Нобелови лауреати – 1953 година

Фриц Цернике (Frits Zernike)

16 юли 1888 г. – 10 март 1966 г.

Нобелова награда за физика

(За обосноваване на фазово-контрастния метод, особено за изобретяването на фазово-контрастния микроскоп.)

Холандският физик Фриц Цернике е роден в Амстердам и е второто от шестте деца на Карл Фредерик Август Цернике, директор на начално училище, учител по математика и автор на няколко учебника по математика, и Анте (Диперинк) Цернике, учителка по математика. Като малко момче той обича да прави опити в домашната си лаборатория и се радва, когато успее да реши някоя трудна математическа задача. В средното училище, показвайки блестящи успехи по физика, остава равнодушен към всички останали предмети.

През 1905 г. Цернике постъпва в Амстердамския университет, където специализира химия и като факултативни предмети изучава физика и математика. Три години по-късно участва в конкурс за разработки, финансиран от Гронингенския университет, и е награден със златен медал за разработката си по теория на вероятностите. Аналогична награда получава от Холандското научно дружество през 1912 г. за решаване на проблеми, свързани с разсейването на светлината от чисти вещества и смеси. Разширен вариант на това изследване оформя дисертацията му, за която през 1915 г. получава докторска степен.

През същата година Цернике, който вече е смятан за водещ специалист в своята област, сменя Л. С. Йорнстейн на поста лектор по физика в Гронингенския университет, където две години по-рано известният астроном Я. К. Каптейн го е направил свой асистент. През 1920 г., когато става професор по теоретична физика, той и Йорнстейн правят съвместно изследване по статистическа механика, което получава широко признание заради значителния принос в тази област. Цернике използва също така своите математически способности и своето майсторството за създаване и усъвършенстване на научни инструменти, като галванометъра например, но след 1930 г. насочва основните си усилия към изследвания в областта на оптиката.

Отначало го интересува процепния ефект при дифракционните решетки. Дифракционната решетка е прозрачно стъкло или огледало, на чиято повърхност са нанесени голямо количество тесни, близко разположени и равно отдалечени вертикални процепи. Процепите разделят преминаващата или отразената светлина на много индивидуални процепообразни източници. Когато светлинните лъчи от многото източници (обикновено фокусирани с леща) достигнат до някоя точка върху екран, яркостта е резултат от сумирането на всички лъчи. Тъй като светлината представлява електромагнитни вълни, състоящи се от електрическо и магнитно поле, извършващи периодични колебания, лъчите се наслагват или унищожават в зависимост от това дали идват до дадената точка на екрана с еднакви или противоположни фази. Фаза се нарича определено положение в процеса на колебанието и когато светлинният лъч премине разстояние, равно на дължината на вълната, колебанието за това време извършва пълен цикъл (връща се в изходната си фаза). Тъй като лъчите от различните участъци на процепния източник на решетката, както и лъчите от различните процепи, изминават различни разстояния до дадената точка на екрана, те пристигат там с различни фази. Ако светлината е монохроматична (с еднаква дължина на вълната), в резултат се получава картина, състояща се от тесни ивици, или линии, които са редуващо се светли (когато лъчите идват с еднакви фази) и тъмни (когато лъчите са с противоположни фази). Ако светлината е смес от различни дължини на вълните (цветовете при видимата светлина), всяка дължина на вълната дава своя дифракционна картина, различна от останалите. В резултат от това се получава непрекъснат спектър от отделни цветове, наподобяващ небесната дъга.

Много учени забелязват, че решетките, съдържащи повтарящи се грешки в разположението на процепите, предизвикани от дефекти на механизма, който прави процепите, създават излишни линии, наречени призраци, от всяка страна на изпъкващата ярка линия. Те смятат, че тези линии не заслужават внимание и дават различни обяснения за тяхното появяване, с които Цернике не може да се съгласи. Предполагайки, че призраците възникват заради фазовите сигнали, предизвикани от неправилно изготвяне на решетките, той провежда серия от опити, които не само потвърждават неговата правота, но и го довеждат до изобретяването на прибор, наречен фазово-контрастен микроскоп.

