Фріца Цернике

Нідерландський фізик Фріц Цернике (1888-1966) народився в Амстердамі і був другим з шести дітей Карла Фредеріка Августа Цернике, директора початкової школи, вчителі математики та автора кількох підручників з математики, і Антьє (в дівоцтві Діпернік) Цернике, також вчителі математики.Хлопчиком він любив ставити досліди в своїй домашній лабораторії і радів, вирішивши важку математичну задачу.У середній школі, виблискуючи з фізики, він був досить байдужий до інших предметів.

У 1905 році Цернике вступив до Амстердамський університет, де спеціалізувався з хімії і як непрофилирующих предметів вивчав фізику і математику.Три роки по тому він взяв участь в конкурсі робіт, що фінансується Гронінгенський університетом, і був нагороджений золотою медаллю за роботу з теорії ймовірностей.Аналогічну нагороду він отримав від Голландського наукового товариства в 1912 році за вирішення проблеми розсіювання світла чистими речовинами і сумішами.Розширений варіант цієї роботи склав його дисертацію, за яку Амстердамським університетом в 1915 році йому була присуджена докторський ступінь.

У тому ж році Цернике, якого вже вважали провідним фахівцем у своїй галузі, змінив Л.С.Ёрнстейна на посаді лектора з фізики в Гронінгенському університеті, де двома роками раніше відомий астроном Я.К.Каптейн зробив Цернике своїм асистентом.До 1920 року, коли він став повним професором з теоретичної фізики, Цернике і Ёрнстейн провели спільне дослідження зі статистичної механіки, яка отримала широке визнання за той значний внесок, який воно внесло в цю область.Цернике використовував також свої математичні здібності і майстерність у виготовленні та вдосконаленні таких наукових інструментів, як гальванометр, але після 1930 року основні свої зусилля він направив на дослідження в області оптики.

Спочатку його зацікавив щілинний ефект в дифракційних решітках.Дифракційна решітка представляє собою прозоре скло або дзеркало, на поверхні якого нанесено велике число тонких, близько розташованих, рівновіддалених борозенок.Борозенки поділяють проходить або відбите світло на багато індивідуальних щелеобразних джерел.Коли промені світла від безлічі джерел (зазвичай сфокусованих лінзою) досягають деякої точки на екрані, яскравість стає результатом підсумовування всіх променів.Оскільки світло являє собою електромагнітні хвилі, що складаються з електричного і магнітного полів, які роблять періодичні коливання, промені складаються або віднімаються в залежності від того, прибувають вони в цю точку в однакових або протилежних фазах.Фазою називається певне положення в процесі коливання, і коли промінь світла проходить відстань, рівну довжині хвилі, то за цей час коливання здійснює повний цикл (повертається до початковій фазі).Оскільки промені від різних ділянок даного щелевидная джерела на решітці, так само як і промені від різних щілин, проходять різні відстані до заданої точки на екрані, вони приходять туди в різних фазах.Якщо світло монохроматічен (єдина довжина хвилі), то в результаті виходить картина, що складається з вузьких смуг, або ліній, поперемінно світлих (коли промені приходять в однакових фазах) і темних (коли промені приходять в суперечність один з одним).Якщо світло являє собою суміш різних довжин хвиль (квітів для видимого світла), кожна довжина хвилі дає свою дифракційну картину, відмінну від інших.В результаті виходить безперервний спектр окремих кольорів, подібний веселці.

Багато вчених помічали, що решітки, що містять повторювані помилки в розташуванні борозенок, викликані неполадками в механізмі, наносити ці борозенки, породжують зайві лінії, названі примарами, з кожного боку виділяється яскравою лінії.Вони вважали ці лінії не заслуговують уваги і давали їх появи різні пояснення, з якими Цернике не міг погодитися.Вважаючи, що примари виникають через фазових зрушень, викликаних похибками виготовлення решіток, він виконав серію експериментів, які не тільки підтвердили його правоту, але і привели його до винаходу приладу, названого їм фазово-контрастним мікроскопом.

Оптичні мікроскопи вже були доведені до високого ступеня досконалості німецькими оптичними компаніями.Однак можливість побачити збільшені деталі залежали від їх здатності пропускати або відображати певну порцію світла, вельми відмінну від загального світового оточення.При роботі з відносно прозорими препаратами, як це буває в медицині та біології, звичайні мікроскопи мають ряд серйозних дефектів.Цернике вважав, що світло, що проходить крізь прозорі деталі в препаратах, відрізняється від світла, який проходить повз них, і, отже, містить потрібну інформацію.Різниця тут не в амплітуді, яку може виявити очей, а в фазі, яку око відрізнити не в змозі.Фази же відрізняються, оскільки світло рухається з різними швидкостями в різних речовинах.Якщо речовина прозоро, то воно не змінює кількість світла, що пропускається, але змінює число довжин хвиль або часток довжин хвиль, що укладаються по всій довжині оптичного шляху, бо воно знижує швидкість світла і, отже, відстань, яку проходить за один період коливання.Зазвичай кажуть, що воно призводить до запізнювання фази.Цернике в своїх експериментах з примарами дифракційних решіток знайшов спосіб перетворення фазових змін в амплітудні, які і дозволяли зробити прозорі деталі видимими для ока.

