50 χρόνια από το Nobel για το μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης

Άρθρο, Μάιος 2003

Το βραβείο Νόμπελ για τη φυσική του 1953 δόθηκε στον Ολλανδό Frits Zernike (1888-1966), του Πανεπιστημίου Groningen, για τη μέθοδο της αντίθεσης φάσης, που επινοήθηκε από τον ίδιο, και ιδιαίτερα για την εφεύρεση του μικροσκοπίου της αντίθεσης φάσης. Έτσι έγιναν ορατά στο μικροσκόπιο λεπτομέρειες στα διάφανα, άχρωμα ή τα απολύτως ανακλαστικά υλικά.

Ο Zernike ενώ σπούδασε Χημεία και Φυσική, ασχολήθηκε τελικά με την οπτική. Οι έρευνες του εμπίπτουν στο τμήμα της οπτικής που αντιλαμβάνεται την έννοια του φωτός ως κύμα. Έτσι μεταξύ άλλων, δέχεται ότι το φως λόγω συμβολής μπορεί σε ορισμένα σημεία να εξαφανιστεί, να πάθει περίθλαση και να σκεδαστεί από μικρά σωματίδια ή μικροσκοπικά αντικείμενα. Όλα αυτά τα φαινόμενα ανήκουν στην κλασσική κι όχι στην κβαντική φυσική.

Από το 1930, που στράφηκε στην οπτική, ο  Zernike ανέπτυξε την αντίθεση φάσης, συνέγραψε εργασίες πάνω στα λάθη της απεικόνισης του κοίλου πλέγματος διάθλασης και στη μερική συνοχή. Με τη συνεργασία των μαθητών του έλυσε το πρόβλημα της επίδρασης των ανωμαλιών των φακών στο φράγμα περίθλασης κατά την εστίαση (1938-1948).

Είναι ενδιαφέρον ότι η μεγάλη ανακάλυψή του για το φαινόμενο της αντίθεσης φάσης, που ανακάλυψε ένα βράδυ του 1930 σε ένα συνολικά μαύρο οπτικό εργαστήριο, δεν έλαβε αμέσως την προσοχή που άξιζε. Τα διάσημα εργοστάσια Zeiss στην Ιένα υποτίμησαν εντελώς την αξία του μικροσκοπίου της αντίθεσης φάσης.

Μέχρι που ο γερμανικός στρατός εκτίμησε όλες τις εφευρέσεις που μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν τον πόλεμο (το 1941) και τότε άρχισαν να κατασκευάζονται τα πρώτα μικροσκόπια της αντίθεσης φάσης. Η κατάσταση που προέκυψε ήταν τραγική.  Γιατί από τη μια τα γερμανικά εργοστάσια κατασκεύαζαν την παραμελημένη εφεύρεση του Zernike ενώ από την άλλη ο ίδιος, υπέφερε στην Ολλανδία υπό τη Γερμανική κατοχή. Μετά τον πόλεμο, ανέλαβαν κι άλλες εταιρίες την παραγωγή πολλών χιλιάδων τέτοιων μικροσκοπίων. Με αυτόν τον τρόπο βοήθησε την επιστήμη, και ειδικότερα την ιατρική, κάτι που έπρεπε να είχε πραγματοποιηθεί περίπου είκοσι χρόνια νωρίτερα.

Από την ιστορία της φυσικής

Δεν θα είναι υπερβολή να υποστηρίξει κάποιος ότι το μικροσκόπιο είναι ένα από τα σημαντικότερα όργανα της έρευνας στην εποχή μας. Κάθε μικρή βελτίωση του, μπορεί να προετοιμάσει το έδαφος για σημαντικές προόδους στις φυσικές επιστήμες, την ιατρική, και τις τεχνικές επιστήμες. Γι' αυτό έτυχε μεγάλης τεχνικής και θεωρητικής μελέτης. Τα οπτικά μικροσκόπια του Ernst Abbe των εργαστηρίων Zeiss μέχρι τα σημερινά ηλεκτρονικά μικροσκόπια, ακολούθησαν συνεχώς τεράστιες καινοτομίες.

Αλλά με τα παλιά μικροσκόπια Abbe ήταν πολύ δύσκολο τα μικροσκοπικά αντικείμενα,  όπως είναι οι μικροοργανισμοί --βακτηρίδια και κύτταρα,  να ξεχωρίσουν από το περιβάλλον τους, γιατί είναι άχρωμα και διαφανή.

