La semplicità si cela in questo caos, e spetta a noi scoprirla.
Augustin-Jean Fresnel era un ingegnere civile e fisico francese le cui ricerche nell'ottica portarono all'accettazione quasi unanime della teoria ondulatoria della luce, escludendo ogni residuo della teoria corpuscolare di Newton, dalla fine degli anni 1830 fino alla fine del XIX secolo. È forse più noto per aver inventato la lente di Fresnel catadiotrica riflettente/rifrangente e per aver pionierato l'uso di lenti "a gradini" per estendere la visibilità dei fari, salvando innumerevoli vite in mare. La più semplice lente diotrica puramente rifrangente a gradini, proposta inizialmente dal Conte Buffon e reinventata indipendentemente da Fresnel, è utilizzata negli ingranditori di schermo e nei condensatori per proiettori overhead.
Esprimendo in termini quantitativi il principio di Huygens delle onde secondarie e il principio di interferenza di Young, e supponendo che i colori semplici consistessero di onde sinusoidali, Fresnel fornì la prima spiegazione soddisfacente della diffrazione da bordi rettilinei, inclusa la prima spiegazione soddisfacente basata sulle onde della propagazione rettilinea. Parte del suo argomento era una dimostrazione che l'addizione di funzioni sinusoidali della stessa frequenza ma con fasi diverse è analoga all'addizione di forze con direzioni diverse. Supponendo inoltre che le onde luminose fossero puramente trasversali, Fresnel spiegò la natura della polarizzazione, il meccanismo della polarizzazione cromatica, e i coefficienti di trasmissione e riflessione all'interfaccia tra due mezzi isotropi trasparenti. Quindi, generalizzando la relazione direzione-velocità-polarizzazione per la calcite, rese conto delle direzioni e delle polarizzazioni dei raggi rifratti in cristalli birifrangenti della classe bbiassiale quelli per i quali i fronti d'onda secondari di Huygens non sono assialsimmetrici. Il periodo tra la prima pubblicazione della sua ipotesi di onda puramente trasversale e la presentazione della sua prima soluzione corretta al problema bbiassiale, fu inferiore a un anno.
Successivamente, coniò i termini polarizzazione lineare, polarizzazione circolare e polarizzazione ellittica, spiegò come la rotazione ottica potesse essere intesa come una differenza nelle velocità di propagazione per i due sensi di polarizzazione circolare, e permettendo al coefficiente di riflessione di essere complesso rese conto del cambio di polarizzazione dovuto alla riflessione interna totale, come sfruttato nel rombo di Fresnel. I difensori della teoria corpuscolare consolidata non potevano uguagliare le sue spiegazioni quantitative di così tanti fenomeni su così pochi presupposti.
Fresnel ebbe una lotta continua con la tubercolosi, alla quale soccombette all'età di 39 anni. Sebbene non diventasse una celebrità pubblica durante la sua vita, visse abbastanza a lungo da ricevere il dovuto riconoscimento dai suoi pari, inclusa in punto di morte la Medaglia Rumford della Royal Society di Londra, e il suo nome è onnipresente nella terminologia moderna dell'ottica e delle onde. Dopo che la teoria ondulatoria della luce fu assorbita dalla teoria elettromagnetica di Maxwell negli anni 1860, parte dell'attenzione fu distolta dall'entità del contributo di Fresnel. Nel periodo tra l'unificazione di Fresnel dell'ottica fisica e la più ampia unificazione di Maxwell, un'autorità contemporanea, Humphrey Lloyd, descrisse la teoria dell'onda trasversale di Fresnel come "la struttura più nobile che abbia mai ornato il dominio della scienza fisica, eccetto il sistema dell'universo di Newton."
Primi anni di vita
Famiglia
Augustin-Jean Fresnel, anche chiamato Augustin Jean o semplicemente Augustin, nato a Broglie, Normandia, il 10 maggio 1788, era il secondo di quattro figli dell'architetto Jacques Fresnel 1755–1805 e di sua moglie Augustine, nata Mérimée 1755–1833. Nel 1790, in seguito alla Rivoluzione, Broglie divenne parte del dipartimento dell'Eure. La famiglia si trasferì due volte – nel 1789/90 a Cherbourg, e nel 1794 nella città natale di Jacques, Mathieu, dove Madame Fresnel avrebbe trascorso 25 anni come vedova, sopravvivendo a due dei suoi figli.
Il primo figlio, Louis 1786–1809, fu ammesso all'École Polytechnique, divenne tenente nell'artiglieria, e fu ucciso in azione a Jaca, Spagna, il giorno prima del suo 23º compleanno. Il terzo, Léonor 1790–1869, seguì Augustin nell'ingegneria civile, lo succedette come segretario della Commissione dei Fari, e aiutò a curare le sue opere raccolte. Il quarto, Fulgence Fresnel 1795–1855, divenne un noto linguista, diplomatico e orientalista, e occasionalmente assistette Augustin nei negoziati. Léonor apparentemente fu l'unico dei quattro che si sposò.
