Einfachheit verbirgt sich in diesem Chaos, und es ist nur an uns, sie zu entdecken.
Augustin-Jean Fresnel war ein französischer Bauingenieur und Physiker, dessen Forschungen in der Optik von Ende der 1830er Jahre bis zum Ende des 19. Jahrhunderts zur nahezu einstimmigen Akzeptanz der Wellentheorie des Lichts führten, wobei jegliche Reste von Newtons Korpuskeltheorie ausgeschlossen wurden. Er ist vielleicht besser bekannt für die Erfindung der katadioptischen reflektiven/refraktiven Fresnel-Linse und für die Pionierarbeit bei der Verwendung von „gestuften" Linsen zur Verlängerung der Sichtbarkeit von Leuchttürmen, was unzählige Leben auf dem Meer rettete. Die einfachere dioptrische rein refraktive gestufte Linse, die erstmals von Graf Buffon vorgeschlagen und unabhängig von Fresnel wiedererfunden wurde, wird in Bildschirmlupenprojektoren und in Kondensorlinsen für Overheadprojektoren verwendet.
Durch die Ausdrückung von Huygens' Prinzip der Sekundärwellen und Youngs Prinzip der Interferenz in quantitativen Begriffen und unter der Annahme, dass einfache Farben aus sinusoidalen Wellen bestehen, gab Fresnel die erste befriedigende Erklärung der Beugung durch gerade Kanten, einschließlich der ersten befriedigenden wellengestützten Erklärung der geradlinigen Ausbreitung. Teil seines Arguments war ein Beweis, dass die Addition von sinusoidalen Funktionen derselben Frequenz, aber unterschiedlicher Phasen analog zur Addition von Kräften mit unterschiedlichen Richtungen ist. Durch die weitere Annahme, dass Lichtwellen rein transversal sind, erklärte Fresnel die Natur der Polarisation, den Mechanismus der chromatischen Polarisation und die Transmissions- und Reflexionskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen zwei transparenten isotropen Medien. Dann, durch Verallgemeinerung der Richtungs-Geschwindigkeits-Polarisations-Beziehung für Kalkspat, erklärte er die Richtungen und Polarisationen der gebrochenen Strahlen in doppelbrechenden Kristallen der biaxialen Klasse – jenen, für die Huygens' sekundäre Wellenfronten nicht achsensymmetrisch sind. Der Zeitraum zwischen der ersten Veröffentlichung seiner rein transversalen Wellen-Hypothese und der Einreichung seiner ersten korrekten Lösung des biaxialen Problems betrug weniger als ein Jahr.
Später prägte er die Begriffe lineare Polarisation, zirkuläre Polarisation und elliptische Polarisation, erklärte, wie optische Rotation als Unterschied in Ausbreitungsgeschwindigkeiten für die zwei Richtungen der zirkulären Polarisation verstanden werden könnte, und durch Erlaubnis des Reflexionskoeffizienten, komplex zu sein, erklärte er die Änderung der Polarisation durch Totalreflexion, wie sie im Fresnel-Rhombus ausgenutzt wird. Verteidiger der etablierten Korpuskeltheorie konnten seine quantitativen Erklärungen von so vielen Phänomenen mit so wenigen Annahmen nicht erreichen.
Fresnel kämpfte zeitlebens gegen Tuberkulose, der er im Alter von 39 Jahren erlag. Obwohl er zu seinen Lebzeiten keine öffentliche Berühmtheit wurde, lebte er gerade lange genug, um gebührende Anerkennung von seinen Mitarbeitern zu erhalten, einschließlich auf seinem Sterbebett der Rumford-Medaille der Royal Society of London, und sein Name ist in der modernen Terminologie der Optik und Wellen allgegenwärtig. Nachdem die Wellentheorie des Lichts in den 1860er Jahren in Maxwells elektromagnetische Theorie aufgenommen wurde, wurde einige Aufmerksamkeit von der Größe von Fresnels Beitrag abgelenkt. In der Zeit zwischen Fresnels Vereinigung der physikalischen Optik und Maxwells umfassenderer Vereinigung beschrieb eine zeitgenössische Autorität, Humphrey Lloyd, Fresnels transversale Wellentheorie als „das edelste Bauwerk, das jemals die Domäne der physikalischen Wissenschaften geziert hat, nur Newtons System des Universums ausgenommen."
