弗里茨·塞爾尼克

弗里茨·塞爾尼克（荷蘭語：FritsZernike，1888年7月16日阿姆斯特丹——1966年3月10日阿默斯福特），荷蘭物理學家，因論證相襯法，特別是發明相襯顯微鏡，對科學和社會生活有重大的意義，獲得了1953年度諾貝爾物理學獎。

塞爾尼克1888年7月16日出生於荷蘭阿姆斯特丹一個數學教師的家庭里。他父母都是數學教師。父親當過小學校長，編過數學教材，以注重教學法聞名。塞爾尼克的幾位兄妹都是大學教授和文化界著名人士。

塞爾尼克從他父親那裡繼承了對物理學的愛好。他小時候就有自己的實驗器材庫。由於偏愛科學課程，希臘文和拉丁文往往考不及格。在學生時代他把大量時間投入實驗，特別是彩色照像術。由於經費有限，他不得不自己備制彩色攝影所需的酒精。他還靠自己的智慧自製了一台照相機和小型天文觀測器，配上舊唱機中的發條，竟可用於拍攝慧星照片。他還和其父母一起解過許多數學難題。

1905年塞爾尼克進入阿姆斯特丹大學，主修化學，輔修數學和物理。1908年曾獲數學金獎。據說，頒獎前人們問他，願意拿金質獎章還是要獎金，他回答說：“願意要錢。”因為他已經享受過獲得金質獎章的殊榮。

1913年塞爾尼克接受格羅寧根大學天文學教授卡普頓（Kapteyn）的邀請當其助手。1915年塞爾尼克以應用吉布斯統計力學獲博士學位。以後他在這個領域與人合作繼續開展研究。

1915年任格羅寧根大學講師，主講數學物理，1920年升為正教授。他在統計物理學方面有廣泛論著。在實驗方面則以靈敏電流計的設計著稱，後來這種靈敏電流計被廠家大批生產，得到廣泛應用。

1930年他回到光學研究，寫了關於凹面光柵的像差和空間相干等論著。1938年—1948年他和他的學生們合作，研究透鏡像差對衍射花樣的影響。

塞爾尼克不久於1961年3月10日逝世。

1935年，塞爾尼克提出“相襯法”，指出對於因位相變化而產生的看不見的影響，可以轉化為與之等價的可見的振幅變化，也就是通過空間濾波器將物體的位相分佈轉換為相應的振幅分佈，從而大大提高了透明物體的可分辨性。塞爾尼克不僅給出了上述的理論分析，而且還製造了第一台相襯顯微鏡。

光通過透明物體時是要慢下來的，為了把直接傳播的光和被物體衍射的光區分開來，在聚光器的焦平面上放一環形光柵，並在兩個物鏡之間插入一個相板，使相板上的環形條紋與環形光柵的象恰好重合。這樣，直接光全部穿過位相板上的環紋，而衍射光多半穿過紋道的外部，從而使直接光和衍射光之間產生了相差。如果相板做得能使入射光波延遲1/4波長，那麼兩波的峰及谷將會重合，這將給出大振幅的合成波，細節就會明顯地呈現出來。

顯微鏡中所觀察的許多物體，如生物切片、油膜和位相光柵等，均具有較高的透明度。光波通過這些物體時，只改變入射光波的位相而不改變它的振幅，這種物體稱為“位相物體”。因為人眼只能辨彆強度的差別，亦即振幅的變化，而不能識別位相的變化，因而用普通顯微鏡無法觀察位相物體。

相襯法不是在使用顯微鏡的過程中發現的，而是塞爾尼克在工作於別的光學領域時發現的。這要從1920年澤爾尼克對衍射光柵產生興趣時說起。這種反射式光柵是由平面或凹面鏡片構成，鏡片表面上刻有大量等距的刻痕。刻痕位置稍有差錯，就會明顯影響光柵的光學效果。刻機周期性重複出現的誤差，使光程差發生相應的變化，觀察者在觀察鏡面時，就會看到鏡面似乎變得起伏不平。光柵表面細緻的刻線直接用肉眼是看不見的，看到的只是在鏡面上出現相隔較寬的粗線。用這樣的光柵所形成的光譜，往往在每根強度譜線兩側伴隨有一系列雜亂的弱線，這就叫“羅蘭鬼線”。一塊完善的光柵，像手掌那麼大，拿在手裡，在均勻照明之下，看上去色彩豐富，斑斕絢麗，展現出可見光譜里的各種顏色。可是，實際上有的光柵看上去卻是“傷痕”遍布，在彩帶上疊加了一條條粗線。

