中国有句古话：耳听为虚，眼见为实。意思是：听到的不足信，亲眼看到的才真实可靠。这句话用于日常生活中人对外界信息的感知，没有问题，但是用在科学领域，则不能成立。本文即便属科普性质，也有一些量子物理、相对论、电磁学、天体物理、电子技术、通讯技术、测试技术的专业术语，因此重点和通俗解释部分已经涂黑，以方便大家理解。
我们是通过双眼看世界的，其范围很广，涵盖了生活中的一切事物，包括人、日常生活品、建筑、高山、大海……小到一颗针、头发丝，大到太阳、银河，都是我们肉眼可见的。
提一个问题，我们为什么能看见外部物体？很多人都会说，那是因为光线在物体上的反射和折射，光线中的光子进入了我们的眼睛，刺激了视觉神经并经过大脑处理后，在我们的脑中成像。人眼类似于5.76亿像素的超级照相机，其水平大于视角120°，垂直视角大于60°。
光学显微镜能将物像放大1000倍
其实人眼可以看见物体的范围是非常有限的，比如原子的直径大小约为10^−10米，人眼所能看到的最小尺寸大约是头发丝粗细，一般在0.1毫米左右。可是最好的光学显微镜放大倍数也只有1000倍，怎么才能看到原子在材料中的分布和排列的呢？科学家就发明了用于观察和定位原子的扫描隧道显微镜（STM），其工作原理是基于量子隧穿原理，放大倍数约3亿倍。通过扫描隧道显微镜，人类可以观察到原子。
扫描隧道显微镜原理，黄色的为探针，紫色的为被检测的原子
而原子以下的质子、中子、电子、质子中子内部的夸克，我们目前还不能通过显微镜直接观察到，其检测原理如下：
1- 质子和中子是原子核的组成部分，它们本身是微观粒子，无法直接被肉眼观察到。然而，科学家通过使用高能粒子加速器和探测器等设备，可以间接地观察到它们的存在。通过粒子加速器，可以将高能粒子轰击物质，然后通过探测器来测量产生的粒子轨迹和能量沉积，从而推断出质子和中子的存在。此外，还可以使用中子和质子散射实验来研究它们的性质。总之，质子和中子是通过间接的实验手段来观察和研究的。这种检测方法可以打个比方：我们眼睛看不见远方海中某处的很小区域的海水，但是可以通过该区域的海水激起的浪花来判定它的存在。
大型粒子加速器和对撞机，可用于检测亚原子结构下的微观粒子
2-夸克的观测是通过高能物理实验设备进行的。科学家使用加速器将粒子加速到非常高的能量，然后让它们相互碰撞，以观察碰撞产生的粒子。通过分析碰撞产生的粒子轨迹、能量、动量等信息，科学家可以推断出参与碰撞的粒子的性质和特征，包括夸克的存在。由于夸克带有强子相互作用的特性，它们不能被直接观测到，因为它们会很快与其他粒子结合在一起形成稳定的粒子，例如质子或中子。因此，科学家通过间接的方式来推断夸克的存在，通过观察粒子碰撞产生的各种特征来解析夸克的性质。
威尔逊云室，可检测电子运动的轨迹
3-电子的发现比较早，1897年汤姆逊在实验中使用了一种新的技术，称为“威尔逊云室”。这种设备可以让阴极射线通过一个充满气体的空间，从而观察到它们的轨迹。他设计了一套设备，使水蒸气冷凝来形成云雾，用X射线照射云室时，云雾立即出现，这证明凝聚现象是以离子为中心出现的。1912年，威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备，使它成为研究射线的重要仪器，用这个云室拍摄了α粒子（即电子流）的图像。这种方法可以打个比方：因为太小太遥远的原因，我们看不见天上的飞鸟，但是通过高速摄像机长时间曝光，可以看见鸟飞过的轨迹，来确认鸟的存在；换句话说，就是我们看不见点，但是把点连成线我们就能观察到了。
光电倍增管原理图，用于间接检测光子
4-至于光子的检测可以使用灵敏的光电倍增管，可检测到单个光子。根据爱因斯坦光电效应，一个光子可以打出一个电子，这个电子在加速电场的加速下碰撞沿途碰到的气体原子，可以打出更多的电子，这些电子形成电流，再经放大电路放大就可以探测到代表光子的足够大的电流了。这种方法可以打个不太恰当的比方：你掉了一颗针在地上找不到了，你可以用磁铁和针的电磁力作用原理，将地上的针吸上来。
以上只举了几种例子来描述检测不可见的微观粒子，其实多数粒子的检测原理都是类似的，都是通过以上间接的方法得到粒子的特性。
传统的光学望远镜，能将图像放大200倍
不仅人眼可见物体的范围十分有限，而且人眼的感光有一定范围。在银河系有恒星2000-4000亿颗，人的肉眼只能看到6000多颗。人类肉眼看到的星空绝大多数都是恒星，可观测到的最远恒星是海山二，距离我们7500光年。即使依靠传统的光学天文望远镜，放大倍数也只能达到200倍，而且放大倍数越大，观察视野越小。
哈勃望远镜是光学望远镜，在大气层上方工作