Για να να υπερνικήσουν αυτήν την δυσκολία χρησιμοποίησαν διάφορες μεθόδους χρωματισμού ή με ένα ειδικό σύστημα φωτισμού σκοτεινού πεδίου. Η μέθοδος χρωματισμού δεν είναι κατάλληλη για έμβια αντικείμενα, ενώ ο φωτισμός σκοτεινού πεδίου οδηγεί εύκολα σε μια παρερμηνεία των λεπτότερων λεπτομερειών στη δομική εικόνα.

Έτσι αυτές οι δυσκολίες της απεικόνισης στη δεκαετία του '30 οδήγησε το Zernike να επανεξετάσει τις διαδικασίες διάθλασης του φωτός, που προκαλούν το είδωλο σε ένα μικροσκόπιο. Ανακάλυψε λοιπόν ότι υπήρχε μια ανεπαίσθητη μεταβολή φάσης στην ακτίνα του φωτός όταν αυτή περνούσε μέσω ενός διαφανούς αντικειμένου. Αυτή δε η διαφορά φάσης αντιστοιχούσε σε λ/4 ως προς την ακτίνα που έπεφτε στο αντικείμενο. Φυσικά το μάτι μας δεν είναι ικανό να διακρίνει αυτή τη μεταβολή της φάσης που υφίσταται η ακτίνα του φωτός. 

Το πρόβλημα λοιπόν ήταν να μετασχηματιστούν αυτές οι ανεπαίσθητες διαφορές φάσης σε ορατές αντιθέσεις στην ένταση. Ο Zernike ήταν σε θέση να δείξει ότι αυτό ήταν δυνατό να γίνει, χάρις στο γεγονός ότι οι δύο ακτίνες του φωτός κάνουν διαφορετικές διαδρομές μέσα στο μικροσκόπιο πριν επανασυνδεθούν στο είδωλο.

Με την παρεμβολή στην πορεία της άμεσης ακτίνας, της ονομαζόμενης "πλάκας φάσεως", που είτε αυξάνει κι άλλο τη μετατόπιση φάσης σε λ/2 είτε την εξαφανίζει τελείως, ο Zernike πέτυχε την επιθυμητή επίδραση, έτσι ώστε οι δύο ακτίνες είτε εξαφανίζονται είτε ενισχύουν η μία την άλλη.  Κατ' αυτό τον τρόπο το αόρατο σωματίδιο, εμφανίζεται σε σκοτεινή ή φωτεινή αντίθεση με το περιβάλλον χώρο.

Το μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης χρησιμοποιείται σήμερα αρκετά για να εξετάσουμε δείγματα σαν τους βιολογικούς ιστούς. Είναι ένας τύπος οπτικού μικροσκοπίου που βελτιώνει το κοντράστ των διαφανών και έγχρωμων αντικειμένων επιδρώντας στη τροχιά του φωτός. Το μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης μπορεί να δείξει συστατικά ενός κυττάρου ή βακτηρίου, που θα ήταν πολύ δύσκολο να φανούν με το συνηθισμένο οπτικό μικροσκόπιο.

Η μέθοδος της αντίθεσης φάσης είχε κι άλλες πολλές σημαντικές εφαρμογές στην οπτική. Εκτός από την ικανότητα της μεθόδου να καταστήσει τα άχρωμα και διαφανή αντικείμενα ορατά στο μικροσκόπιο, επιτρέπει επίσης να ανιχνεύσει κάποιος μικρές ρωγμές στα κάτοπτρα, στους φακούς του τηλεσκοπίου, και άλλα όργανα για την έρευνα.

Το μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης

Η πλάκα φάσης αυξάνει τη διαφορά φάσης σε λ/2. Αυτό κάνει το δείγμα να εμφανίζεται σαν σκοτεινό αντικείμενο.

Το μικροσκόπιο χρησιμοποιεί την ιδιότητα να ταξιδεύει το φως πιο αργά όταν περνάει μέσα από ένα διαφανές υλικό, παρουσιάζοντας μια διαφορά φάσης. Αυτή η διαφορά  δεν είναι ορατή από το ανθρώπινο μάτι. Αν όμως αυξηθεί η διαφορά φάσης σε λ/2 τότε αυτό προξενεί μια διαφορά στην φωτεινότητα. Έτσι το διαφανές αντικείμενο γίνεται φωτεινότερο ως προς το περιβάλλον του.