1902年阿倫（H.S.Allen）曾宣稱，這些粗線不是真實的，乃是主要譜線與其鬼線互相干涉抵消的結果。1920年塞爾尼克在研究光柵時，對這一說法表示異議。他認為這些帶“傷痕”的表面視場要比照像底片拍攝所得的光譜照片提供了更多信息，表面視場給出了鬼線的相對位相，而照片丟失了鬼線的位相信息。塞爾尼克這時正在從事統計物理學研究，就把這一問題放在心裡，留待以後研究。

大約在1930年，塞爾尼克的實驗室得到了一塊大凹面光柵，安裝在支架上準備使用。很快人們就看到了光柵表面的“傷痕”。由於光柵距人眼6m，看不清楚，澤爾尼克試著用一台小型望遠鏡觀察它。這時不期而遇的事情發生了。線條狀的傷痕看得非常清楚，可是當把望遠鏡精確聚集在鏡面表面時，線條卻消失無遺！怎麼回事？澤爾尼克想起了的思考，他意識到這一現象的重要意義，立刻集中精力研究這個光學問題。他藉助於阿貝的成像理論，經過一系列實驗和計算，終於作出了成功的解釋。原來這是由於波的位相差所引起的干涉現象。

1935年，塞爾尼克進一步根據位相理論研究出了位相反襯法，發明了相襯顯微鏡。在他的第一次設計中，使用一個直線條帶樣的孔徑光闌，並在物鏡的后焦面放置一個相應的直線條帶光闌。塞爾尼克在他的諾貝爾領獎詞中提到這一發明的偶然性時說：“然而，這個裝置使物體結構的顯微像顯示了暈，因為衍射效應使物體細節的帶狀物像——沿垂直於帶的方向散開，從而使像上的小亮點成為短線段狀。為了避免這種觀象，我改用了環狀光闌，此光闌導致暈圈向各方向散開，不過暈圈變得很微弱以致實際上完全沒有意義。”

早在1932年，塞爾尼克就試製成功第一台相襯顯微鏡，1932年4月26日他向德國申請專利。經過塞爾尼克的不斷努力，1936年德國專利局才批准他4年前的申請。1933年在荷蘭瓦赫寧恩召開專業會議，他提交了題為“顯微鏡觀察的一種新方法”的論文，可是當他向會議報告他的實驗和理論時，遭到了同樣的冷遇，與會者對他的發明不感興趣，沒有提出任何問題。當他帶著試製成功的樣鏡向德國耶拿的蔡司公司論證相襯顯微鏡的作用和生產時，卻沒有得到熱情的支持；在韋茨拉爾，他與萊茲（E.Leitz）洽談時，發生了同樣的情況；相襯顯微鏡還沒有進入市場就受到了第二次世界大戰的打擊。

直到1941年，蔡司公司才生產出相襯物鏡和附件。塞爾尼克克服重重困難，繼續進行試驗，不斷作出改進，終於使相襯顯微鏡被全世界廣泛使用。1944年在烏德勒支，塞爾尼克與光學儀器製造者布林克合作研製了消色差的相村顯微鏡物鏡，並在物鏡內安裝了位相板。

1951年海尼（H.Heine）為相襯設備開發了聚光鏡的環狀照明裝置。這以後，其他公司才陸續生產相襯顯微鏡，如德國格丁根的蔡司-威克爾（Zeiss－Winkel）公司，美國光學公司以及庫克、特羅頓和辛姆斯（Cooke，Troughton&Sims）有限公司。

全世界生產相襯顯微鏡的公司很多，相襯顯微鏡已經廣泛應用於生物學及醫學方面作細菌學和病理學的研究，也在礦物晶體微形貌學中得到了有效的應用。用這種特殊的顯微鏡，可以進行晶體表面生長的動態觀察。

近代科學的發展，對顯微鏡提出了各種特殊要求，澤爾尼克發明相襯顯微鏡使人們有可能觀測到普通顯微鏡無法觀察的位相物體，這無疑是一項重要的進展。