Augustin-Jean Fresnel -Augustin-Jean Fresnel

Augustin-Jean Fresnel
Portrét „Augustina Fresnela“ z frontispisu jeho sebraných děl (1866)
narozený	( 1788-05-10 )10. května 1788 Broglie , Francouzské království
Zemřel	14. července 1827 (1827-07-14)(ve věku 39 let) Ville-d'Avray , Francouzské království
Odpočívadlo	hřbitov Père Lachaise
Národnost	francouzština
Vzdělání
Známý jako
Příbuzní
Ocenění
Vědecká kariéra
Pole	Fyzika , inženýrství
Instituce
Vlivy
Ovlivnil

Augustin-Jean Fresnel ( / ˈ f r eɪ n ɛ l , - n əl / FRAY -nel, -⁠nəl ; / ˈ f r ɛ n ɛ l , - əl / FREN -el, -⁠əl ; nebo / f r eɪ ˈ n ɛ l / fray- NEL ; francouzsky:  [oɡystɛ̃ ʒɑ̃ fʁɛnɛl] ; 10 května 1788 - 14 července 1827) byl francouzský stavební inženýr a fyzik , jehož výzkum v oblasti optiky vedl k téměř jednomyslnému přijetí vlnové teorie . s výjimkou jakéhokoli pozůstatku Newtonovy korpuskulární teorie od konce 30. let 19. století do konce 19. století. Možná je známější tím, že vynalezl katadioptrickou (reflexní/refrakční) Fresnelovu čočku a že je průkopníkem v používání „odstupňovaných“ čoček k rozšíření viditelnosti majáků a zachraňování bezpočtu životů na moři. Jednodušší dioptrická (čistě refrakční) stupňovitá čočka, kterou poprvé navrhl hrabě Buffon   a nezávisle znovu vynalezl Fresnel, se používá v obrazovkových lupách a v kondenzorových čočkách pro zpětné projektory .

Vyjádřením Huygensova principu sekundárních vln a Youngova principu interference kvantitativně a za předpokladu, že jednoduché barvy sestávají ze sinusových vln, podal Fresnel první uspokojivé vysvětlení difrakce přímými hranami, včetně prvního uspokojivého vysvětlení založeného na vlnách. přímočarého šíření. Součástí jeho argumentu byl důkaz, že sčítání sinusových funkcí stejné frekvence, ale různých fází je analogické se sčítáním sil s různými směry. Dalším předpokladem, že světelné vlny jsou čistě příčné , Fresnel vysvětlil povahu polarizace , mechanismus chromatické polarizace a koeficienty přenosu a odrazu na rozhraní mezi dvěma průhlednými izotropními médii. Poté, zobecněním vztahu směr-rychlost-polarizace pro kalcit , zohlednil směry a polarizace lomených paprsků v dvojitě lomivých krystalech biaxiální třídy (těch, pro které nejsou Huygensovy sekundární vlnoplochy osově symetrické ). Období mezi prvním zveřejněním jeho hypotézy o čistých příčných vlnách a předložením jeho prvního správného řešení biaxiálního problému bylo méně než rok.

Později vytvořil termíny lineární polarizace , kruhová polarizace a eliptická polarizace , vysvětlil, jak lze optickou rotaci chápat jako rozdíl v rychlostech šíření pro dva směry kruhové polarizace, a (tím, že umožnil, aby koeficient odrazu byl komplexní ) změna polarizace kvůli úplnému vnitřnímu odrazu , jak je využíváno ve Fresnelově kosočtverci . Obhájci zavedené korpuskulární teorie se nemohli rovnat jeho kvantitativním vysvětlením tolika jevů na tak málo předpokladech.

Fresnel měl celoživotní boj s tuberkulózou , které podlehl ve věku 39 let. Přestože se za svého života nestal veřejně známou osobností, žil jen tak dlouho, aby se mu dostalo náležitého uznání od svých vrstevníků, včetně (na smrtelné posteli) Rumford Medal of the Royal Society of London a jeho jméno je v moderní terminologii optiky a vln všudypřítomné. Poté, co byla vlnová teorie světla v 60. letech 19. století zahrnuta do Maxwellovy elektromagnetické teorie , byla určitá pozornost odkloněna od velikosti Fresnelova příspěvku. V období mezi Fresnelovým sjednocením fyzikální optiky a Maxwellovým širším sjednocením popsal soudobý odborník Humphrey Lloyd Fresnelovu teorii příčných vln jako „nejušlechtilejší látku, která kdy zdobila doménu fyzikální vědy, s výjimkou Newtonova systému vesmíru samotného. " 

Raný život

Památník Augustina Fresnela na průčelí jeho rodného domu na adrese 2 Rue Augustin Fresnel, Broglie (čelem k Rue Jean François Mérimée), slavnostně otevřen 14. září 1884. Nápis po překladu říká:
„Augustin Fresnel, inženýr mostů a silnic, člen Akademie věd, tvůrce lentikulárních majáků, se v tomto domě narodil 10. května 1788. Teorie světla vděčí tomuto Newtonovu emulátoru za nejvyšší koncepty a nejužitečnější aplikace.“ 

Rodina

Augustin-Jean Fresnel (také nazývaný Augustin Jean nebo jednoduše Augustin), narozený v Broglie , Normandie , dne 10. května 1788, byl druhým ze čtyř synů architekta Jacquese Fresnela (1755–1805) a jeho manželky Augustiny, rozené Mérimée (1755 ). –1833). V roce 1790, po revoluci , se Broglie stala součástí departementu Eure . Rodina se dvakrát přestěhovala – v letech 1789/90 do Cherbourgu a roku 1794 do Jacquesova rodného města Mathieu , kde madame Fresnel strávila 25 let jako vdova a přežila dva ze svých synů.

První syn, Louis (1786–1809), byl přijat na École Polytechnique , stal se poručíkem v dělostřelectvu a byl zabit v akci u Jaca ve Španělsku , den před svými 23. narozeninami. Třetí, Léonor (1790–1869), následoval Augustina do stavebního inženýrství , vystřídal ho ve funkci tajemníka Lighthouse Commission a pomohl upravit jeho sebraná díla. Čtvrtý, Fulgence Fresnel (1795–1855), se stal známým lingvistou, diplomatem a orientalistou a příležitostně pomáhal Augustinovi s jednáními. Fulgence zemřel v Bagdádu v roce 1855 poté, co vedl misi na průzkum Babylonu. Léonor byl zřejmě jediný ze čtyř, kdo se oženil.

Mladší bratr jejich matky, Jean François „Léonor“ Mérimée (1757–1836), otec spisovatele Prospera Mérimée (1803–1870), byl malíř , který obrátil svou pozornost k chemii malby. Stal se stálým tajemníkem École des Beaux-Arts a (do roku 1814) profesorem na École Polytechnique a byl počátečním bodem kontaktu mezi Augustinem a předními optickými fyziky té doby (viz níže ) .

Vzdělání

Bratři Fresnelovi byli zpočátku doma vzděláváni jejich matkou. Nemocný Augustin byl považován za pomalého, který neměl sklony k zapamatování; ale populární příběh, který sotva začal číst až do věku osmi let, je sporný. Ve věku devíti nebo deseti let byl nevýrazný, kromě své schopnosti proměnit větve stromů v luky a zbraně, které fungovaly až příliš dobře a od svých kompliců si vysloužil titul l'homme de génie (muž génia) a jednotný zásah ze strany jejich starších.