著名的哈勃望远镜口径为2.4米，长度约16米，哈勃望远镜放大倍数1300倍，能看到93亿光年之外的恒星。它带有多种观测暗弱天体的仪器，在地面之上约640公里的轨道上环绕地球，由于它位于大气层之上，不像地面望远镜饱受大气湍流扰动的影响。但是，更远的天体和物质我们怎么观测？后面我们将介绍射电望远镜。
我们的眼睛因为受到生理结构的限制，还有很多看不见的事物，即使借助光学望远镜和显微镜，我们依然不能观察到。例如，我们常常说的“光”就是可见光，其实是一种电磁波，电磁波包括无线电波、兆赫辐射、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线，频率从3k~3E18Hz。而人类的眼睛可以感知的电磁波的频率仅仅在395~750THz之间，波长在760～400nm之间。
可见光是电磁波的一种，但是多数电磁波我们看不见
由此可见，我们的眼睛可以感知的光线只占全部光线（或称电磁波）的很小一部分。根据量子力学普朗克公式E=hv，E为波动能量，h为普朗克常数，v为波动频率，电磁波的频率越高则能量越大。比如我们熟悉的无线电波就是以kHz为单位，频率低而波长长，传播距离很长，能量小穿透力弱；X和γ射线就是以E18Hz为单位，频率高而波长短，传播距离短，能量高而穿透力强，X射线可以穿透人体用作医学检查人体器官，γ射线可用于医学手术切割病变部位。
那么人眼不能看见的电磁波和其它射线波怎么检测到呢？大致分以下三种方法：
1-信号较强的电磁波检测，我们用的电磁辐射检测仪、频谱分析仪等仪器。简单的说就是场效应管与电感线圈连接的电路感应电磁波后，生成模拟量电压或电流信号，经电路滤波放大后再通过A/D转换成数字信号，再通过处理器处理信号，在示波器上变化成波形从而被我们观察。
简易的电磁波检测原理图
举个例子，我们俩手机通话，首先我的手机将语音转化为电磁波发射出去，基站接收到手机发出的电磁波后会将电磁波转换为高频光脉冲，而这些光脉冲会传输到信号塔底部的基站收发台。在经过基站收发台处理后，便会将这些信号发送到你所在区域的基站中进行数据的转码处理。处理完后便会再次以电磁波的形式输到你朋友的手机里。
上述专业术语较多可能难于理解，简单的说就是我们的手机就是电磁波发射和接收装置，经过中间的基站处理就能通讯。
2-信号较弱的电磁波我们怎样才能检测到呢？比如来自宇宙中大约89%的宇宙射线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。这些原子核构成宇宙射线的99%。孤独的电子（像是β粒子，虽然来源仍不清楚），构成其余1%的绝大部分；γ射线和超高能中微子只占极小的一部分。这些射到达地球时信号已经十分微弱，因此我们必须使用射电望远镜来收集信号。
射电望远镜，中间焦点上突出的就是信号接收器
经典射电望远镜的基本原理是和光学反射望远镜相似，投射来的电磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦，因此，射电望远镜天线大多是抛物面。射电望远镜表面和一理想抛物面的均方误差率不大于λ/16～λ/10，该望远镜一般就能在波长大于λ的射电波段上有效地工作。对米波或长分米波观测，可以用金属网作镜面；而对厘米波和毫米波观测，则需用光滑精确的金属板（或镀膜）作镜面。从天体投射来并汇集到望远镜焦点的射电波，必须达到一定的功率电平，才能被接收机检测到。检测技术水平要求最弱的电平应达10 -20瓦。射频信号的功率首先在焦点处放大10～1000倍﹐并变换成较低频率（中频），然后用电缆将其传送至控制室，在那里再进一步放大﹑检波，最后以适于特定研究的方式进行记录、处理和显示。
中国天眼，世界上最大的射电望远镜
笔者旅游时有幸亲眼见识过“中国天眼”，也称为FAST，500米口径球面射电望远镜，位于贵州省黔南自治州境内。反射面相当于30个足球场的射电望远镜，灵敏度达到阿雷西博望远镜（世界第二大射电望远镜）的2.5倍以上，通过促动器和索网的主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波，反射面总面积为25万平方米。FAST的反射面由4450面平均边长11米的三角形（边缘部分为矩形）铝合金面板组成，每个面板又由100个小三角形面板拼接而成，通过2250根下拉索和2250个促动器实现面板的指向和主动变形，可以在观测方向上形成瞬时的抛物面汇聚电磁波，通过面板改正球差，实现望远镜的宽频带和全偏振功能。截至2023年，“中国天眼”FAST已发现800余颗新脉冲星。
上述相对专业的描述可能让大家不太好理解，翻译成最通俗的语言，FAST的球面反射单元就像凹面镜反射光线一样，将收集到的宇宙电磁波聚焦到中间一点，信号变强，并由接收器处理信号传输到控制系统，进而分析电磁波信号。