Frühes Leben
Familie
Augustin-Jean Fresnel, auch Augustin Jean oder einfach Augustin genannt, geboren in Broglie, Normandie, am 10. Mai 1788, war der zweite von vier Söhnen des Architekten Jacques Fresnel 1755–1805 und seiner Frau Augustine, geb. Mérimée 1755–1833. 1790 wurde Broglie nach der Revolution Teil des Départements Eure. Die Familie zog zweimal um – 1789/90 nach Cherbourg und 1794 in Jaques' Heimatstadt Mathieu, wo Madame Fresnel 25 Jahre lang als Witwe leben würde, wobei sie zwei ihrer Söhne überlebte.
Der älteste Sohn, Louis 1786–1809, wurde in die École Polytechnique aufgenommen, wurde Leutnant in der Artillerie und wurde im Kampf in Jaca, Spanien, einen Tag vor seinem 23. Geburtstag getötet. Der dritte, Léonor 1790–1869, folgte Augustin ins Bauingenieurwesen, löste ihn als Sekretär der Leuchtturm-Kommission ab und half, seine gesammelten Werke zu redigieren. Der vierte, Fulgence Fresnel 1795–1855, wurde ein bekannter Linguist, Diplomat und Orientalist und half Augustin gelegentlich bei Verhandlungen. Léonor war anscheinend der einzige der vier, der heiratete.
Ihr Onkel mütterlicherseits, Jean François „Léonor" Mérimée 1757–1836, Vater des Schriftstellers Prosper Mérimée 1803–1870, war ein Maler, der seine Aufmerksamkeit der Chemie der Malerei widmete. Er wurde Ständiger Sekretär der École des Beaux-Arts und bis 1814 Professor an der École Polytechnique und war der erste Kontaktpunkt zwischen Augustin und den führenden optischen Physikern der Zeit (siehe unten).
Ausbildung
Die Brüder Fresnel wurden zunächst von ihrer Mutter zu Hause unterrichtet. Der kränkliche Augustin galt als der langsame, nicht zum Auswendiglernen geneigte; aber die populäre Geschichte, dass er kaum mit dem Lesen im Alter von acht Jahren begann, ist umstritten. Im Alter von neun oder zehn Jahren war er unauffällig, außer für seine Fähigkeit, Baumäste in funktionierende Spielzeugbögen und Gewehre umzuwandeln, die viel zu gut funktionierten, was ihm von seinen Mitverschwörern den Titel l'homme de génie – der Mann des Genies – einbrachte und eine einhellige Reaktion ihrer Ältesten.
1801 wurde Augustin zur École Centrale in Caen geschickt, als Begleitung für Louis. Aber Augustin verbesserte seine Leistungen: Ende 1804 wurde er in die École Polytechnique aufgenommen und belegte Platz 17 in der Aufnahmeprüfung. Da die detaillierten Unterlagen der École Polytechnique erst 1808 beginnen, wissen wir wenig über Augustins Zeit dort, außer dass er wenige oder gar keine Freunde machte und – trotz andauernder schlechter Gesundheit – in Zeichnen und Geometrie hervorragte: in seinem ersten Jahr erhielt er einen Preis für seine Lösung eines Geometrieproblems von Adrien-Marie Legendre. Nach seinem Abschluss 1806 schrieb er sich an der École Nationale des Ponts et Chaussées – Nationale Schule für Brücken und Straßen, auch bekannt als „ENPC" oder „École des Ponts" – ein, von der er 1809 graduierte und in den Dienst des Corps des Ponts et Chaussées als ingénieur ordinaire aspirant – gewöhnlicher Ingenieur in Ausbildung – eintrat. Direkt oder indirekt sollte er für den Rest seines Lebens in der Beschäftigung des „Corps des Ponts" bleiben.