Принцип полягав у тому, щоб накласти світло, що проходить крізь прозорий об'єкт, на однорідне фонове освітлення, що представляє собою невелику порцію прямого світла (світла, що обтікає об'єкт), який навмисно володіє випередженням по фазі на чверть довжини хвилі.В результаті поєднання світла, що проходить крізь прозорий об'єкт, який володіє запізненням по фазі щодо прямого світла, із підсвіткою, яке має випередження по фазі, утворюється деструктивна інтерференція, т.Е.Зниження яскравості.Для очі спостерігача це виглядає так, як якщо б об'єкт поглинав світло.Цернике домагався потрібного фонового освітлення, поміщаючи то, що він називав фазової пластиною (скляна пластина з вигравіруваним борозенкою), на шляху променя світла в фокальній площині лінз об'єктива у мікроскопа.

Фазово-контрастний мікроскоп Цернике уможливив спостереження безбарвних організмів, таких, як клітини або бактерії, без застосування барвників, які часто вбивали зразки.Він дозволяв проводити більш точні спостереження, ніж ті, які можна було отримати з освітленням темного поля,-ще один метод, часто приводив до неправильної інтерпретації дрібних деталей.Фазово-контрастний метод виявився також корисним при оцінці нерівностей оптичних поверхонь, наприклад дзеркала телескопа, та й самих дифракційних решіток, дали народження самої цієї ідеї.

Вперше переконавшись в грандіозності свого винаходу і зрозумівши його значення, Цернике присвятив в нього німецьку компанію "Цейс" в Єні, провідного виробника мікроскопів в той час.Але представники компанії не виявили належної до нього інтересу."Вони сказали, що, якби це мало практичне значення, вони б вже винайшли це самі",-згадував Цернике.

Під час Другої світової війни, в 1940 році, німецькі війська окупували Нідерланди.У пошуках винаходів, які могли б виявитися корисними в військовій справі, німецькі військові власті натрапили на опис роботи Цернике по фазово-контрастному мікроскопу, і в 1941 році перші інструменти були виготовлені.Однак лише після закінчення війни ця технологія була використана в повній мірі.

Фазово-контрастний мікроскоп став надзвичайно важливим інструментом, особливо в медичних дослідженнях.В якості запрошеного професора фізики в Університеті Джонса Хопкінса в Балтіморі в 1948-1949 роках Цернике продовжував удосконалювати свій винахід і зумів отримати кольорові зображення.

У 1953 році Цернике був нагороджений Нобелівською премією з фізики "за обгрунтування фазово-контрастного методу, особливо за винахід фазово-контрастного мікроскопа"."Коли Нобелівська премія присуджується за внесок в класичну фізику,-сказав Ерік Хюльтен, член Шведської королівської академії наук, представляючи лауреата,-то сам цей факт настільки унікальний, що в пошуках аналогів нам доведеться повернутися до найперших Нобелівських премій", оскільки, за малим винятком, всі наступні премії були присуджені "за відкриття в галузі атомної та ядерної фізики".

У 1930 році Цернике одружився на Теодора Вільгельміна ван Боммель ван флоту, у якій була дочка від першого шлюбу; у них був один син.Дружина Цернике померла в 1945 році, і в 1954 році він одружився на Олені Баандерс.У них не було дітей.У 1958 році після більш ніж 40-річної викладацької та наукової діяльності Цернике пішов у відставку з Гронінгенского університету і оселився в містечку Наарден поблизу Амстердама.Перед смертю у нього прогресувала хвороба Паркінсона.

Хоча визнання прийшло до Цернике пізно, він отримав велику кількість нагород, крім Нобелівської премії, включаючи медаль Румфорда Лондонського королівського товариства (1952) і почесні вчені ступені університетів Амстердама, Лондона, Пуатьє і Модени.Він був обраний членом Нідерландської королівської академії наук в 1946 році.

 Джерела:
Лауреати Нобелівської премії: Енциклопедія: Пер.з англ М.: Прогрес, 1992.
The H.W.Wilson Company, 1987.
N-T.Ru-електронна бібліотека