Простота скрыта в этом хаосе, и только нам предстоит её открыть.
Augustin-Jean Fresnel был французским инженером-строителем и физиком, чьи исследования в области оптики привели к почти единодушному принятию волновой теории света, исключив любые остатки корпускулярной теории Newton'а, начиная с конца 1830-х годов и до конца XIX века. Он, пожалуй, лучше всего известен изобретением катадиоптрической отражающей/преломляющей линзы Fresnel и пионерской работой по использованию "ступенчатых" линз для расширения видимости маячников, спасая бесчисленные жизни в море. Более простая диоптрическая чисто преломляющая ступенчатая линза, впервые предложенная Count Buffon и независимо переизобретённая Fresnel, используется в лупах на экранах и в конденсорных линзах для проекторов с верхней подачей.
Выразив принцип Huygens'а вторичных волн и принцип Young'а интерференции в количественных терминах, и предположив, что простые цвета состоят из синусоидальных волн, Fresnel дал первое удовлетворительное объяснение дифракции на прямых краях, включая первое удовлетворительное волновое объяснение прямолинейного распространения. Часть его аргументации была доказательством того, что сложение синусоидальных функций одной и той же частоты, но разных фаз аналогично сложению сил в разных направлениях. Дополнительно предположив, что световые волны чисто поперечны, Fresnel объяснил природу поляризации, механизм хроматической поляризации и коэффициенты передачи и отражения на границе раздела двух прозрачных изотропных сред. Затем, обобщив соотношение направление-скорость-поляризация для кальцита, он объяснил направления и поляризации преломленных лучей в двулучепреломляющих кристаллах биаксиального класса, для которых вторичные волновые фронты Huygens'а не являются осесимметричными. Период между первой публикацией его гипотезы о чисто поперечных волнах и подачей его первого правильного решения биаксиальной задачи составил менее года.
Позже он ввел термины линейная поляризация, циклическая поляризация и эллиптическая поляризация, объяснил, как оптическое вращение можно понимать как разницу в скоростях распространения для двух направлений циклической поляризации, и, позволив коэффициенту отражения быть комплексным, учел изменение поляризации из-за полного внутреннего отражения, как это используется в ромбе Fresnel. Защитники установленной корпускулярной теории не могли сравниться с его количественными объяснениями столь многих явлений при столь малом числе предположений.
Fresnel всю жизнь боролся с туберкулёзом, от которого он скончался в возрасте 39 лет. Хотя он и не стал публичной знаменитостью при жизни, он прожил достаточно долго, чтобы получить должное признание от своих коллег, включая полученную на смертном одре медаль Rumford Королевского общества Лондона, и его имя повсеместно встречается в современной терминологии оптики и волн. После того как волновая теория света была поглощена электромагнитной теорией Maxwell'а в 1860-х годах, некоторое внимание было отвлечено от масштаба вклада Fresnel'я. В период между объединением физической оптики Fresnel'ем и более широким объединением Maxwell'а современный авторитет Humphrey Lloyd описал поперечноволновую теорию Fresnel'я как "благороднейшее здание, которое когда-либо украшало область физической науки, исключая разве что систему вселенной Newton'а".
Ранняя жизнь
Семья
Augustin-Jean Fresnel, также называемый Augustin Jean или просто Augustin, рождённый в Broglie, Normandy, 10 мая 1788 года, был вторым из четырёх сыновей архитектора Jacques Fresnel 1755–1805 и его жены Augustine, урождённой Mérimée 1755–1833. В 1790 году, после Революции, Broglie стал частью département Eure. Семья переезжала дважды – в 1789/90 в Cherbourg и в 1794 году в родной город Jacques Mathieu, где Madame Fresnel провела 25 лет вдовой, пережив двух своих сыновей.
Первый сын, Louis 1786–1809, был принят в École Polytechnique, стал лейтенантом артиллерии и был убит в боевых действиях в Jaca, Spain, за день до своего 23-летия. Третий, Léonor 1790–1869, последовал за Augustin в область гражданского строительства, сменил его на посту секретаря Lighthouse Commission и помогал в редактировании его собраных сочинений. Четвёртый, Fulgence Fresnel 1795–1855, стал известным лингвистом, дипломатом и ориенталистом, и иногда помогал Augustin в переговорах. Léonor, по-видимому, был единственным из четырёх, кто женился.
