Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Цернике занимался усовершенствованием дифракционных решеток для астрономических приборов. Дифракционная решетка — это прозрачное стекло или зеркало с нанесенным на поверхность множеством тонких параллельных и равноотстоящих бороздок (щелей). Каждая бороздка является как бы независимым источником света, и все излучаемые ими потоки света соединяются на экране, но складываются или вычитаются в зависимости от того, прибывают они в данную точку в одинаковых или противоположных фазах. (Фазой называется определенное положение в процессе колебания: когда луч света проходит расстояние, равное длине волны, то за это время колебание совершает полный цикл, возвращается к исходной фазе.) Поскольку лучи от разных щелей проходят различные расстояния до заданной точки на экране, они приходят туда в разных фазах. Если свет монохроматичен (имеется только одна длина волны), то в результате такого сложения возникает интерференционная картина, состоящая из узких полос или линий, попеременно светлых (когда лучи приходят в одинаковых фазах) и темных (когда лучи приходят в противофазе). Если свет представляет собой смесь разных длин волн (цветов для видимого света), каждая длина волны дает свою дифракционную картину, отличную от остальных, и в результате получается непрерывный спектр отдельных цветов, подобный разложению в призме.

Цернике учел, что свет, проходящий через прозрачные объекты, должен отличаться от света, прошедшего такой же путь мимо них, своей фазой (скорость света в этих объектах обычно ниже). Теперь нужно было как-то превратить эту разницу фаз в разницу амплитуд, т. е. в различие яркости. Принцип, предложенный им, состоял в том, чтобы наложить свет, проходящий сквозь прозрачный объект, на однородное фоновое освещение светом, прошедшим мимо объекта, но у которого изменили фазу на четверть длины волны (в этот поток вставляется специальная пластинка). В результате сложения потоков света, проходящего сквозь прозрачный объект с запаздыванием по фазе относительно прямого света, и фонового освещения, которое как бы опережает его по фазе, образуется деструктивная интерференция, т. е. понижение яркости. Для глаза наблюдателя картина выглядит так, как если бы объект поглощал свет.

В 1953 г. Цернике был награжден Нобелевской премией по физике «за обоснование фазово-контрастого метода, особенно за изобретение фазовоконтрастного 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».

Фазово-контрастный микроскоп Цернике (1938) позволил наблюдать бесцветные организмы, клетки или бактерии без красителей, которые зачастую убивали образцы или меняли их свойства. (Наследники Аббе не обладали его интуицией: когда Цернике предложил им разработку этой идеи, они отказались. Как вспоминал Цернике: «Они сказали, что если бы это имело практическое значение, они бы уже изобрели это сами».)

3. Ультразвуковой микроскоп

Область применения оптического микроскопа ограничена, но сам его принцип — расширение волнового поля, прошедшего или отраженного, применим, в принципе, и к волнам других типов. Отсюда следовала возможность использования звуковых волн вместо световых: такие идеи появились уже в 1940-х гг., но работающие устройства (звуковизоры) были построены только в 1970-х.

Первый такой микроскоп спроектировал в начале 1940-х гг. инженер С. Я. Соколов в Ленинграде: он рассчитал, что микроскоп, использующий звуковые волны с частотой 3 000 мегагерц (3-10⁹ Гц), будет иметь такую же разрешающую силу, как оптический микроскоп. В этих расчетах он исходил из того, что ультразвук этой частоты обладает той же длиной волны, что и видимый свет, но, повышая частоту ультразвука, можно добиться и более высокого разрешения. (Длины волн звука и света отличаются при равной частоте примерно в 100 тыс. раз, в отношении скоростей света и звука.)