Люди и наука

Фриц Цернике

Нидерландский физик Фриц Цернике родился в Амстердаме и был вторым из шести детей Карла Фредерика Августа Цернике, директора начальной школы, учителя математики и автора нескольких учебников по математике, и Антье (в девичестве Диперник) Цернике, также учителя математики. Мальчиком он любил ставить опыты в своей домашней лаборатории и радовался, решив трудную математическую задачу. В средней школе, блистая по физике, он был довольно равнодушен к другим предметам.

В 1905 году Цернике поступил в Амстердамский университет, где специализировался по химии и в качестве непрофилирующих предметов изучал физику и математику. Три года спустя он принял участие в конкурсе работ, финансируемом Гронингенским университетом, и был награжден золотой медалью за работу по теории вероятностей. Аналогичную награду он получил от Голландского научного общества в 1912 году за решение проблемы рассеяния света чистыми веществами и смесями. Расширенный вариант этой работы составил его диссертацию, за которую Амстердамским университетом в 1915 году ему была присуждена докторская степень.

В том же году Цернике, которого уже считали ведущим специалистом в своей области, сменил Л. С. Ёрнстейна на посту лектора по физике в Гронингенском университете, где двумя годами ранее известный астроном Я. К. Каптейн сделал Цернике своим ассистентом. К 1920 году, когда он стал полным профессором по теоретической физике, Цернике и Ёрнстейн провели совместное исследование по статистической механике, получившее широкое признание за тот значительный вклад, который оно внесло в данную область. Цернике использовал также свои математические способности и мастерство в изготовлении и совершенствовании таких научных инструментов, как гальванометр, но после 1930 года основные свои усилия он направил на исследования в области оптики.

Вначале его заинтересовал щелевой эффект в дифракционных решетках. Дифракционная решетка представляет собой прозрачное стекло или зеркало, на поверхности которого нанесено большое число тонких, близко расположенных, равноотстоящих бороздок. Бороздки разделяют проходящий или отраженный свет на много индивидуальных щелеобразных источников. Когда лучи света от множества источников (обычно сфокусированных линзой) достигают некоторой точки на экране, яркость становится результатом суммирования всех лучей. Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, состоящие из электрического и магнитного полей, совершающих периодические колебания, лучи складываются или вычитаются в зависимости от того, прибывают они в данную точку в одинаковых или противоположных фазах. Фазой называется определенное положение в процессе колебания, и когда луч света проходит расстояние, равное длине волны, то за это время колебание совершает полный цикл (возвращается к исходной фазе). Поскольку лучи от разных участков данного щелевидного источника на решетке, так же как и лучи от разных щелей, проходят различные расстояния до заданной точки на экране, они приходят туда в разных фазах. Если свет монохроматичен (единственная длина волны), то в результате получается картина, состоящая из узких полос, или линий, попеременно светлых (когда лучи приходят в одинаковых фазах) и темных (когда лучи приходят в противоречие друг с другом). Если свет представляет собой смесь разных длин волн (цветов для видимого света), каждая длина волны дает свою дифракционную картину, отличную от остальных. В результате получается непрерывный спектр отдельных цветов, подобный радуге.

Многие ученые замечали, что решетки, содержащие повторяющиеся ошибки в расположении бороздок, вызванные неполадками в механизме, наносившем эти бороздки, порождают лишние линии, названные призраками, с каждой стороны выделяющейся яркой линии. Они считали эти линии не заслуживающими внимания и давали их появлению разные объяснения, с которыми Цернике не мог согласиться. Полагая, что призраки возникают из-за фазовых сдвигов, вызванных погрешностями изготовления решеток, он выполнил серию экспериментов, которые не только подтвердили его правоту, но и привели его к изобретению прибора, названного им фазово-контрастным микроскопом.