Младший брат их матери, Jean François "Léonor" Mérimée 1757–1836, отец писателя Prosper Mérimée 1803–1870, был художником, который обратил своё внимание на химию живописи. Он стал постоянным секретарём École des Beaux-Arts и до 1814 года профессором в École Polytechnique и был первоначальной точкой контакта между Augustin и ведущими оптическими физиками того времени см. ниже.
Образование
Братья Fresnel первоначально обучались дома их матерью. Болезненный Augustin считался медленным, не склонным к запоминанию; но популярная история о том, что он едва начал читать в возрасте восьми лет, оспаривается. В возрасте девяти или десяти лет он был ничем не выделяющимся, кроме его способности превращать ветви деревьев в игрушечные луки и ружья, которые работали слишком хорошо, получив от своих соучастников титул l'homme de génie гений, и объединённый отпор со стороны своих старших.
В 1801 году Augustin был отправлен в École Centrale в Caen в качестве компании для Louis. Но Augustin повысил свои показатели: в конце 1804 года он был принят в École Polytechnique, заняв 17-е место на вступительном экзамене. Поскольку подробные записи École Polytechnique начинаются с 1808 года, мы мало знаем о времени пребывания Augustin там, кроме того, что он практически не завел друзей и – несмотря на продолжающиеся проблемы со здоровьем – превосходно разбирался в рисовании и геометрии: в первый год он получил приз за своё решение задачи по геометрии, предложенной Adrien-Marie Legendre. Окончив в 1806 году, он затем поступил в École Nationale des Ponts et Chaussées Национальную школу мостов и дорог, также известную как "ENPC" или "École des Ponts", из которой он окончил в 1809 году, поступив на службу в Corps des Ponts et Chaussées в должности ingénieur ordinaire aspirant инженер в обучении. Прямо или косвенно он оставался на службе "Corps des Ponts" всю оставшуюся жизнь.
Религиозное формирование
Родители Augustin Fresnel были католиками римского вероисповедания янсенистского толка, характеризующегося крайним августинским взглядом на первородный грех. Религия заняла первое место в домашнем образовании мальчиков. В 1802 году Mme Fresnel, как сообщается, сказала:
Я молю Бога дать моему сыну благодать использовать великие таланты, которые он получил, для своего блага и блага Бога всех. От того, кому много дано, много потребуется, и от того, кто получил больше всего, потребуется больше всего.
Augustin остался янсенистом. Он действительно рассматривал свои интеллектуальные таланты как дары от Бога и считал своим долгом использовать их на благо других. Томимый слабым здоровьем и полный решимости исполнить свой долг, прежде чем смерть его помешает, он отвергал удовольствия и работал до изнеможения. По словам его коллеги-инженера Alphonse Duleau, который помогал ухаживать за ним во время его последней болезни, Fresnel рассматривал изучение природы как часть изучения силы и благости Бога. Он ставил добродетель выше науки и гения. Однако в его последние дни ему требывались "сила духа", не только против смерти, но и против "прерывания открытий… из которых он надеялся получить полезные применения".
Янсенизм считается ересью Римской католической церковью см. List of Christian heresies и может быть частью объяснения того, почему Fresnel, несмотря на его научные достижения и его роялистские убеждения, никогда не получил постоянной академической преподавательской должности; его единственное преподавательское назначение было в Athénée зимой 1819–20. Как бы то ни было, в краткой статье о Fresnel в старой Catholic Encyclopedia не упоминается его янсенизм, но описывается он как "глубоко верующий человек и примечательный своим острым чувством долга".
Инженерные назначения
Fresnel первоначально был направлен в западный département Vendée. Там в 1811 году он предвосхитил то, что позже стало известно как процесс Solvay производства соды, за исключением того, что переработка аммиака не рассматривалась. Эта разница может объяснить, почему ведущие химики, которые узнали о его открытии через его дядю Léonor, в конце концов посчитали это неэкономичным.
