Нобелевские лауреаты. Фриц Цернике: сдвиг по фазе

О том, как сын учителей математики побывал астрономом, химиком, но оставил свой след в физике и облегчил жизнь сотням биологов, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Фриц Цернике

Родился 16 июля 1888 года, Амстердам, Нидерланды

Умер 10 марта 1966 года, Амерсфорт, Нидерланды

Нобелевская премия по физике 1953 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За обоснование фазово-контрастного метода, особенно за изобретение фазово-контрастного микроскопа (for his demonstration of the phase contrast method, especially for his invention of the phase contrast microscope)».

Родители нашего сегодняшнего героя были коллегами: оба – учителя математики, отец, Карл Фредерик Август Цернике – еще и автор нескольких неплохих учебников по математике. Нужно сказать, что математика всегда была сильной стороной Цернике, хотя начинал свою научную карьеру он все же как химик. Именно на химический факультет Амстердамского университета Цернике поступил, и именно по химии он сделал свою первую научную работу. Она была посвящена теории критической опалесценции газов (резкого усиления рассеяния света газами при достижении критической точки). Работа, выполненная в возрасте 24 лет, получила особую университетскую премию, а уже через два года Цернике прославился своей совместной работой с нидерландским физиком Леонардом Саломоном Орштейном, который был старше его на восемь лет. Эта работа в итоге привела к созданию уравнения Орштейна-Цернике, интегрального уравнения статистической механики для определения прямой корреляционной функции (функции времени и пространственных координат, которая задает корреляцию в системах со случайными процессами). Уравнение используется до сих пор и применяется в теории жидкости. Обессмертить свое имя в 26 –уже неплохо.

Успел Цернике поработать и астрономом – ассистентом знаменитого астронома Якобуса Корнелиуса Каптейна, известного своими исследованиями Млечного пути, учителя знаменитого Оорта. Причем в те же самые годы, что он работал над опалесценцией и уравнениями статистической механики: должность ассистента в Гронингене Цернике получил в 25 лет.

Изобретение, которое привело его к Нобелевской премии, Цернике сделал в ходе изучения дифракционных решеток. В своей Нобелевской лекции, озаглавленной «Как я изобрел фазовый контраст», он особо подчеркивает, что «фазовый контраст не был изобретен во время занятий микроскопией, а при работе с совершенно другой частью оптики».

Цернике заинтересовали призраки. Вот как описывает его встречу с будущим открытием биографический справочник: «Многие ученые замечали, что [дифракционные] решетки, содержащие повторяющиеся ошибки в расположении бороздок, вызванные неполадками в механизме, наносившем эти бороздки, порождают лишние линии, названные призраками (или духами – прим. Indicator.Ru), с каждой стороны выделяющейся яркой линии. Они считали эти линии не заслуживающими внимания и давали их появлению разные объяснения, с которыми Ц. 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».

А вот дальше уже была действительно микроскопия. Поняв, что дело в фазовых сдвигах, Цернике понимает, что он может сделать важнейшее усовершенствование микроскопа для биологов. И вот в чем было дело.

Большинство (ну или по крайней мере, очень многие) живые объекты в микроскопии – бесцветные и прозрачные. Их очень сложно увидеть. Можно, конечно, использовать окрашивание – но оно часто убивает микроорганизм. Однако Цернике понял, что свет, прошедший сквозь объект, и свет, прошедший мимо него обладает различием в фазе, не видимым наблюдателю. Осталось мелочь – сделать эту разницу видимой, контрастировать. Для этого необходимо наложить свет, проходящий сквозь прозрачный объект, на однородное фоновое освещение, представляющее собой порцию прямого света, проходящего мимо, который умышленно обладает опережением по фазе на четверть длины волны. Это опережение создавалось так называемой фазовой пластинкой, а в результате получалось интерференционное понижение яркости объекта. Смотрите, какая разница между обычной световой микроскопией прозрачного биообъекта!

В 1933 году на физико-медицинском конгрессе в Вагенинге (были тогда уже и такие), Цернике представил свой революционный метод. Правда, тогда он мог использовать его только для тестирования кривизны вогнутых зеркал. Сам фазово-констрастный микроскоп буксовал.

Кстати, в своей Нобелевской лекции Цернике не преминул в заключении пройтись по нерадивым коммерческим партнерам – компании Zeiss: «Цейсс в Йене, который начинал с таким небольшим энтузиазмом, медленно продолжил развитие метода. После нескольких дополнительных моих визитов, после нескольких лет разработки слишком сложных инструментов и после дальнейшего промедления из-за войны, в 1941 году они все-таки выпустили фазово-контрастные объективы и аксессуары к ним».

Продолжал развивать свою методику и сам Цернике: в 1948-1949 году он был приглашенным профессором в Университете Джонса Хопкинса – и там он сумел получить цветные изображения методом фазово-контрастной микроскопии.

Нобелевская премия была весьма ожидаемая для самого Цернике, однако удивительно, что премию вручили в области физики. Могли бы смело дать и по физиологии (недаром на одной из нобелевских фотографий мы видим Цернике и биохимика Кребса).

Кстати, представляя лауреата, член Шведской королевской академии наук Эрик Хюльтен сказал, что аналогии премии Цернике придется искать в первых нобелевских премиях, ибо потом почти все премии были не в области классической физики, а в атомной, квантовой или ядерной физики, физики элементарных частиц.

Очень верное замечание – и случай Цернике стал достаточно редким эпизодом, когда биология заявила свои права и на физическую премию.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.