Оптическите микроскопи вече са доведени до висока степен на съвършенство от немските оптически компании. Но възможността да се виждат увеличени детайли зависи от способността им да пропускат или отразяват определени порции светлина, доста различни от общото светлинно обкръжение. При работа с относително прозрачни препарати, както се налага в медицината или биологията, обикновените микроскопи проявяват редица сериозни дефекти. Цернике предполага, че светлината, преминаваща през прозрачните детайли в препаратите, се различава от светлината, която преминава покрай тях и съдържа нужната информация. Разликата не е в амплитудите, които могат да бъдат открити от окото, а във фазите, които окото не може да улови. Фазите се различават, защото светлината се движи с различна скорост в различни вещества. Ако веществото е прозрачно, то не променя количеството пропускана светлина, но променя стойността на дължината на вълните, разположени по цялата дължина на оптическия път, защото намалява скоростта на светлината и следователно разстоянието, изминато за един период на колебание. Обикновено се казва, че настъпва забавяне на фазата. При своите експерименти с призраците на дифракционните решетки Цернике намира начин за преобразуване на фазовите промени в амплитудата, което позволява да се направят прозрачните детайли видими.

Принципът се състои в това да се наложи светлината, преминаваща през прозрачния обект, върху еднородно фоново осветление, представляващо малка порция пряка светлина (светлина, обтичаща обекта), която преднамерено има изпреварване във фазата с четвърт дължина на вълната. В резултат от съчетаване на светлината, преминаваща през прозрачния обект, която има забавяне във фазата по отношение на пряката светлина, с фоновото осветление, което има изпреварване във фазата, се образува деструктивна интерференция, иначе казано - понижаване на яркостта. За окото на наблюдателя това изглежда като поглъщане на светлина от обекта. Цернике постига нужното фоново осветление, като поставя така наречената от него фазова пластинка (стъклена пластинка с изрязана цепнатина) на пътя на лъч светлина във фокалната равнина на лещите на обектива на микроскопа.

Фазово-контрастният микроскоп на Цернике прави възможно наблюдаването на безцветни организми като клетки на бактерии, без да се използват оцветители, които често убиват образците. Той позволява да се правят по-точни наблюдения от тези, които могат да се получат с осветяване на тъмните полета – още един метод, водещ често до неправилна интерпретация на дребните детайли. Фазово-контрастният метод се оказва полезен и при оценяването на неравни оптически повърхности, например огледала на телескопи и дифракционни решетки, които сложили началото на тази идея.

Като се убедил за първи път в грандиозността на своето изобретение и като разбрал неговото значение, Цернике уведомил за него германската компания „Цайс“ в Йена, водещ производител на микроскопи по това време. Но представителите на компаниите не проявили необходимия интерес. „Те казаха, че ако това има практическо значение, вече щяха да са го изобретили сами“ – спомня си Цернике.

По време на Втората световна война, през 1940 г., германските войски окупират Холандия. Търсейки изобретения, които могат да бъдат полезни във военното дело, германските военни власти се натъкват на изследванията на Цернике за фазово-контрастния микроскоп и първите инструменти са изготвени през 1941 г. Но новата технология е използвана пълноценно едва след края на войната.

Фазово-контрастният микроскоп се превърнал в извънредно важен инструмент, особено за медицински изследвания. Като поканен професор по физика в университета „Джон Хопкинс“ в Балтимор (1948-1949 г.) Цернике продължава да усъвършенства своето изобретение и успява да получи цветни изображения.

През 1930 г. Цернике се жени за Дора ван Бомел ван Флотен, която има дъщеря от първия си брак; семейството има един син. Дора умира през 1945 г. и през 1954 г. Цернике се жени за Лена Коперберг-Баандерс. Двамата нямат деца. През 1958 г., след 40-годишна преподавателска и научна дейност, Цернике напуска Гронингенския университет и се заселва в градчето Наарден близо до Амстердам. Преди смъртта си е поразен от прогресивен паркинсон.

Макар че е признат късно, Цернике получава много награди, сред които медала Ръмфорд на Лондонското кралско дружество (1952 г.), и почетни научни степени от университетите в Амстердам, Лондон, Поатие и Модена. Избран е за член на Холандската кралска академия на науките през 1946 г.

Превод от руски:Павел Б. Николов