人能夠看到物體是因為物體發出或反射的光進入了人眼的緣故。透鏡能夠使光發生折射，繼而讓人看到放大、縮小或扭曲的像。利用透鏡觀察放大的物體可能有上千年的歷史，16世紀末有人發現將兩個凸透鏡放在合適的位置能夠將物體放大很多倍。17世紀時科學家製造出了真正意義的顯微鏡，並被用來觀察細胞、微生物等。
光有波動性，遇到比較小的障礙物會發生明顯的衍射。光經過一個很小的障礙物時可能會繞過它，即使被它反射後也容易擴大為一個光斑。當要觀察的兩個位置過於接近時，兩個位置反射的光斑會有很大部分發生重疊，這樣就看不清要觀察的物體，這就是光學顯微鏡的衍射極限。一般而言光學顯微鏡的分辨極限為0.2微米，換算成放大倍數大約在2000倍附近。中學生物課上用到的顯微鏡就是光學顯微鏡，一般最多放大幾百倍，即使超過了1000倍視野也會變得非常暗。一些電商宣揚他們的光學顯微鏡能夠放大五千倍甚至數萬倍，那种放大並不能提高解析度，沒有任何意義。
可見光的波長範圍大約是390納米至760納米，波長越短衍射現象就越不明顯。物質具有波動性，電子的波長要比可見光的波長小很多，用電子代替光製作的顯微鏡就是透射電子顯微鏡。隨著技術的突破，透射電子顯微鏡的分辨能力也在逐步提高，目前分辨極限可達0.2納米，到了原子直徑的數量級。
掃描隧道顯微鏡可以用來觀察及定位單個原子，其解析度能夠達到0.1納米，能夠將原子放大數億倍。掃描隧道顯微鏡上有一個很尖的探針，探針的針尖尖到只有一個原子。當探針在樣品表面掃描時，針尖和樣品的電子云會發生重疊，此時在針尖和樣品間加上一個電壓就會有電子逸出，在針尖和樣品間形成隧道電流。電流的大小與電壓及針尖到樣品的距離有關，樣品表面原子的凹凸不平就能夠通過電流反映出來，電流信息經過處理後即可將原子的形象展示出來。
原子內部是原子核和電子，深入到這個層面物質的波動性便非常明顯。初中時學過的原子模型中，電子是繞著原子核轉動，而實際上電子沒有軌道的概念。甚至電子等粒子也沒有形狀的概念，科學家們測出的粒子的直徑並非是真正的直徑，而是它們直徑的上限。科學上往往用電子云描述電子可能出現的位置，目前看一個粒子並不能像一個籃球那樣有表面、邊界這樣的概念，目前並不能回答需要將粒子放大多少倍才能看到它，也沒有顯微鏡能夠將粒子放大後供人類觀察。