Lo zio minore di loro madre, Jean François "Léonor" Mérimée 1757–1836, padre dello scrittore Prosper Mérimée 1803–1870, era un artista pittore che rivolse la sua attenzione alla chimica della pittura. Divenne Segretario Permanente dell'École des Beaux-Arts e fino al 1814 professore all'École Polytechnique, e fu il primo punto di contatto tra Augustin e i principali fisici ottici dell'epoca vedi sotto.
Educazione
I fratelli Fresnel furono inizialmente istruiti a casa dalla loro madre. L'Augustin malaticcio era considerato il lento, non incline alla memorizzazione; ma la storia popolare secondo cui avrebbe iniziato a leggere appena all'età di otto anni è contestata. All'età di nove o dieci anni era indistinto eccetto per la sua capacità di trasformare i rami degli alberi in giocattoli archi e pistole che funzionavano fin troppo bene, guadagnandosi il titolo l'homme de génie l'uomo di genio dai suoi complici, e una repressione unita dai loro anziani.
Nel 1801, Augustin fu mandato all'École Centrale di Caen, come compagnia per Louis. Ma Augustin migliorò le sue prestazioni: alla fine del 1804 fu accettato all'École Polytechnique, essendo classificato 17º all'esame di ammissione. Poiché i record dettagliati dell'École Polytechnique iniziano nel 1808, sappiamo poco del periodo di Augustin lì, se non che fece pochi o nessun amico e – nonostante la continua cattiva salute – eccelleva nel disegno e nella geometria: nel suo primo anno ricevette un premio per la sua soluzione a un problema di geometria posto da Adrien-Marie Legendre. Laureandosi nel 1806, si iscrisse quindi all'École Nationale des Ponts et Chaussées Scuola Nazionale di Ponti e Strade, conosciuta anche come "ENPC" o "École des Ponts", da cui si laureò nel 1809, entrando al servizio del Corps des Ponts et Chaussées come ingénieur ordinaire aspirant ingegnere ordinario in tirocinio. Direttamente o indirettamente, rimase al servizio del "Corps des Ponts" per il resto della sua vita.
Formazione religiosa
I genitori di Augustin Fresnel erano cattolici romani della setta giansenista, caratterizzata da una visione estremista agostiniana del peccato originale. La religione occupava il primo posto nell'istruzione domestica dei ragazzi. Nel 1802, Mme Fresnel riferibilmente disse:
Prego Dio di dare a mio figlio la grazia di impiegare i grandi talenti che ha ricevuto, per suo beneficio e per il Dio di tutti. Molto sarà chiesto a colui al quale molto è stato dato, e la maggior parte sarà richiesta a colui che ha ricevuto di più.
Augustin rimase giansenista. Infatti considerava i suoi talenti intellettuali come doni da Dio, e riteneva suo dovere usarli per il beneficio degli altri. Tormentato dalla cattiva salute, e determinato a compiere il suo dovere prima che la morte lo fermasse, evitò i piaceri e lavorò fino all'esaurimento. Secondo il suo collega ingegnere Alphonse Duleau, che lo aiutò durante la sua malattia finale, Fresnel vedeva lo studio della natura come parte dello studio della potenza e della bontà di Dio. Metteva la virtù al di sopra della scienza e del genio. Tuttavia nei suoi ultimi giorni aveva bisogno di "forza d'animo," non solo contro la morte, ma contro "l'interruzione di scoperte... dalle quali sperasse di ricavare applicazioni utili."
Il giansenismo è considerato eretico dalla Chiesa cattolica romana vedi Elenco delle eresie cristiane, e potrebbe essere parte della spiegazione per cui Fresnel, nonostante i suoi successi scientifici e le sue credenziali realiste, non otteneva mai una posizione permanente come insegnante accademico; il suo unico incarico di insegnamento fu all'Athénée nell'inverno del 1819–20. Comunque sia, il breve articolo su Fresnel nella vecchia Enciclopedia cattolica non menziona il suo giansenismo, ma lo descrive come "un uomo profondamente religioso e notevole per il suo acuto senso del dovere."
Incarichi di ingegneria
Fresnel fu inizialmente assegnato al dipartimento occidentale della Vandea. Lì, nel 1811, anticipò quello che divenne noto come il processo Solvay per la produzione di carbonato di sodio, eccetto che il riciclaggio dell'ammoniaca non era considerato. Quella differenza potrebbe spiegare perché i principali chimici, che venuti a conoscenza della sua scoperta attraverso suo zio Léonor, alla fine pensavano che fosse antieconomico.