3-引力波的频率范围非常宽广，可以从极低频带延伸到高频区域。根据现有的技术，如LIGO探测器，我们可以探测到的引力波频率通常在10~10000赫兹之间，这被归类为高频引力波。然而，引力波的频率还可以更低，理论上可以达到0.01~1.0赫兹的低频区域。此外，还有研究指出引力波的频率可能高达10^23赫兹，这是对引力本身作为能量波的一种理论推断。
LIGO引力波探测器原理图
比如著名的LIGO引力波探测器，有一台双臂长度为4千米的探测器，使用的干涉仪是迈克耳逊干涉仪，其应用激光光束来测量两条相互垂直的干涉臂的长度差变化。在通常情况下，不同长度的干涉臂会对同样的引力波产生不同的响应，因此干涉仪很适于探测引力波。在每一种干涉仪里，通过激光光束来量度引力波所导致的变化，可以用数学公式来描述；换句话说，假设从激光器发射出的光束，在传播距离L之后，被反射镜反射回原点，其来回过程中若受到引力波影响，则行程所用时间将发生改变，这种时间变化可以用数学公式来坐定量描述。2016年，LIGO科学团队与VIRGO团队共同宣布，在2015年9月14日测量到在距离地球13亿光年处的两个黑洞合并所发射出的引力波信号。之后，又陆续探测到多次引力波事件。
美国LIGO引力波探测器实拍全景图
LIGO引力波探测器的原理简单说就是，探测器（比如射电望远镜）获得了极其微弱的引力波信号，将该信号沿着两条相互垂直的干涉臂传播，而激光信号在干涉臂的反射镜中折返跑，从被引力波信号衰减了的激光信号就可以反推出引力波信号。
以上只是列举了三种电磁波和射线的检测方式，其实具体的方法还有很多，但是原理大同小异。比如2019年天文学家首次拍摄到了超大质量黑洞的影像，这个黑洞被称为M87。它的质量是太阳的640亿倍，离我们地球5300万光年。为了拍摄到M87的影像，天文学家们运用了视界望远镜EHT和全球8个望远镜进行联合观测。上图这个成像技术是基于射电干涉法，通过同时观测多个望远镜的数据，将各自的观测结果合并，并使用计算机模拟技术，从而绘制出黑洞的影像。这种观测原理，最简单的说就是：因为黑洞不发光，我们不能直接观测到黑洞，但是可以根据黑洞发射的X射线间接观察到它。
黑洞图像是多个射电望远镜捕捉黑洞发出的X射线后，在计算机上合成的。中间的是黑洞，周围红色是X射线
从微观到宏观，只要是人眼能直接观察的，或者借助光学显微镜、光学望远镜能通过人眼观察到的，可以说是“眼见为实”。而像原子核内部、大多数电磁波、宇宙射线、黑洞等物质，都是通过电子设备和计算机技术间接“观察”到的，在当前技术下是人眼不能直接可见的。
那么今后是否可以实现人眼不借助各种设备而直接看见一切微观和宏观物质呢？先看一下人类文明阶段的描述再做定论。
卡尔达肖夫指数将宇宙文明等级划分为三个层次，从低到高为：
一级文明：也被称为初级文明，能够收集并利用自身能够到达的所有行星上的能源，如太阳能、风能、水能等，还可以控制行星上的地震、火山喷发等。
二级文明：能够随意离开自己的母星，建立类似戴森球的装置来收集恒星散发出来的能量，彻底解决能源危机，并利用无限能源进行恒星系间的探索。
三级文明，人类可以脱离引力的控制，随意在星际中超光速旅行
三级文明：能够使用自身所在星系的全部能量，星际旅行将成为简单而轻松的旅程行为。
除此之外，还有四级河系文明、五级维度文明、六级宇宙文明和七级创世文明。那么地球上的我们目前处于什么等级，很遗憾，只有0.73级，还未达到一级。
我们想直接窥探到一切微观和宏观的物质，至少要达到三级文明的水平，三级文明不仅意味着我们可以超越光速自由在星际之间旅行，同时代表着我们已经破译了光子的终极秘密。
展望一下三级文明下，将会发生的事：
1-我们可以利用银河系中心的太初黑洞，这种大质量的黑洞将是三级文明主要的能量来源。我们还会掌握反重力推进器、量子推进器、星际冲压发动机等技术，还掌握了空间跳跃技术，可以在短时间内到达本星系的任何一个位置。
2-在这个阶段，文明可能会因为争夺宇宙资源而发生星际战争。为了应对这种情况，三级文明可能会加入星际联盟，与其他文明抱团取暖并学习对方的科技。
3-人类早已破解了量子和DNA的全部秘密，三级文明的生命形态已经彻底脱离了肉体凡胎，可能是纯能量体、虚拟代码、机械身体或记忆转移等形式存在。
未来的人类是这样的吗？是人还是机器？
人类多久能达到三级文明呢？最乐观的估计需要一百年，最悲观的预计要十万年。但是我们还是有必要保持信心，因为过去几百年我们的科技一直是以加速度在进步的。如果到达三级文明阶段，人类就可以用眼睛看到你想看的全部世界了，只是那时人类可能是生命体与高级智能AI的结合体——“数字”人。