Religiöse Formation
Augustin Fresnels Eltern waren römisch-katholische Anhänger der jansenistischen Sekte, die sich durch eine extreme augustinische Sicht auf die Erbsünde auszeichnete. Religion hatte den ersten Platz in der Heimschule der Jungen. 1802 sagte Mme Fresnel angeblich:
Ich bete Gott an, meinem Sohn die Gnade zu geben, die großen Talente, die er erhalten hat, für seinen eigenen Nutzen und für den Gott aller einzusetzen. Viel wird von dem verlangt, dem viel gegeben wurde, und das meiste wird von dem verlangt, der das meiste erhalten hat.
Augustin blieb Jansenist. Er betrachtete seine intellektuellen Talente tatsächlich als Gaben Gottes und war der Ansicht, dass es seine Pflicht war, sie zum Wohle anderer einzusetzen. Geplagt durch schlechte Gesundheit und entschlossen, seine Pflicht zu erfüllen, bevor der Tod ihn überlistete, mied er Vergnügungen und arbeitete bis zur Erschöpfung. Laut seinem Mitingenieur Alphonse Duleau, der ihm bei seiner letzten Krankheit half, sah Fresnel das Studium der Natur als Teil des Studiums der Macht und Güte Gottes. Er stellte Tugend über Wissenschaft und Genie. Doch in seinen letzten Tagen brauchte er „Seelenkraft", nicht nur gegen den Tod allein, sondern gegen „die Unterbrechung von Entdeckungen…, aus denen er nützliche Anwendungen erhalten hoffte."
Der Jansenismus wird von der römisch-katholischen Kirche als ketzerisch angesehen (siehe Liste der christlichen Häresien), und dies könnte teilweise erklären, warum Fresnel, trotz seiner wissenschaftlichen Leistungen und seiner königalistischen Anmeldungen, nie einen festen akademischen Lehrposten erhielt; seine einzige Lehrberufung war im Winter 1819–20 am Athénée. Jedenfalls erwähnt der kurze Artikel über Fresnel in der alten Katholischen Enzyklopädie seinen Jansenismus nicht, beschreibt ihn aber als „einen zutiefst religiösen Mann und bemerkenswert für seinen ausgeprägten Pflichtbewusstsein."
Ingenieuraufträge
Fresnel wurde zunächst in das westliche Département Vendée versetzt. Dort anticipierte er 1811 das, was als Solvay-Prozess zur Herstellung von Soda bekannt wurde, mit der Ausnahme, dass das Recycling von Ammoniak nicht in Betracht gezogen wurde. Dieser Unterschied könnte erklären, warum führende Chemiker, die durch seinen Onkel Léonor von seiner Entdeckung erfuhren, sie schließlich für unwirtschaftlich hielten.
Um 1812 wurde Fresnel nach Nyons im südlichen Département Drôme geschickt, um bei der Reichsautobahn zu helfen, die Spanien und Italien verbinden sollte. Es ist aus Nyons, dass wir die erste Evidenz seines Interesses an Optik haben. Am 15. Mai 1814 schrieb Fresnel während der Arbeit wegen Napoleons Niederlage schleppend verlief, ein „P.S." an seinen Bruder Léonor, in dem er teilweise sagte:
Ich würde auch gerne Papiere haben, die mir von den Entdeckungen französischer Physiker zur Polarisation von Licht erzählen könnten. Ich sah im Moniteur von vor einigen Monaten, dass Biot dem Institut eine sehr interessante Abhandlung zur Polarisation von Licht vorgelesen hatte. Obwohl ich mir den Kopf zerbreche, kann ich nicht erraten, was das ist.
Noch am 28. Dezember wartete er auf Informationen, aber er hatte Biots Abhandlung bis zum 10. Februar 1815 erhalten. Das Institut de France hatte 1795 die Funktionen der Französischen Académie des Sciences und anderer Akademien übernommen. 1816 erlangte die Académie des Sciences ihren Namen und ihre Autonomie zurück, blieb aber Teil des Instituts.
Im März 1815, nachdem er Napoleons Rückkehr aus Elba als „einen Angriff auf die Zivilisation" wahrnahm, verließ Fresnel ohne Genehmigung, eilte nach Toulouse und bot seine Dienste dem königalistischen Widerstand an, befand sich aber bald auf der Krankliste. Bei seiner Rückkehr nach Nyons in der Niederlage wurde er bedroht und seine Fenster wurden zerbrochen. Während der Hundert Tage wurde er suspendiert, was er schließlich im Haus seiner Mutter in Mathieu verbringen durfte. Dort nutzte er seine erzwungene Freizeit, um seine optischen Experimente zu beginnen.