Intorno al 1812, Fresnel fu inviato a Nyons, nel dipartimento meridionale della Drôme, per assistere alla strada imperiale che doveva collegare la Spagna e l'Italia. È da Nyons che abbiamo le prime prove del suo interesse per l'ottica. Il 15 maggio 1814, mentre i lavori procedevano lentamente a causa della sconfitta di Napoleone, Fresnel scrisse una "P.S." a suo fratello Léonor, dicendo in parte:
Vorrei anche avere articoli che potessero dirmi delle scoperte dei fisici francesi sulla polarizzazione della luce. Ho visto nel Moniteur di pochi mesi fa che Biot aveva letto all'Istituto una memoria molto interessante sulla polarizzazione della luce. Per quanto mi sforzi, non riesco a indovinare di cosa si tratti.
Ancora il 28 dicembre stava aspettando informazioni, ma aveva ricevuto la memoria di Biot entro il 10 febbraio 1815. L'Institut de France aveva assunto le funzioni dell'Académie des Sciences francese e di altre accademie nel 1795. Nel 1816 l'Académie des Sciences recuperò il suo nome e la sua autonomia, ma rimase parte dell'Istituto.
Nel marzo 1815, percependo il ritorno di Napoleone da Elba come "un attacco alla civiltà", Fresnel partì senza permesso, si affrettò a Tolosa e offrì i suoi servizi alla resistenza realista, ma presto si trovò nella lista dei malati. Tornando a Nyons in sconfitta, fu minacciato e ebbe le finestre rotte. Durante i Cento Giorni fu sospeso, il che gli fu infine permesso di trascorrere a casa di sua madre a Mathieu. Lì usò il suo ozio forzato per iniziare i suoi esperimenti ottici.
Contributi all'ottica fisica
Contesto storico: Da Newton a Biot
L'apprezzamento della ricostruzione da parte di Fresnel dell'ottica fisica potrebbe essere assistito da una panoramica dello stato frammentario in cui trovò il soggetto. In questa sottosezione, i fenomeni ottici che erano inspiegabili o le cui spiegazioni erano contestate sono nominati in grassetto.
La teoria corpuscolare della luce, favorita da Isaac Newton e accettata da quasi tutti i contemporanei di Fresnel, spiegava facilmente la propagazione rettilinea: i corpuscoli ovviamente si muovevano molto velocemente, così che i loro percorsi erano molto quasi rettilinei. La teoria ondulatoria, come sviluppata da Christiaan Huygens nel suo Trattato sulla luce 1690, spiegava la propagazione rettilinea sull'assunzione che ogni punto attraversato da un fronte d'onda in movimento diventasse la sorgente di un fronte d'onda secondario. Data la posizione iniziale di un fronte d'onda in movimento, qualsiasi posizione successiva secondo Huygens era la superficie tangente comune inviluppo dei fronti d'onda secondari emessi dalla posizione precedente. Poiché l'estensione della tangente comune era limitata dall'estensione del fronte d'onda iniziale, l'applicazione ripetuta della costruzione di Huygens a un fronte d'onda piano di estensione limitata in un mezzo uniforme dava un fascio rettilineo e parallelo. Sebbene questa costruzione effettivamente predicesse la propagazione rettilinea, era difficile riconciliarla con l'osservazione comune che i fronti d'onda sulla superficie dell'acqua possono piegarsi intorno agli ostacoli, e con il comportamento simile delle onde sonore – causando Newton a mantenere, fino alla fine della sua vita, che se la luce consistesse di onde si "piega e diffonde in ogni modo" nelle ombre.
La teoria di Huygens spiegava nitidamente la legge della riflessione ordinaria e la legge della rifrazione ordinaria "la legge di Snell", a condizione che le onde secondarie viaggiassero più lentamente nei mezzi più densi quelli di indice di rifrazione più alto. La teoria corpuscolare, con l'ipotesi che i corpuscoli fossero soggetti a forze agenti perpendicolari alle superfici, spiegava le stesse leggi ugualmente bene, sebbene con l'implicazione che la luce viaggiasse più velocemente nei mezzi più densi; quell'implicazione era sbagliata, ma non poteva essere direttamente smentita con la tecnologia del tempo di Newton o persino del tempo di Fresnel vedi apparato Fizeau–Foucault.
Ugualmente inconcludente era l'aberrazione stellare—cioè, il cambiamento apparente nella posizione di una stella dovuto alla velocità della terra attraverso la linea di vista da non confondere con la parallasse stellare, che è dovuta allo spostamento della terra attraverso la linea di vista. Identificata da James Bradley nel 1728, l'aberrazione stellare era ampiamente considerata come conferma della teoria corpuscolare. Ma era ugualmente compatibile con la teoria ondulatoria, come notò Euler nel 1746 – tacitamente assumendo che l'etere il supposto mezzo che trasporta le onde vicino alla terra non fosse disturbato dal movimento della terra.
La forza eccezionale della teoria di Huygens era la sua spiegazione della birifrangenza doppia rifrazione del "cristallo d'Islanda" calcite trasparente, sull'assunto