V roce 1801 byl Augustin poslán na École Centrale v Caen jako společnost pro Louise. Augustin však svůj výkon zvedl: koncem roku 1804 byl přijat na École Polytechnique, když byl při přijímací zkoušce umístěn na 17. místě. Vzhledem k tomu, že podrobné záznamy o École Polytechnique začínají v roce 1808, o Augustinově době tam víme jen velmi málo, kromě toho, že si našel jen málo přátel, pokud vůbec nějaké, a navzdory přetrvávajícímu špatnému zdraví vynikal v kreslení a geometrii: v prvním ročníku absolvoval cenu za řešení problému geometrie, který předložil Adrien-Marie Legendre . Po maturitě v roce 1806 se zapsal na École Nationale des Ponts et Chaussées (Národní škola mostů a silnic, také známá jako „ENPC“ nebo „École des Ponts“), kterou absolvoval v roce 1809 a vstoupil do služeb sboru. des Ponts et Chaussées jako ingénieur ordinaire aspirant (obyčejný inženýr ve výcviku). Přímo či nepřímo měl zůstat v zaměstnání u „Corps des Ponts“ po zbytek svého života.

Náboženská formace

Rodiče Augustina Fresnela byli římští katolíci sekty Jansenistů , kteří se vyznačovali extrémním augustiniánským pohledem na prvotní hřích . Náboženství zaujímalo první místo v domácím vzdělávání chlapců. V roce 1802, jeho matka řekla:

Modlím se k Bohu, aby dal mému synovi milost, aby využil velké talenty, které obdržel, ve svůj vlastní prospěch a pro Boha všech. Mnoho bude žádáno od toho, komu mnoho bylo dáno, a nejvíce se bude vyžadovat od toho, kdo nejvíce dostal.

Augustin zůstal jansenistou. Své intelektuální nadání považoval za dary od Boha a považoval za svou povinnost je využít ve prospěch druhých. Podle jeho kolegy inženýra Alphonse Duleaua, který mu pomáhal ošetřovat jeho poslední nemoc, viděl Fresnel studium přírody jako součást studia moci a dobroty Boží. Postavil ctnost nad vědu a genialitu. Ve svých posledních dnech se modlil za „sílu duše“, nikoli proti samotné smrti, ale proti „přerušení objevů... z nichž doufal, že vyvodí užitečné aplikace“. 

Jansenismus je římskokatolickou církví považován za kacířský a Grattan-Guinness naznačuje, že právě proto Fresnel nikdy nezískal stálé akademické učitelské místo; jeho jediné učitelské jmenování bylo v Athénée v zimě 1819–20. Článek o Fresnelovi v Katolické encyklopedii nezmiňuje jeho jansenismus, ale popisuje ho jako „hluboce věřícího muže a pozoruhodného svým bystrým smyslem pro povinnost“. 

Inženýrské úkoly

Fresnel byl zpočátku vyslán do západního departementu Vendée . Tam, v roce 1811, předvídal to, co se stalo známým jako Solvayův proces výroby sody , kromě toho, že se neuvažovalo o recyklaci čpavku . Tento rozdíl může vysvětlit, proč přední chemici, kteří se o jeho objevu dozvěděli prostřednictvím svého strýce Léonora, jej nakonec považovali za neekonomický.

Nyons, Francie, 19. století, kreslil Alexandre Debelle (1805-1897)

Kolem roku 1812 byl Fresnel poslán do Nyons , v jižním departementu Drôme , aby pomohl s císařskou silnicí, která měla spojit Španělsko a Itálii. Právě od Nyonse máme první důkazy o jeho zájmu o optiku. Dne 15. května 1814, zatímco práce byly ochablé kvůli Napoleonově porážce, Fresnel napsal „ PS “ svému bratru Léonorovi, částečně řekl:

Také bych rád měl papíry, které by mi mohly povědět o objevech francouzských fyziků o polarizaci světla. Před několika měsíci jsem v Moniteuru viděl, že Biot četl Institutu velmi zajímavé monografie o polarizaci světla . I když si lámu hlavu, nedokážu odhadnout, co to je.

Ještě 28. prosince stále čekal na informace, ale Biotovy monografie obdržel již 10. února 1815. ( Funkce francouzské Académie des Sciences a dalších akademií převzal v roce 1795 Institut de France . V roce 1816 Académie des Vědy získaly zpět své jméno a autonomii, ale zůstaly součástí ústavu.)

V březnu 1815 Fresnel, který vnímal Napoleonův návrat z Elby jako „útok na civilizaci“, odjel bez dovolené, spěchal do Toulouse a nabídl své služby roajalistickému odboji, ale brzy se ocitl na seznamu nemocných. Když se vrátil do Nyons poraženě, byl ohrožen a měl rozbitá okna. Během Sto dní byl umístěn do suspendace, kterou mu nakonec bylo dovoleno strávit v domě své matky v Mathieu. Tam využil svého vynuceného volného času k zahájení svých optických experimentů.

Příspěvky k fyzické optice

Historický kontext: Od Newtona k Biotovi

Ocenění Fresnelovy rekonstrukce fyzické optiky by mohlo pomoci přehled o roztříštěném stavu, ve kterém našel předmět. V této podsekci jsou optické jevy, které nebyly vysvětleny nebo jejichž vysvětlení byla sporná, pojmenovány tučně .

Obyčejný lom od média s vyšší vlnovou rychlostí do média s nižší vlnovou rychlostí, jak to chápe Huygens. Postupné polohy vlnoplochy jsou zobrazeny modře před lomem a zeleně po lomu. Pro obyčejný lom jsou sekundární vlnoplochy (šedé křivky) kulové, takže paprsky (přímé šedé čáry) jsou kolmé k vlnoplochám.

Korpuskulární teorie světla , upřednostňovaná Isaacem Newtonem a přijatá téměř všemi Fresnelovými seniory, snadno vysvětlila přímočaré šíření : krvinky se zjevně pohybovaly velmi rychle, takže jejich dráhy byly téměř rovné. Vlnová teorie , jak ji rozvinul Christiaan Huygens ve svém Pojednání o světle (1690), vysvětlila přímočaré šíření za předpokladu, že každý bod protnutý pohyblivou vlnoplochou se stává zdrojem sekundární vlnoplochy. Vzhledem k počáteční poloze pohybující se vlnoplochy byla jakákoli pozdější poloha (podle Huygense) společným tečným povrchem ( obálkou ) sekundárních vlnoploch emitovaných z dřívější polohy. Protože rozsah společné tečny byl omezen rozsahem počáteční vlnoplochy, opakovaná aplikace Huygensovy konstrukce na rovinnou vlnoplochu omezeného rozsahu (v jednotném prostředí) poskytla přímý, paralelní paprsek. I když tato konstrukce skutečně předpovídala přímočaré šíření, bylo obtížné smířit se s běžným pozorováním, že vlnoplochy na hladině vody se mohou ohýbat kolem překážek, a s podobným chováním zvukových vln – což Newtonovi způsobilo, že až do konce svého života udržoval, že kdyby se světlo skládalo z vln, „ohýbalo by se a šířilo se všemi směry“ do stínů.