Около 1812 года Fresnel был отправлен в Nyons, в южный département Drôme, чтобы помочь с имперским шоссе, которое должно было соединить Spain и Italy. Именно из Nyons у нас есть первые доказательства его интереса к оптике. 15 мая 1814 года, пока работа была вялой из-за поражения Napoleon, Fresnel написал "P.S." своему брату Léonor, сказав в части:
Я также хотел бы иметь документы, которые могли бы рассказать мне об открытиях французских физиков в области поляризации света. Я видел в Moniteur несколько месяцев назад, что Biot читал Institute очень интересную записку о поляризации света. Хотя я ломаю голову, я не могу угадать, что это такое.
Уже 28 декабря он все еще ждал информации, но получил записку Biot к 10 февраля 1815 года. Institut de France взял на себя функции французской Académie des Sciences и других академий в 1795 году. В 1816 году Académie des Sciences вернула своё имя и автономию, но осталась частью Institute.
В марте 1815 года, воспринимая возвращение Napoleon из Elba как "нападение на цивилизацию", Fresnel уехал без разрешения, поспешил в Toulouse и предложил свои услуги роялистскому сопротивлению, но вскоре оказался на больничном листе. Возвращаясь в Nyons в поражении, ему угрожали и разбили его окна. Во время Hundred Days он был отстранён, что ему в конце концов позволили провести в доме его матери в Mathieu. Там он использовал вынужденный досуг для начала своих оптических экспериментов.
Вклад в физическую оптику
Исторический контекст: От Newton к Biot
Понимание реконструкции физической оптики Fresnel могло бы улучшиться благодаря обзору фрагментированного состояния, в котором он нашёл предмет. В этом подразделе оптические явления, которые были необъяснены или чьи объяснения были оспариваны, выделены жирным типом.
Корпускулярная теория света, одобренная Isaac Newton и принятая почти всеми старшими Fresnel, легко объясняла прямолинейное распространение: корпускулы, очевидно, двигались очень быстро, так что их пути были почти прямыми. Волновая теория, развитая Christiaan Huygens в его Treatise on Light 1690, объясняла прямолинейное распространение на предположении, что каждая точка, пересекаемая движущимся волновым фронтом, становится источником вторичного волнового фронта. Учитывая начальное положение движущегося волнового фронта, любое последующее положение в соответствии с Huygens было общей касательной поверхностью огибающей вторичных волновых фронтов, испущенных из более раннего положения. Поскольку протяжённость общей касательной ограничивалась протяжённостью начального волнового фронта, повторённое применение конструкции Huygens к плоскому волновому фронту ограниченной протяжённости в однородной среде давало прямой, параллельный пучок. Хотя эта конструкция действительно предсказывала прямолинейное распространение, было трудно согласовать с обычным наблюдением того, что волновые фронты на поверхности воды могут изгибаться вокруг препятствий, и с подобным поведением звуковых волн – заставляя Newton поддерживать до конца своей жизни, что если свет состоял из волн, он "изгибался бы и распространялся во все стороны" в тени.
Теория Huygens аккуратно объясняла закон обычного отражения и закон обычного преломления "Snell's law", при условии, что вторичные волны двигались медленнее в более плотных средах с более высоким показателем преломления. Корпускулярная теория, с гипотезой, что корпускулы подвергались силам, действующим перпендикулярно поверхностям, объясняла те же законы в равной степени хорошо, хотя с следствием, что свет двигался быстрее в более плотных средах; это следствие было неправильным, но не могло быть прямо опровергнуто технологией времён Newton или даже времён Fresnel см. Fizeau–Foucault apparatus.
Так же неубедительна была звёздная аберрация – то есть очевидное изменение положения звезды из-за скорости земли по линии зрения не путать со звёздным параллаксом, который обусловлен смещением земли по линии зрения. Определённая James Bradley в 1728 году, звёздная аберрация была широко воспринята как подтверждение корпускулярной теории. Но она была в равной степени совместима с волновой теорией, как отметил Euler в 1746 году – молчаливо предполагая, что эфир предположенная волноносящая среда близ земли не был нарушен движением земли.
Выдающейся силой теории Huygens было его объяснение двулучепреломления двойного преломления "Iceland crystal" прозрачного кальцита, на предположении
