歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1953

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-12-08
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  • 1953年的諾貝爾獎頒給發明了位相差顯微鏡的荷蘭物理學家澤爾尼克(Frits Zernike,1888–1966)。位相差技術是顯微技術中的一個重大進展。現今大多數高級光學顯微鏡都使用了位相差技術或是配有位相差套件,它能夠提供透明標本如活體細胞和小的器官組織的高對比度圖像。位相差顯微鏡的發明者弗里茲 .澤爾尼克於1888年7月16日出生於阿姆斯特丹,是一個有六個孩子的家庭中的第二個兒子,他的父親是阿姆斯特丹的一所小學的校長兼數學老師,曾編寫了許多系列的基礎書籍,並撰寫了許多有關教學法的文章;他的母親也是數學老師。

     
    Zernike
    By Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1953/zernike-bio.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6158602



    弗里茲於1905年進入阿姆斯特丹大學主修化學,副修物理和數學,他的一篇關於機率的論文在1908年獲得了格羅寧根大學的金牌獎。 1912年,他從事臨界乳白光的工作更獲得了荷蘭科學學會的大獎,當時的評審是由傑出的科學家包括羅倫茲(H.A.Lorentz),范德華(Van der Waals)和哈加(Haga)所組成。當他被問到要選擇獎金還是獎牌時,他回信說自己更喜歡獎金,因為他已經享受了獲得金牌的特權。獲獎論文後來成為他的博士論文(1915)的基礎。他運用了吉布斯的統計力學, 與在同一領域工作的倫納德·奧恩斯坦(Leonard Ornstein, 1880-1941)合作。1914年,他們共同推導出臨界點理論中的奧恩斯坦-澤尼克方程式。1913年,格羅寧根大學著名的天文學教授Jacobus Kapteyn邀請他擔任助手; 1915年,他接替去烏特列支的奧恩斯坦,成為格羅寧根大學數學物理學講師 ,他在1920年成為正式教授。他終生都在此任教,直到退休。


    澤爾尼克一開始專攻統計力學。他在統計力學的工作包含他與J.A. Prins撰寫的一篇統計力學的論文,引入了用於確定兩個分子在液體中的位置相關性的g函數,一篇在Geiger and Scheel手冊中詳盡的文章, 還發明了一種關於有序與無序問題的近似方法(1940年),但是他對實驗也頗有一套,他發明的靈敏檢流計後來由台夫特的Kipp and Sons公司自1923年以來大量製造。從1930年澤爾尼克開始轉向光學,位相差顯微技術就是他在研究繞射光柵的時候發明的。


    位相差顯微技術的原理是當光線在穿過介質時,會產生振幅和相位的變化,這種變化與介質的性質相關。振幅的變化通常是由於介質吸收了光,變化程度與波長有關,而介質的厚度、折射率的變化會導致光線相位的改變。人的眼睛僅能測量到達視網膜的光線的能量強度,而很難觀察到相位的改變,普通的光學顯微鏡也無法檢測相位的改變。然而相位的變化通常也會攜帶相當多的信息,但是在對光線進行測量的時候這部分的資訊就全部丟棄了。為了使相位變化的信息可以被觀察到,就需要將穿過樣品的光線與參考光源相結合,相互干涉的結果可以顯示出樣品的相位結構。 


    澤爾尼克是在進行光譜線研究時,發現在通過繞射梯度創建的光譜中,每個主線左側和右側出現的所謂的幻影線的相位與主線的相位有關。在研究中,他認識到與參考光干涉是很有必要的,而為了最大化對比度,需要向參考光中引入相移,這樣可以產生完全的相消干涉。隨後,他認識到相同的技術可以用於光學顯微技術。首先需要在玻璃上精確蝕刻圓環,當將玻璃插入顯微鏡的光路中的時候,就會產生所需要的相移。這個技術稱為位相差技術。


    光學顯微鏡觀察的許多對象如原生動物、細菌、精子的尾等等細胞結構在染色以前都是透明的。染色是一個非常困難和耗時的過程,而且有時還會對標本產生傷害。位相差顯微鏡觀察樣品時不需要進行染色,在觀察細胞的時候也就不會對細胞標本產生傷害允許對活體標本進行研究。 


    澤爾尼克在1933年在瓦格寧根的一次物理和醫學會議上首次描述了他的顯微鏡的相差技術,他擴展了他的方法來測試凹面鏡的形狀, 這是他能在第二次世界大戰期間製造出第一相位差顯微鏡的基礎。


    他在光學領域還有另外一項貢獻,就是有效描述像顯微鏡和望遠鏡等光學成像系統的成像缺陷或像差,像差的表示最初是基於路德維希·塞德爾(Philipp Ludwig von Seidel)的理論而提出。 塞德爾的表示是基於冪級數展開的,無法分離各種類型和階數的像差;光是初階像差就分為五種:球面像差、 彗形像差、 像散、 場曲、 畸變。澤爾尼克的正交圓多項式為長期存在的各種像差的最佳“平衡”問題提供了解決方案。 自1960年代以來,澤爾尼克的圓多項式被廣泛用於光學設計,光學計量和圖像分析中。澤爾尼克的工作激發了人們對相干理論(部分相干光源的研究)的興趣。1938年,他發表了Pieter Hendrik van Cittert(1889-1959)之前在1934年得到一個遠距離輻射的相干性定理的簡單推導,現在又稱為Van Cittert–Zernike定理。 它說明了一個不相干源的波前會在遠距離相干地出現。如果我們在一個源前測量波前,我們的測量會被周圍的源所主導。如果我們在遠離該源的情況下做同樣的測試,我們測量則不會被某一個源所主導,兩個源幾乎等量地對波前產生影響。推導可以簡單地想像成就像往一個平靜的池塘內扔兩塊石頭。在湖心附近,由兩個石頭帶來的干擾非常複雜。當干擾傳播至池塘邊緣時,波會變得平滑並且看起來幾乎是圓形的。 


    從格羅寧根大學退休後,澤爾尼克搬到了納爾登(Naarden)一個阿姆斯特丹附近的鄉村。他於1966年病逝。他妹妹的外孫是赫赫有名的理論物理學家Gerardus 't Hooft, 他因證明了Weinerg-Salam 模型可重整化而榮獲1999年的諾貝爾獎。
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