Huygensova teorie úhledně vysvětlila zákon obyčejného odrazu a zákon obyčejného lomu ("Snellův zákon") za předpokladu, že sekundární vlny se v hustších médiích (těch s vyšším indexem lomu ) pohybovaly pomaleji. Korpuskulární teorie, s hypotézou, že krvinky byly vystaveny silám působícím kolmo k povrchům, vysvětlila stejné zákony stejně dobře, i když s tím, že světlo se v hustších médiích pohybovalo rychleji ; tato implikace byla chybná, ale nemohla být přímo vyvrácena technologií Newtonovy doby nebo dokonce Fresnelovy doby (viz Fizeau-Foucaultův aparát ) .

Podobně neprůkazná byla hvězdná aberace — tedy zjevná změna polohy hvězdy v důsledku rychlosti Země přes linii zorného pole (nezaměňovat s hvězdnou paralaxou , která je způsobena přemístěním Země napříč přímá viditelnost). Hvězdná aberace, kterou v roce 1728 identifikoval James Bradley , byla široce považována za potvrzení korpuskulární teorie. Ale bylo to stejně kompatibilní s vlnovou teorií, jak poznamenal Euler v roce 1746 – mlčky za předpokladu, že éter (předpokládané vlnonosné médium) v blízkosti Země není rušen pohybem Země.

Výjimečnou silou Huygensovy teorie bylo jeho vysvětlení dvojlomu (dvojího lomu) „ islandského krystalu “ (transparentního kalcitu ), za předpokladu, že sekundární vlny jsou kulové pro obyčejný lom (což splňuje Snellův zákon) a sféroidní pro mimořádné . lom (který ne). Obecně platí, že Huygensova konstrukce společné tečny implikuje, že paprsky jsou cesty s nejmenším časem mezi po sobě jdoucími pozicemi vlnoplochy, v souladu s Fermatovým principem . Ve speciálním případě izotropních prostředí musí být sekundární vlnoplochy kulové a z Huygensovy konstrukce pak vyplývá, že paprsky jsou kolmé na vlnoplochu; z tohoto předpokladu lze skutečně odvodit zákon běžného lomu, jak to udělal Ignace-Gaston Pardies před Huygensem.

Změněné barvy světlíku odražené v mýdlové bublině v důsledku interference tenkého filmu (dříve nazývané interference „tenké desky“)

Ačkoli Newton odmítl vlnovou teorii, všiml si jejího potenciálu vysvětlit barvy, včetně barev „ tenkých desek “ (např. „ Newtonových prstenců “ a barev světlíku odrážejících se v mýdlových bublinách), za předpokladu, že světlo se skládá z periodických vlny s nejnižšími frekvencemi (nejdelší vlnové délky ) na červeném konci spektra a nejvyššími frekvencemi (nejkratšími vlnovými délkami) na fialovém konci. V roce 1672 publikoval silnou narážku v tomto smyslu, ale současní zastánci vlnové teorie na to nedokázali reagovat: Robert Hooke považoval světlo za periodickou sekvenci pulsů, ale nepoužíval frekvenci jako kritérium barvy, zatímco Huygens zacházel s vlnami. jako jednotlivé pulzy bez jakékoli periodicity; a Pardies zemřel mladý v roce 1673. Sám Newton se pokusil vysvětlit barvy tenkých desek pomocí korpuskulární teorie, když předpokládal, že jeho krvinky mají vlnovou vlastnost, že se střídají mezi „záchvaty snadného přenosu“ a „záchvaty snadného odrazu“, což je vzdálenost mezi jako "sedí" v závislosti na barvě a médiu a nešikovně na úhlu lomu nebo odrazu do tohoto média. Ještě trapnější je, že tato teorie vyžadovala, aby se tenké desky odrážely pouze na zadním povrchu, ačkoli tlusté desky se zjevně odrážely také na předním povrchu. Teprve v roce 1801 Thomas Young v Bakerian Lecture pro ten rok citoval Newtonovu nápovědu a počítal s barvami tenké desky jako s kombinovaným efektem předních a zadních odrazů, které se navzájem posilují nebo ruší podle vlnová délka a tloušťka. Young podobně vysvětlil barvy „pruhovaných povrchů“ (např. mřížky ) jako zesílení nebo zrušení odrazů od sousedních čar v závislosti na vlnové délce. Popsal toto posílení nebo zrušení jako rušení .

Thomas Young (1773-1829)

Ani Newton, ani Huygens uspokojivě nevysvětlili difrakci — rozostření a lemování stínů, kde by podle přímočarého šíření měly být ostré. Newton, který difrakci nazval „inflexí“, předpokládal, že paprsky světla procházející blízko překážek byly ohnuty („ohnuty“); ale jeho vysvětlení bylo pouze kvalitativní. Huygensova konstrukce společné tečny bez úprav vůbec nedokázala pojmout difrakci. Dvě takové modifikace navrhl Young ve stejné Bakerianově přednášce z roku 1801: za prvé, že sekundární vlny blízko okraje překážky se mohly rozcházet do stínu, ale jen slabě, kvůli omezenému zesílení od jiných sekundárních vln; a za druhé, že difrakce hranou byla způsobena interferencí mezi dvěma paprsky: jeden odražený od okraje a druhý ohýbaný při průchodu blízko okraje. Druhý paprsek by byl neodchýlený, pokud by byl dostatečně daleko od okraje, ale Young se k tomuto případu nevyjádřil. To byly první návrhy, že stupeň difrakce závisí na vlnové délce. Později, v Bakerianově přednášce z roku 1803, Young přestal považovat skloňování za samostatný jev a přinesl důkaz, že difrakční proužky uvnitř stínu úzké překážky byly způsobeny interferencí: když bylo světlo z jedné strany zablokováno, vnitřní proužky zmizely. Ale Young byl v takovém úsilí sám, dokud na pole nevstoupil Fresnel.

Huygens si při svém zkoumání dvojitého lomu všiml něčeho, co nedokázal vysvětlit: když světlo prochází dvěma podobně orientovanými krystaly kalcitu při normálním dopadu, obyčejný paprsek vycházející z prvního krystalu trpí pouze obyčejným lomem ve druhém, zatímco mimořádný paprsek paprsek vycházející z prvního trpí pouze mimořádným lomem ve druhém; ale když se druhý krystal otočí o 90° kolem dopadajících paprsků, role se vymění, takže obyčejný paprsek vycházející z prvního krystalu trpí pouze mimořádným lomem ve druhém a naopak. Tento objev dal Newtonovi další důvod k odmítnutí vlnové teorie: paprsky světla měly evidentně „strany“. Korpuskuly mohly mít strany (nebo póly , jak se jim později říkalo); ale vlny světla nemohly, protože (tak se zdálo) jakékoli takové vlny by musely být podélné (s vibracemi ve směru šíření). Newton nabídl alternativní „Pravidlo“ pro mimořádnou refrakci, která se řídila jeho autoritou po celé 18. století, ačkoli se „nepokoušel vyvodit ji z nějakých principů optiky, korpuskulárních nebo jiných“. 

