微镜可以用来观察及定位单个原子，其分辨率能够达到0.1纳米，能够将原子放大数亿倍。扫描隧道显微镜上有一个很尖的探针，探针的针尖尖到只有一个原子。当探针在样品表面扫描时，针尖和样品的电子云会发生重叠，此时在针尖和样品间加上一个电压就会有电子逸出，在针尖和样品间形成隧道电流。电流的大小与电压及针尖到样品的距离有关，样品表面原子的凹凸不平就能够通过电流反映出来，电流信息经过处理后即可将原子的形象展示出来。

原子内部是原子核和电子，深入到这个层面物质的波动性便非常明显。初中时学过的原子模型中，电子是绕着原子核转动，而实际上电子没有轨道的概念。甚至电子等粒子也没有形状的概念，科学家们测出的粒子的直径并非是真正的直径，而是它们直径的上限。科学上往往用电子云描述电子可能出现的位置，目前看一个粒子并不能像一个篮球那样有表面、边界这样的概念，目前并不能回答需要将粒子放大多少倍才能看到它，也没有显微镜能够将粒子放大后供人类观察。