Beiträge zur physikalischen Optik
Historischer Kontext: Von Newton bis Biot
Die Würdigung von Fresnels Rekonstruktion der physikalischen Optik könnte durch einen Überblick über den fragmentarischen Zustand, in dem er das Thema vorfand, unterstützt werden. In diesem Unterabschnitt sind optische Phänomene, die unerklärlich waren oder deren Erklärungen umstritten waren, in Fettschrift aufgeführt.
Die von Isaac Newton bevorzugte und von fast allen Fresnels Vorgängern akzeptierte Korpuskeltheorie des Lichts erklärte leicht die geradlinige Ausbreitung: Die Korpuskeln bewegten sich offensichtlich sehr schnell, so dass ihre Bahnen sehr nahezu geradlinig waren. Die Wellentheorie, wie sie Christiaan Huygens in seiner Abhandlung über Licht 1690 entwickelt hatte, erklärte die geradlinige Ausbreitung unter der Annahme, dass jeder Punkt, den eine wandernde Wellenfront kreuzt, zur Quelle einer sekundären Wellenfront wird. Angesichts der anfänglichen Position einer wandernden Wellenfront war jede spätere Position nach Huygens die gemeinsame Tangentenfläche – Hülle – der von der früheren Position emittierten sekundären Wellenfronten. Da das Ausmaß der gemeinsamen Tangente durch das Ausmaß der anfänglichen Wellenfront begrenzt war, gab die wiederholte Anwendung der Huygenschen Konstruktion auf eine ebene Wellenfront begrenzten Umfangs in einem homogenen Medium einen geraden, parallelen Strahl. Während diese Konstruktion tatsächlich die geradlinige Ausbreitung vorhersagte, war es schwierig, sie mit der häufigen Beobachtung zu vereinbaren, dass Wellenfronten auf der Wasseroberfläche um Hindernisse herum biegen können, und mit dem ähnlichen Verhalten von Schallwellen – was Newton dazu veranlasste, bis zum Ende seines Lebens zu behaupten, dass wenn Licht aus Wellen bestünde, es „sich in alle Richtungen biegen und in die Schatten verbreiten" würde.
Die Theorie von Huygens erklärte nett das Gesetz der gewöhnlichen Reflexion und das Gesetz der gewöhnlichen Brechung – „Snells Gesetz" – vorausgesetzt, dass die sekundären Wellen in dichteren Medien – jenen mit höherem Brechungsindex – langsamer wanderten. Die Korpuskeltheorie, mit der Hypothese, dass die Korpuskeln Kräften senkrecht zu Oberflächen unterworfen waren, erklärte die gleichen Gesetze gleich gut, allerdings mit der Auswirkung, dass sich Licht in dichteren Medien schneller ausbreitet; diese Auswirkung war falsch, konnte aber mit der Technologie von Newtons Zeit oder sogar Fresnels Zeit nicht direkt widerlegt werden (siehe Fizeau-Foucault-Apparat).
Gleich nicht eindeutig war die stellare Aberration – das heißt, die scheinbare Änderung der Position eines Sterns aufgrund der Geschwindigkeit der Erde über die Sichtlinie – nicht zu verwechseln mit stellarer Parallaxe, die auf die Verschiebung der Erde über die Sichtlinie zurückzuführen ist. Von James Bradley 1728 identifiziert, wurde die stellare Aberration weit als Bestätigung der Korpuskeltheorie angesehen. Aber sie war gleich kompatibel mit der Wellentheorie, wie Euler 1746 bemerkte – stillschweigend annehmend, dass der Äther – das angenommene wellentragenden Medium in der Nähe der Erde – nicht durch die Bewegung der Erde gestört wurde.
Die herausragende Stärke der Huygenschen Theorie war seine Erklärung der Doppelbrechung – Doppelbrechung – von „Islandkristall" – transparentem Kalkspat – unter der Annahme