Étienne-Louis Malus (1775–1812)

V roce 1808 Étienne-Louis Malus experimentálně prozkoumal mimořádný lom kalcitu s nebývalou přesností a zjistil, že je v souladu s Huygensovou sféroidní konstrukcí, nikoli s Newtonovým „pravidlem“. Malus, povzbuzený Pierrem-Simonem Laplaceem , se pak snažil vysvětlit tento zákon korpuskulárními termíny: ze známého vztahu mezi směry dopadajících paprsků a lomenými paprsky Malus odvodil korpuskulární rychlost (jako funkci směru), která by uspokojila Maupertuisovu „ princip nejmenší akce. Ale, jak zdůraznil Young, existenci takového rychlostního zákona zaručoval Huygensův sféroid, protože Huygensova konstrukce vede k Fermatovu principu, který se stane Maupertuisovým principem, pokud je rychlost paprsku nahrazena převrácenou hodnotou rychlosti částice! Korpuskularisté nenašli silový zákon, který by poskytl údajný zákon rychlosti, kromě kruhového argumentu, ve kterém síla působící na povrchu krystalu nevysvětlitelně závisela na směru (možná následné) rychlosti v krystalu. A co hůř, bylo pochybné, že nějaká taková síla splní podmínky Maupertuisova principu. Naproti tomu Young přistoupil k tomu, aby ukázal, že „prostředí snáze stlačitelné v jednom směru než v jakémkoli směru k němu kolmém, jako by se skládalo z nekonečného počtu rovnoběžných desek spojených látkou poněkud méně elastickou“, připouští sféroidní podélné vlnoplochy, jako Huygens předpokládal.

Tištěný štítek viděný přes dvojitě se lámající kalcitový krystal a moderní polarizační filtr (otočený, aby ukázal různé polarizace dvou obrázků)

Malus si však uprostřed svých experimentů na dvojitém lomu všiml něčeho jiného: když se paprsek světla odrazí od nekovového povrchu ve vhodném úhlu, chová se jako jeden ze dvou paprsků vycházejících z krystalu kalcitu. Byl to Malus, kdo vytvořil termín polarizace k popisu tohoto chování, ačkoli polarizační úhel se stal známým jako Brewsterův úhel poté, co jeho závislost na indexu lomu experimentálně určil David Brewster v roce 1815. Malus také zavedl termín rovina polarizace . V případě polarizace odrazem byla jeho „rovinou polarizace“ rovina dopadajících a odražených paprsků; v moderních termínech je to rovina normální k elektrickým vibracím. V roce 1809 Malus dále zjistil, že intenzita světla procházejícího dvěma polarizátory je úměrná čtverci kosinu úhlu mezi jejich rovinami polarizace ( Malusův zákon ), ať už polarizátory fungují odrazem nebo dvojitým lomem, a že všechny dvojlomné krystaly produkují jak mimořádná refrakce, tak polarizace. Když se korpuskularisté začali pokoušet vysvětlit tyto věci pomocí polárních „molekul“ světla, vlnoví teoretici neměli žádnou pracovní hypotézu o povaze polarizace, což přimělo Younga k poznámce, že Malusova pozorování „představují větší potíže zastáncům zvlnění. teorie než jakákoli jiná fakta, se kterými jsme obeznámeni." 

Malus zemřel v únoru 1812, ve věku 36 let, krátce poté, co obdržel Rumfordovu medaili za svou práci o polarizaci.

V srpnu 1811 François Arago oznámil, že pokud byla tenká deska slídy pozorována proti bílému polarizovanému podsvícení přes kalcitový krystal, měly dva obrazy slídy komplementární barvy (překrytí mělo stejnou barvu jako pozadí). Světlo vycházející ze slídy bylo „ depolarizované “ v tom smyslu, že neexistovala žádná orientace kalcitu, která způsobila zmizení jednoho obrazu; přesto to nebylo obyčejné („ nepolarizované “) světlo, pro které by oba obrazy měly stejnou barvu. Otáčení kalcitu kolem zorného pole změnilo barvy, i když zůstaly doplňkové. Otáčením slídy se změnila sytost (nikoli odstín) barev. Tento jev se stal známým jako chromatická polarizace . Nahrazení slídy mnohem silnější destičkou křemene , s jejími plochami kolmými k optické ose (osa Huygensova sféroidu nebo Malusovy rychlostní funkce), vyvolalo podobný efekt, až na to, že otáčení křemene neznamenalo žádný rozdíl. Arago se pokusil vysvětlit svá pozorování v korpuskulárních termínech.

François Arago (1786–1853)

V roce 1812, když Arago prováděl další kvalitativní experimenty a další závazky, Jean-Baptiste Biot přepracoval stejnou půdu pomocí sádrové vrstvy místo slídy a našel empirické vzorce pro intenzitu běžných a mimořádných obrazů. Vzorce obsahovaly dva koeficienty, které údajně reprezentovaly barvy paprsků „ovlivněných“ a „neovlivněných“ deskou – „ovlivněné“ paprsky měly stejnou barevnou směs jako ty odrážené amorfními tenkými deskami o proporcionální, ale menší tloušťce.

Jean-Baptiste Biot (1774–1862)

Arago protestoval a prohlásil, že udělal některé ze stejných objevů, ale neměl čas je sepsat. Ve skutečnosti bylo překrývání mezi Aragovou a Biotovou prací minimální, Aragoovo dílo bylo pouze kvalitativní a širšího rozsahu (pokoušející se zahrnout polarizaci odrazem). Spor ale spustil notoricky známý spor mezi oběma muži.

Později toho roku se Biot pokusil vysvětlit pozorování jako oscilaci zarovnání „postižených“ krvinek na frekvenci úměrné frekvenci Newtonových „záchvatů“, v důsledku sil závislých na zarovnání. Tato teorie se stala známou jako mobilní polarizace . Aby uvedl své výsledky do souladu se sinusovou oscilací, musel Biot předpokládat, že se tělíska vynořily s jednou ze dvou povolených orientací, konkrétně s extrémy oscilace, s pravděpodobnostmi závislými na fázi oscilace. Korpuskulární optika byla podle předpokladů drahá. Ale v roce 1813 Biot oznámil, že případ křemene byl jednodušší: pozorovatelný jev (nyní nazývaný optická rotace nebo optická aktivita nebo někdy rotační polarizace ) byla postupná rotace směru polarizace se vzdáleností a mohla být vysvětlena odpovídající rotací ( ne kmitání) tělísek.

Počátkem roku 1814, při hodnocení Biotovy práce o chromatické polarizaci, Young poznamenal, že periodicita barvy jako funkce tloušťky desky – včetně faktoru, o který perioda překračuje periodu u reflexní tenké desky, a dokonce i vliv šikmosti deska (ale ne role polarizace) — lze vysvětlit vlnovou teorií na základě různých dob šíření obyčejných a mimořádných vln přes desku. Ale Young byl tehdy jediným veřejným obhájcem vlnové teorie.

Stručně řečeno, na jaře roku 1814, když se Fresnel marně snažil uhodnout, co je polarizace, si korpuskularisté mysleli, že vědí, zatímco teoretici vln (pokud můžeme použít množné číslo) doslova neměli tušení. Obě teorie tvrdily, že vysvětlují přímočaré šíření, ale vysvětlení vln bylo v drtivé většině považováno za nepřesvědčivé. Korpuskulární teorie nemohla důsledně spojovat dvojitý lom s povrchovými silami; vlnová teorie to ještě nedokázala spojit s polarizací. Korpuskulární teorie byla slabá na tenkých deskách a tichá na mřížkách; vlnová teorie byla silná na obou, ale nedoceněná. Co se týče difrakce, korpuskulární teorie nepřinesla kvantitativní předpovědi, zatímco vlnová teorie to začala dělat tím, že považovala difrakci za projev interference, ale uvažovala pouze dva paprsky najednou. Pouze korpuskulární teorie poskytla byť jen vágní vhled do Brewsterova úhlu, Malusova zákona nebo optické rotace. Pokud jde o chromatickou polarizaci, vlnová teorie vysvětlila periodicitu mnohem lépe než korpuskulární teorie, ale neměla co říci o roli polarizace; a jeho vysvětlení periodicity bylo z velké části ignorováno. A Arago založil studii chromatické polarizace, jen aby ztratil vedení, kontroverzně, k Biotovi. Takové byly okolnosti, za kterých Arago poprvé slyšel o Fresnelově zájmu o optiku.