Оптические микроскопы уже были доведены до высокой степени совершенства немецкими оптическими компаниями. Однако возможность увидеть увеличенные детали зависели от их способности пропускать или отражать определенную порцию света, весьма отличную от общего светового окружения. При работе с относительно прозрачными препаратами, как это бывает в медицине и биологии, обычные микроскопы обладают рядом серьезных дефектов. Цернике полагал, что свет, проходящий сквозь прозрачные детали в препаратах, отличается от света, который проходит мимо них, и, следовательно, содержит нужную информацию. Разница здесь не в амплитуде, которую может обнаружить глаз, а в фазе, которую глаз отличить не в состоянии. Фазы же отличаются, поскольку свет движется с разными скоростями в различных веществах. Если вещество прозрачно, то оно не меняет количество пропускаемого света, но изменяет число длин волн или долей длин волн, укладывающихся по всей длине оптического пути, ибо оно понижает скорость света и, следовательно, расстояние, проходимое за один период колебания. Обычно говорят, что оно приводит к запаздыванию фазы. Цернике в своих экспериментах с призраками дифракционных решеток нашел способ превращения фазовых изменений в амплитудные, которые и позволяли сделать прозрачные детали видимыми для глаза.

Принцип состоял в том, чтобы наложить свет, проходящий сквозь прозрачный объект, на однородное фоновое освещение, представляющее собой небольшую порцию прямого света (света, обтекающего объект), который намеренно обладает опережением по фазе на четверть длины волны. В результате сочетания света, проходящего сквозь прозрачный объект, который обладает запаздыванием по фазе относительно прямого света, с фоновым освещением, которое имеет опережение по фазе, образуется деструктивная интерференция, т.е. понижение яркости. Для глаза наблюдателя это выглядит так, как если бы объект поглощал свет. Цернике добивался нужного фонового освещения, помещая то, что он называл фазовой пластиной (стеклянная пластина с выгравированной бороздкой), на пути луча света в фокальной плоскости линз объектива у микроскопа.

Фазово-контрастный микроскоп Цернике сделал возможным наблюдение бесцветных организмов, таких, как клетки или бактерии, без применения красителей, которые зачастую убивали образцы. Он позволял проводить более точные наблюдения, чем те, которые можно было получить с освещением темного поля, - еще один метод, часто приводивший к неправильной интерпретации мелких деталей. Фазово-контрастный метод оказался также полезным при оценке неровностей оптических поверхностей, например зеркала телескопа, да и самих дифракционных решеток, давших рождение самой этой идее.

Впервые убедившись в грандиозности своего изобретения и поняв его значение, Цернике посвятил в него германскую компанию "Цейс" в Йене, ведущего изготовителя микроскопов в то время. Но представители компании не проявили должного к нему интереса. "Они сказали, что, если бы это имело практическое значение, они бы уже изобрели это сами", - вспоминал Цернике.

Во время Второй мировой войны, в 1940 году, германские войска оккупировали Нидерланды. В поисках изобретений, которые могли бы оказаться полезными в военном деле, немецкие военные власти натолкнулись на описание работы Цернике по фазово-контрастному микроскопу, и в 1941 году первые инструменты были изготовлены. Однако лишь по окончании войны эта технология была использована в полной мере.

Фазово-контрастный микроскоп стал чрезвычайно важным инструментом, особенно в медицинских исследованиях. В качестве приглашенного профессора физики в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе в 1948-1949 годах Цернике продолжал совершенствовать свое изобретение и сумел получить цветные изображения.

В 1953 году Цернике был награжден Нобелевской премией по физике "за обоснование фазово-контрастного метода, особенно за изобретение фазово-контрастного микроскопа". "Когда Нобелевская премия присуждается за вклад в классическую физику, - сказал Эрик Хюльтен, член Шведской королевской академии наук, представляя лауреата, - то сам этот факт столь уникален, что в поисках аналогов нам придется вернуться к самым первым Нобелевским премиям", поскольку, за малым исключением, все последующие премии были присуждены "за открытия в области атомной и ядерной физики".

В 1930 году Цернике женился на Теодоре Вильгельмине ван Боммель ван Флотен, у которой была дочь от первого брака; у них был один сын. Жена Цернике умерла в 1945 году, и в 1954 году он женился на Лене Баандерс. У них не было детей. В 1958 году после более чем 40-летней преподавательской и научной деятельности Цернике ушел в отставку из Гронингенского университета и поселился в городке Наарден вблизи Амстердама. Перед смертью у него прогрессировала болезнь Паркинсона.

Хотя признание пришло к Цернике поздно, он получил большое число наград, помимо Нобелевской премии, включая медаль Румфорда Лондонского королевского общества (1952) и почетные ученые степени университетов Амстердама, Лондона, Пуатье и Модены. Он был избран членом Нидерландской королевской академии наук в 1946 году.