弗里茨·泽尔尼克（1953年诺贝尔物理学奖得主）
| 弗里茨·泽尔尼克 | |
|---|---|
| 出生 | 1888年7月16日 荷兰阿姆斯特丹 |
| 逝世 | 1966年3月10日（77岁） 荷兰阿默斯福特 |
| 国籍 | 荷兰 |
| 母校 | 阿姆斯特丹大学 格罗宁根大学 |
| 知名于 | 相差显微镜、相位衬度法、泽尔尼克多项式 |
| 奖项 | 诺贝尔物理学奖（1953年） |
| 研究领域 | 物理学、光学、统计学 |
| 机构 | 格罗宁根大学 |
弗里茨·泽尔尼克（Frits Zernike，1888年7月16日—1966年3月10日），荷兰物理学家。因发明相差显微镜（相位衬度显微镜）荣获1953年诺贝尔物理学奖。泽尔尼克还以其在光学波前分析中提出的泽尔尼克多项式闻名于世，该多项式在现代自适应光学和光学设计中具有核心地位。
生平
泽尔尼克出生于荷兰阿姆斯特丹的一个数学和语言世家。父亲卡尔·泽尔尼克是阿姆斯特丹一所小学的校长，也是一位业余数学家。母亲安托瓦内特是家庭主妇。泽尔尼克在阿姆斯特丹接受中学教育，表现出卓越的数学天赋。
1905年进入阿姆斯特丹大学，主修化学、物理和数学。1908年获得学士学位后，在范德瓦耳斯指导下从事统计力学研究。1912年，他以气体涨落的统计力学研究获得博士学位。1913年成为格罗宁根大学理论力学讲师，1920年晋升为理论物理学和理论力学教授。他在格罗宁根大学度过了整个学术生涯，直至1958年退休。
二战期间，泽尔尼克拒绝与纳粹占领当局合作，保护了犹太裔的同事和学生。他的实验室虽遭受破坏，但关键的相差显微镜原型被提前转移到安全地点保存。1966年在阿默斯福特去世。
学术生涯
早期工作：统计力学与光学统计理论 泽尔尼克早期的学术贡献主要在统计力学和物理光学领域。1915年，他独立推导出了玻尔兹曼H定理的严格条件，对涨落理论有重要贡献。1915年至1920年间，他还研究了光学中的相干理论，发展了对部分相干光场的一种简洁的数学描述。
相位衬度显微镜的发明（1930年代） 1930年，泽尔尼克在研究衍射光栅的刻线质量时，偶然注意到了相位物体的问题。普通光学显微镜只能通过光强的差异（振幅衬度）来观察样本。但绝大多数生物标本（活细胞、组织切片等）是透明的，它们不影响入射光的振幅，只改变光的相位——人眼和照相机无法直接检测相位变化，因此这些透明标本在普通显微镜下几乎不可见。
传统的做法是将标本染色，但染色过程会杀死细胞并引入人工假象。泽尔尼克思考是否有一种方法能将相位差转化为可见的强度差。
1933年，他提出了一个天才的方案：在显微镜的聚光镜和物镜中分别放置一个环形光圈和一个相位板。直射光穿过相位板时被引入四分之一波长的相位延迟和部分衰减，而样本散射的衍射光不受影响。当直射光和衍射光重新组合成像时，相位差转化为可观测的强度差——透明标本不再透明，其内部结构清晰可见。这项技术被称为相位衬度法（phase contrast method），用该技术构建的显微镜称为相差显微镜（phase contrast microscope）。
1935年，泽尔尼克在光学学会上发表演讲，首次正式公布这一成果。但最初未能引起足够的重视，部分制造商也质疑其商业前景。直到1941年，德国蔡司公司开始生产商用相差显微镜，该技术才迅速推广。
泽尔尼克多项式（1934年） 泽尔尼克在研究光学像差时发展了正交多项式系统，对圆域上的波前像差进行定量拟合。这些多项式因Zernike命名，称为泽尔尼克多项式。每个泽尔尼克项对应于一种基本的光学像差类型（如离焦、像散、彗差、球差等），使光学设计者可以精确描述和校正像差。
获奖成就
1953年，泽尔尼克获得诺贝尔物理学奖，颁奖词称"表彰他展示的相位衬度方法，特别是他发明的相差显微镜"。他于1946年当选荷兰皇家艺术与科学学院院士。1952年获美国光学学会朗福德奖章。1955年获得英国皇家显微学会荣誉院士称号。他拥有多所大学的荣誉博士学位，包括阿姆斯特丹大学和格罗宁根大学。
历史贡献
相差显微镜的发明被认为是显微镜史上自17世纪列文虎克以来的最大革命。它使科学家第一次能够对活的、未染色的生物标本进行高分辨率观察——包括活的癌细胞、细菌分裂过程、细胞器动态等。生物学和医学研究因此获得到了一种不可或缺的工具。至今，相差显微镜仍是全世界每一所生物学和医学实验室的基本配置。
泽尔尼克多項式在20世纪末至21世纪初的内涵被极大地扩展。它在自适应光学中用于补偿大气湍流的畸变（天文望远镜校正）、在人造角膜接触镜设计中描述波前像差、在激光光束质量表征中广泛应用。现代大型望远镜（如凯克望远镜、甚大望远镜VLT）的自适应光学系统就是依靠泽尔尼克多项式进行波前拟合的。
轶事典故
相差显微镜的发现带有相当的"意外"色彩。1930年，泽尔尼克在审查蔡司公司衍射光栅的刻线质量时，发现光栅的物理缺陷导致的相位变化竟然加强了干涉条纹的可见度。他敏锐地抓住了这一细微现象，追问自己"为什么相位信息在光栅上可见，在显微镜下却不可见？"这一追问直接催生了相位衬度概念。
泽尔尼克面临过一段相当长的被冷落期。1930年代初期，他向几家显微镜制造商推销他的设计，都被礼貌地拒绝。蔡司公司的光学专家认为"不可能让透明物体变成可见"。泽尔尼克后来回忆说："我得到的回答只有两种：'这毫无意义'或'这肯定不行'。所幸我没有因此而放弃。"
他对显微镜的情有独钟也反映在他的个人生活中——他是一位狂热的业余植物学家，经常用自制的显微镜观察各种植物样本。他的同事笑说："泽尔尼克教授研究植物的热情绝不逊于他研究物理的热情。"
参考文献
- Zernike, F. (1934). "Diffraction Theory of the Knife-Edge Test and its Improved Form, the Phase-Contrast Method". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 94: 377–384.
- Zernike, F. (1942). "The Phase Contrast Method in Microscopy". Physica. 9: 686–698.
- Nobel Foundation. (1953). "Frits Zernike – Biography". NobelPrize.org.
- Righi, A. (1975). "Frits Zernike". Dictionary of Scientific Biography. New York: Charles Scribner's Sons.