Rêveries

Basreliéf Fresnelova strýce Léonora Mérimée (1757-1836), na stejné zdi jako Fresnelův pomník v Broglie

Fresnelovy dopisy z roku 1814 odhalují jeho zájem o vlnovou teorii, včetně jeho vědomí, že vysvětluje stálost rychlosti světla a je přinejmenším kompatibilní s hvězdnou aberací. Nakonec zkompiloval to, co nazval svými rêveries (přemýšlení), do eseje a předložil jej prostřednictvím Léonora Mérimée André-Marie Ampèreovi , který přímo neodpověděl. Ale 19. prosince Mérimée povečeřel s Amperem a Aragem, s nimiž se seznámil na École Polytechnique; a Arago slíbil, že se podívá na Fresnelův esej.

V polovině roku 1815, na své cestě domů do Mathieu, aby sloužil jeho suspendaci, se Fresnel setkal s Aragem v Paříži a hovořil o vlnové teorii a hvězdné aberaci. Byl informován, že se snaží prolomit otevřené dveře (" il enfonçait des portes ouvertes ") a nasměrován ke klasickým dílům o optice.

Difrakce

První pokus (1815)

Dne 12. července 1815, když se Fresnel chystal opustit Paříž, mu Arago zanechal poznámku na nové téma:

Neznám žádnou knihu, která by obsahovala všechny experimenty, které fyzici provádějí na difrakci světla. M'sieur Fresnel bude moci poznat tuto část optiky pouze čtením Grimaldiho díla , Newtonova díla, anglického pojednání Jordana a memoárů Broughama a Younga, které jsou součástí sbírky Filosofické transakce .

Fresnel by neměl snadný přístup k těmto dílům mimo Paříž a neuměl číst anglicky. Ale v Mathieu – s bodovým zdrojem světla vytvořeným zaostřením slunečního světla kapkou medu, hrubým mikrometrem vlastní konstrukce a podpůrným zařízením vyrobeným místním zámečníkem – začal s vlastními experimenty. Jeho technika byla nová: zatímco dřívější vyšetřovatelé promítali proužky na plátno, Fresnel brzy plátno opustil a pozoroval proužky v prostoru čočkou s mikrometrem v ohnisku, což umožnilo přesnější měření a zároveň vyžadovalo méně světla.

Později v červenci, po Napoleonově konečné porážce, byl Fresnel znovu dosazen s výhodou, že podpořil vítěznou stranu. Požádal o dvouměsíční volno, které mu bylo bez problémů vyhověno, protože práce na silnici byly pozastaveny.

23. září napsal Aragovi se začátkem: "Myslím, že jsem našel vysvětlení a zákon barevných proužků, kterých si člověk všimne ve stínech těl osvětlených světelným bodem." Ve stejném odstavci však Fresnel implicitně uznal pochybnost o novosti své práce: poznamenal, že bude muset vynaložit nějaké náklady, aby zlepšil své měření, chtěl vědět, „zda to není zbytečné a zda zákon difrakce ještě nebyla stanovena dostatečně přesnými experimenty." Vysvětlil, že ještě neměl šanci získat položky na svých seznamech četby, se zjevnou výjimkou „Youngovy knihy“, které bez bratrovy pomoci nerozuměl. Není divu, že se vrátil zpět k mnoha Youngovým krokům.

V memoárech zaslaných ústavu 15. října 1815 Fresnel zmapoval vnější a vnitřní třásně ve stínu drátu. Všiml si, stejně jako Young před ním, že vnitřní proužky zmizely, když bylo světlo z jedné strany zablokováno, a došel k závěru, že „vibrace dvou paprsků, které se kříží pod velmi malým úhlem, si mohou odporovat…“ vzal zmizení vnitřních okrajů jako potvrzení principu interference, Fresnel oznámil, že to byly vnitřní okraje, které ho na tento princip jako první upozornily. K vysvětlení difrakčního vzoru Fresnel zkonstruoval vnitřní proužky uvažováním průsečíků kruhových vlnoploch vyzařovaných ze dvou okrajů překážky a vnějších proužků uvažováním průsečíků mezi přímými vlnami a vlnami odraženými od bližšího okraje. Pro vnější proužky, aby získal tolerovatelnou shodu s pozorováním, musel předpokládat, že odražená vlna byla převrácená ; a poznamenal, že předpovídané dráhy okrajů byly hyperbolické. V části memoáru, která nejzřetelněji předčila Younga, Fresnel vysvětlil běžné zákony odrazu a lomu z hlediska interference a poznamenal, že pokud by se dva rovnoběžné paprsky odrážely nebo lámaly pod jiným než předepsaným úhlem, neměly by již stejný fáze ve společné kolmé rovině a každá vibrace by byla zrušena okolní vibrací. Poznamenal, že jeho vysvětlení platí za předpokladu, že nepravidelnosti povrchu jsou mnohem menší než vlnová délka.

Dne 10. listopadu zaslal Fresnel doplňující nótu týkající se Newtonových prstenců a mřížek, včetně poprvé vysílacích mřížek – i když v tom případě se stále předpokládalo, že rušivé paprsky jsou „ohýbané“ a experimentální ověření bylo nedostatečné, protože používala pouze dvě vlákna.

Protože Fresnel nebyl členem institutu, osud jeho memoárů do značné míry závisel na zprávě jediného člena. Ukázalo se, že reportérem Fresnelových memoárů je Arago (s Poinsotem jako druhým recenzentem). Dne 8. listopadu Arago napsal Fresnelovi:

Institut mi dal pokyn, abych prozkoumal vaše paměti o difrakci světla; Pečlivě jsem to prostudoval a našel jsem mnoho zajímavých experimentů, z nichž některé již provedl Dr. Thomas Young, který obecně tento jev pojímá způsobem spíše analogickým tomu, který jste přijali vy. Ale co ani on, ani nikdo před vámi neviděl, je, že vnější barevné pásy se nepohybují v přímé linii, když se člověk vzdaluje od neprůhledného těla. Výsledky, kterých jste v tomto ohledu dosáhli, se mi zdají velmi důležité; možná mohou posloužit k prokázání pravdivosti zvlněného systému, s nímž tak často a tak chabě bojují fyzikové, kteří se neobtěžovali mu porozumět.

Fresnel byl znepokojený, chtěl přesněji vědět, kde se s Youngem srazil. Pokud jde o zakřivené dráhy „barevných pásů“, Young si všiml hyperbolických drah proužků ve dvouzdrojovém interferenčním vzoru, které zhruba odpovídaly Fresnelovým vnitřním proužkům, a popsal hyperbolické proužky, které se objevují na obrazovce v pravoúhlých stínech. Nezmínil se o zakřivených drahách vnějších okrajů stínu; ale jak později vysvětlil, bylo to proto, že to Newton již udělal. Newton si evidentně myslel, že třásně jsou žíraviny . Arago se tedy mýlil ve svém přesvědčení, že zakřivené dráhy proužků jsou zásadně neslučitelné s korpuskulární teorií.

Aragův dopis pokračoval žádostí o další údaje o vnějších okrajích. Fresnel vyhověl, dokud nevyčerpal svou dovolenou a byl přidělen do Rennes v departementu Ille-et-Vilaine . V tomto bodě se Arago přimluvil u Gasparda de Pronyho , vedoucího École des Ponts, který napsal Louis-Mathieu Molé , vedoucímu Corps des Ponts, a navrhl, že pokrok vědy a prestiž sboru by se zvýšily, kdyby Fresnel mohl přijet na čas do Paříže. Přijel v březnu 1816 a jeho dovolená byla následně prodloužena do poloviny roku.

Mezitím v experimentu hlášeném 26. února 1816 Arago ověřil Fresnelovu předpověď, že vnitřní proužky byly posunuty, pokud paprsky na jedné straně překážky procházely tenkou skleněnou vrstvou. Fresnel správně přisoudil tento jev nižší rychlosti vlny ve skle. Arago později použil podobný argument k vysvětlení barev při scintilaci hvězd.

Fresnelovy aktualizované monografie byly nakonec publikovány v březnu 1816 ve vydání Annales de Chimie et de Physique , jehož se Arago nedávno stal spolueditorem. Tento problém se ve skutečnosti objevil až v květnu. V březnu už měl Fresnel konkurenci: Biot četl monografie o difrakci, kterou napsal on sám a jeho student Claude Pouillet , obsahující hojná data a argumentující, že pravidelnost difrakčních proužků, stejně jako pravidelnost Newtonových prstenců, musí být spojena s Newtonovými „fity“. Ale nové spojení nebylo přesné a Pouillet sám se stal významným raným osvojitelem vlnové teorie.

"Efektivní paprsek", experiment s dvojitým zrcadlem (1816)

Replika Youngova dvouzdrojového interferenčního diagramu (1807), se zdroji A a B produkujícími minima na C , D , E a F

Fresnelovo dvojité zrcadlo (1816). Zrcadlové segmenty Mi a M2 vytvářejí virtuální obrazy SI a S2 _{štěrbiny S. _ _} Ve stínované oblasti se paprsky ze dvou virtuálních obrazů překrývají a interferují způsobem Younga (výše).

24. května 1816 napsal Fresnel Youngovi (ve francouzštině) a uznal, jak málo jeho vlastních memoárů bylo nových. Ale v "dodatku" podepsaném 14. července a přečteném následující den Fresnel poznamenal, že vnitřní proužky byly přesněji předpovězeny na základě předpokladu, že dva rušivé paprsky přicházely z určité vzdálenosti mimo okraje překážky. Aby to vysvětlil, rozdělil dopadající vlnoplochu na překážce na to, co nyní nazýváme Fresnelovými zónami , takže sekundární vlny z každé zóny byly rozloženy do poloviny cyklu, když dorazily k bodu pozorování. Zóny na jedné straně překážky se z velké části rušily v párech, kromě první zóny, která byla reprezentována „účinným paprskem“. Tento přístup fungoval pro vnitřní proužky, ale superpozice účinného paprsku a přímého paprsku nefungovala pro vnější proužky .

Příspěvek „účinného paprsku“ byl považován za pouze částečně zrušený, a to z důvodů zahrnujících dynamiku média: kde byla vlnoplocha spojitá, symetrie zakazovala šikmé vibrace; ale blízko překážky, která vlnoplochu zkrátila, umožnila asymetrie určité boční vibrace směrem ke geometrickému stínu. Tento argument ukázal, že Fresnel (zatím) plně nepřijal Huygensův princip, který by umožňoval šikmé záření ze všech částí fronty.

Ve stejném doplňku Fresnel popsal své známé dvojité zrcadlo, které obsahovalo dvě plochá zrcadla spojená pod úhlem o něco menším než 180°, s nimiž vytvořil dvouštěrbinový interferenční obrazec ze dvou virtuálních obrazů stejné štěrbiny. Konvenční experiment s dvojitou štěrbinou vyžadoval předběžnou jednu štěrbinu, aby se zajistilo, že světlo dopadající na dvojitou štěrbinu bude koherentní (synchronizované). Ve Fresnelově verzi byla zachována předběžná jednoduchá štěrbina a dvojitá štěrbina byla nahrazena dvojitým zrcadlem – které nemělo žádnou fyzickou podobnost s dvojitou štěrbinou, a přesto plnilo stejnou funkci. Tento výsledek (který oznámil Arago v březnovém vydání Annales ) způsobil, že bylo těžké uvěřit, že vzor se dvěma štěrbinami měl něco společného s vychylováním krvinek, když procházely poblíž okrajů štěrbin.

Ale rok 1816 byl „ rokem bez léta “: úroda selhala; hladové farmářské rodiny lemovaly ulice Rennes; ústřední vláda organizovala „charitativní pracovny“ pro potřebné; a v říjnu byl Fresnel poslán zpět do Ille-et-Vilaine, aby kromě své běžné silniční posádky dohlížel na charitativní pracovníky. Podle Arago,

u Fresnela byla svědomitost vždy nejpřednější součástí jeho charakteru a své povinnosti inženýra neustále plnil s nejpřísnější skrupulí. Poslání bránit příjmy státu, získat pro ně co nejlepší zaměstnání, se mu jevilo ve světle otázky cti. Funkcionář, ať už měl jakoukoli hodnost, který mu předložil nejednoznačnou zprávu, se okamžitě stal předmětem jeho hlubokého opovržení. … Za takových okolností zmizela obvyklá mírnost jeho chování…

Fresnelovy dopisy z prosince 1816 odhalují jeho následnou úzkost. Aragovi si stěžoval, že ho „trápí starosti s dozorem a potřeba kárat…“ A Mérimée napsal: „Nepřipadá mi nic únavnějšího než řídit jiné muže, a přiznávám, že nemám ponětí, co 'dělám." 

Paměti ceny (1818) a pokračování

17. března 1817 Académie des Sciences oznámila, že difrakce bude tématem pro pololetní fyziku Grand Prix , která se bude udělovat v roce 1819. Uzávěrka přihlášek byla stanovena na 1. srpna 1818, aby byl čas na replikaci experimentů. Ačkoli formulace problému odkazovala na paprsky a skloňování a nevyzývala řešení založená na vlnách, Arago a Ampère Fresnela povzbudili, aby vstoupil.

Na podzim roku 1817, Fresnel, podporovaný de Prony, získal dovolenou od nového šéfa Corp des Ponts, Louis Becquey , a vrátil se do Paříže. Na jaře 1818 pokračoval ve svých inženýrských povinnostech; ale od té doby sídlil v Paříži, nejprve na Canal de l'Ourcq a poté (od května 1819) s katastrem chodníků.

Dne 15. ledna 1818 v jiném kontextu (viz níže) Fresnel ukázal, že sčítání sinusových funkcí stejné frekvence, ale různých fází, je analogické se sčítáním sil s různými směry. Jeho metoda byla podobná reprezentaci fázoru , kromě toho “síly” byly vektory letadla spíše než komplexní čísla ; mohly být sčítány a násobeny skaláry , ale ne (zatím) násobeny a děleny navzájem. Vysvětlení bylo spíše algebraické než geometrické.

Znalost této metody byla předpokládána v předběžné poznámce o difrakci ze dne 19. dubna 1818 a uložené 20. dubna, ve které Fresnel nastínil elementární teorii difrakce, jak se nachází v moderních učebnicích. Přeformuloval Huygensův princip v kombinaci s principem superpozice , když řekl, že vibrace v každém bodě na vlnoplochě jsou součtem vibrací, které by do ní byly v tu chvíli vyslány všemi prvky vlnoplochy v jakékoli z jejích předchozích poloh. všechny prvky působící odděleně (viz Huygens–Fresnelův princip ) . Pro vlnoplochu částečně zacloněnou v předchozí poloze mělo být sčítání provedeno nad nerušenou částí. V jiných směrech, než je normál k primární vlnoplobě, byly sekundární vlny zeslabeny v důsledku šikmosti, ale mnohem více oslabeny destruktivní interferencí, takže účinek samotné šikmosti mohl být ignorován. Pro difrakci přímou hranou by pak intenzita jako funkce vzdálenosti od geometrického stínu mohla být vyjádřena s dostatečnou přesností v termínech, které se nyní nazývají normalizované Fresnelovy integrály :

Normalizované Fresnelovy integrály C ( x )  , S ( x ) 

Difrakční proužky blízko hranice geometrického stínu rovné hrany. Intenzity světla byly vypočteny z hodnot normalizovaných integrálů C ( x )  , S ( x ) 

${\displaystyle C(x)=\!\int _{0}^{x}\!\cos {\big (}{\tfrac {1}{2}}\pi z^{2}{\big ) }\,dz}$    ${\displaystyle S(x)=\!\int _{0}^{x}\!\sin {\big (}{\tfrac {1}{2}}\pi z^{2}{\big ) }\,dz\,.}$

Stejná poznámka obsahovala tabulku integrálů pro horní limit v rozsahu od 0 do 5,1 v krocích po 0,1, počítanou se střední chybou 0,0003, plus menší tabulku maxim a minim výsledné intenzity.

Ve své závěrečné knize „Memoár o ohybu světla“, uložené 29. července a opatřené latinským epigrafem „ Natura simplex et fecunda “ („Příroda jednoduchá a úrodná“), Fresnel mírně rozšířil obě tabulky, aniž by změnil stávající údaje, s výjimkou korekci na první minimum intenzity. Pro úplnost zopakoval své řešení „problému interference“, přičemž sinusové funkce jsou přidány jako vektory. Uznal směrovost sekundárních zdrojů a proměnlivost jejich vzdáleností od pozorovacího bodu, především proto, aby vysvětlil, proč tyto věci mají zanedbatelný rozdíl v kontextu, samozřejmě za předpokladu, že sekundární zdroje nevyzařují zpětným směrem. Poté, aplikoval svou teorii interference na sekundární vlny, vyjádřil intenzitu světla ohýbaného jednou přímou hranou (polovinou) pomocí integrálů, které zahrnovaly rozměry problému, ale které bylo možné převést na normalizované formy. výše. S odkazem na integrály vysvětlil výpočet maxim a minim intenzity (vnějších proužků) a poznamenal, že vypočítaná intenzita velmi rychle klesá, když se člověk pohybuje do geometrického stínu. Poslední výsledek, jak říká Olivier Darrigol, "se rovná důkazu přímočarého šíření světla ve vlnové teorii, skutečně prvnímu důkazu, který by moderní fyzik ještě akceptoval." 

Pro experimentální testování svých výpočtů použil Fresnel červené světlo o vlnové délce 638  nm, které odvodil z difrakčního obrazce v jednoduchém případě, kdy světlo dopadající na jednu štěrbinu bylo zaostřeno válcovou čočkou. Pro různé vzdálenosti od zdroje k překážce a od překážky k bodu pole porovnával vypočítané a pozorované polohy proužků pro difrakci polorovinou, štěrbinou a úzkým pruhem – se zaměřením na minima. , které byly vizuálně ostřejší než maxima. Pro štěrbinu a proužek nemohl použít dříve vypočítanou tabulku maxim a minim; pro každou kombinaci dimenzí musela být intenzita vyjádřena pomocí součtů nebo rozdílů Fresnelových integrálů a vypočtena z tabulky integrálů a extrémy musely být vypočteny znovu. Shoda mezi výpočtem a měřením byla téměř ve všech případech lepší než 1,5 %.

Ke konci memoáru Fresnel shrnul rozdíl mezi Huygensovým použitím sekundárních vln a jeho vlastními: zatímco Huygens říká, že světlo je pouze tam, kde se sekundární vlny přesně shodují, Fresnel říká, že úplná tma je pouze tam, kde se sekundární vlny přesně ruší. .

Siméon Denis Poisson (1781-1840)

Porotu tvořili Laplace, Biot a Poisson (všichni korpuskularisté), Gay-Lussac (nezávazně) a Arago, který nakonec sepsal zprávu komise. Přestože příspěvky v soutěži měly být pro porotce anonymní, Fresnelovy musely být rozpoznatelné podle obsahu. Byl tam pouze jeden další záznam, o kterém se nedochoval ani rukopis, ani žádný záznam o autorovi. Tento záznam (označený jako „č.  1“) byl zmíněn pouze v posledním odstavci zprávy porotců s tím, že autor prokázal neznalost příslušných dřívějších prací Younga a Fresnela, použil nedostatečně přesné metody pozorování, přehlédl známé jevů a dopustili se zjevných chyb. Slovy Johna Worralla : "Konkurence, které Fresnel čelí, by stěží mohla být méně tvrdá." Můžeme usuzovat, že komise měla pouze dvě možnosti: udělit cenu Fresnelovi ("č. 2") nebo ji odepřít.

 Stín vrhaný překážkou o průměru 5,8 mm na obrazovce 183  cm za sebou, ve slunečním světle procházejícím dírkou 153  cm vpředu. Slabé barvy proužků ukazují závislost difrakčního vzoru na vlnové délce. Uprostřed je Poissonovo / Aragoovo místo.

Výbor projednal nový rok. Poté Poisson, využívající případ, kdy Fresnelova teorie dávala snadné integrály, předpověděl, že pokud by byla kruhová překážka osvětlena bodovým zdrojem, měla by být (podle teorie) jasná skvrna uprostřed stínu, osvětlená stejně jasně. jako exteriér. Zdá se, že to bylo zamýšleno jako reductio ad absurdum . Arago se nenechal odradit a sestavil experiment s překážkou o průměru 2  mm – a tam, uprostřed stínu, byla Poissonova skvrna .

Jednomyslná zpráva výboru, přečtená na schůzi Académie dne 15. března 1819, udělila cenu "paměti označené č. 2 a nesoucí epigraf: Natura simplex et fecunda ." Na stejné schůzce, po vynesení rozsudku, prezident Académie otevřel zapečetěnou poznámku doprovázející monografie a odhalil autora jako Fresnela. Cena byla oznámena na veřejném zasedání Académie o týden později, 22. března.

Aragoovo ověření Poissonovy protiintuitivní předpovědi přešlo do folklóru, jako by rozhodlo o ceně. Tento názor však nepodporuje zpráva soudců, která v předposledním odstavci dala věci pouze dvě věty. Ani Fresnelův triumf okamžitě nepřevedl Laplacea, Biota a Poissona na vlnovou teorii, a to nejméně ze čtyř důvodů. Za prvé, přestože profesionalizace vědy ve Francii zavedla společné standardy, jedna věc byla uznat, že výzkum splňuje tyto standardy, a druhá věc bylo považovat ho za průkazný. Za druhé, bylo možné interpretovat Fresnelovy integrály jako pravidla pro slučování paprsků . Arago dokonce podporoval tuto interpretaci, pravděpodobně proto, aby minimalizoval odpor vůči Fresnelovým myšlenkám. Dokonce i Biot začal učit Huygens-Fresnelův princip, aniž by se zavázal k vlně. Za třetí, Fresnelova teorie dostatečně nevysvětlila mechanismus generování sekundárních vln nebo proč měly nějaké významné úhlové šíření; tento problém zvláště trápil Poissona. Začtvrté, otázka, kterou v té době většina cvičených optických fyziků nesla, nebyla difrakce, ale polarizace – na které Fresnel pracoval, ale teprve k zásadnímu průlomu.

Polarizace

Východiska: Emisismus a selekcionismus

Emisní teorie světla byla taková, která považovala šíření světla za transport nějakého druhu hmoty. Zatímco korpuskulární teorie byla zjevně emisní teorií, opak nenásledoval: v zásadě by člověk mohl být emisní, aniž by byl korpuskularista. To bylo výhodné, protože kromě běžných zákonů odrazu a lomu se emisním odborníkům nikdy nepodařilo provést testovatelné kvantitativní předpovědi z teorie sil působících na částice světla. Ale dělali kvantitativní předpovědi z premis, že paprsky jsou počitatelné objekty, které byly zachovány ve svých interakcích s hmotou (kromě absorpčních médií) a které měly zvláštní orientaci s ohledem na jejich směry šíření. Podle tohoto rámce polarizace a související jevy dvojitého lomu a částečného odrazu zahrnovaly změnu orientace paprsků a/nebo jejich výběr podle orientace, přičemž stav polarizace paprsku (svazku paprsků) byl otázkou kolik paprsků bylo v jakých orientacích: v plně polarizovaném paprsku byly orientace všechny stejné. Tento přístup, který Jed Buchwald nazval selekcionismus , byl průkopníkem Maluse a pilně ho prosazoval Biot.

Fresnel se naproti tomu rozhodl zavést polarizaci do interferenčních experimentů.

Interference polarizovaného světla, chromatická polarizace (1816-21)

V červenci nebo srpnu 1816 Fresnel zjistil, že když dvojlomný krystal vytvořil dva obrazy jedné štěrbiny, nemohl získat obvyklý dvouštěrbinový interferenční obrazec, i když kompenzoval různé doby šíření. Obecnější experiment navržený Arago zjistil, že pokud byly dva paprsky zařízení s dvojitou štěrbinou polarizovány odděleně, interferenční obrazec se objevil a zmizel, když se polarizace jednoho paprsku otočila, což poskytlo plnou interferenci pro paralelní polarizace, ale žádné interference pro kolmé polarizace (viz Fresnel-Arago zákony ) . Tyto experimenty, mimo jiné, byly nakonec popsány v krátkých monografiích publikovaných v roce 1819 a později přeložených do angličtiny.

V monografii vypracované 30. srpna 1816 a revidované 6. října Fresnel ohlásil experiment, ve kterém umístil dvě odpovídající tenké vrstvy do dvouštěrbinového aparátu – jednu přes každou štěrbinu, s jejich optickými osami kolmými – a získal dva posunuté interferenční obrazce. v opačných směrech, s kolmými polarizacemi. To v kombinaci s předchozími zjištěními znamenalo, že každá vrstva rozděluje dopadající světlo na kolmo polarizované složky s různými rychlostmi – stejně jako normální (tlustý) dvojlomný krystal a v rozporu s Biotovou hypotézou „mobilní polarizace“.

V souladu s tím Fresnel ve stejné monografii nabídl svůj první pokus o vlnovou teorii chromatické polarizace. Když polarizované světlo prošlo krystalovou vrstvou, rozdělilo se na obyčejné a mimořádné vlny (o intenzitách popsaných Malusovým zákonem) a ty byly kolmo polarizovány, a proto nerušily, takže (zatím) nevznikaly žádné barvy. Ale pokud by pak prošly analyzátorem (druhým polarizátorem), jejich polarizace byly uvedeny do zákrytu (s intenzitami opět upravenými podle Malusova zákona) a rušily by se. Toto vysvětlení samo o sobě předpovídá, že pokud se analyzátor otočí o 90°, obyčejné a mimořádné vlny si jednoduše vymění role, takže pokud má analyzátor formu krystalu kalcitu, dva obrazy lamina by měly mít stejný odstín. (k tomuto problému se vrátíme níže). Ale ve skutečnosti, jak zjistili Arago a Biot, mají komplementární barvy. Pro korekci předpovědi navrhl Fresnel pravidlo fázové inverze, podle kterého jedna ze základních vln jednoho ze dvou snímků utrpěla na své cestě laminou další fázový posun o 180°. Fresnel uznal, že tato inverze byla slabinou teorie ve srovnání s Biotovou, ačkoli pravidlo specifikovalo, který ze dvou snímků měl obrácenou vlnu. Fresnel se navíc mohl zabývat pouze speciálními případy, protože dosud nevyřešil problém superpozice sinusových funkcí s libovolnými fázovými rozdíly v důsledku šíření laminou při různých rychlostech.

Vyřešil tento problém v "dodatku" podepsaném 15. ledna 1818 (zmíněno výše). Ve stejném dokumentu se přizpůsobil Malusovu zákonu tím, že navrhl základní zákon: že pokud polarizované světlo dopadá na dvojlomný krystal s optickou osou pod úhlem θ k „rovině polarizace“, běžné a mimořádné vibrace (jako funkce čas) jsou škálovány faktorem cos θ a sin θ . Ačkoli moderní čtenáři snadno interpretují tyto faktory jako kolmé složky příčné oscilace, Fresnel je (zatím) takto nevysvětlil. Proto stále potřeboval pravidlo fázové inverze. Všechny tyto principy aplikoval na případ chromatické polarizace nepokryté Biotovými vzorci, zahrnující dvě po sobě jdoucí vrstvy s osami oddělenými 45°, a získal předpovědi, které nesouhlasily s Biotovými experimenty (kromě speciálních případů), ale souhlasily s jeho vlastními.   

Fresnel aplikoval stejné principy na standardní případ chromatické polarizace, ve kterém byla jedna dvojlomná vrstva rozříznuta rovnoběžně s její osou a umístěna mezi polarizátor a analyzátor. Pokud měl analyzátor podobu tlustého kalcitového krystalu s osou v rovině polarizace, Fresnel předpověděl, že intenzity obyčejných a mimořádných obrazů lamina jsou úměrné

${\displaystyle I_{o}=\cos ^{2}i\,\cos ^{2}(i{-}s)+\sin ^{2}i\,\sin ^{2}(i{- }s)+{\tfrac {1}{2}}\sin 2i\,\sin 2(i{-}s)\cos \phi \,,}$

${\displaystyle I_{e}=\cos ^{2}i\,\sin ^{2}(i{-}s)+\sin ^{2}i\,\cos ^{2}(i{- }s)-{\tfrac {1}{2}}\sin 2i\,\sin 2(i{-}s)\cos \phi \,,}$

kde je úhel od počáteční roviny polarizace k optické ose lamina, je úhel od počáteční roviny polarizace k rovině polarizace konečného běžného obrazu a je fázové zpoždění mimořádné vlny vzhledem k obyčejná vlna kvůli rozdílu v časech šíření přes laminu. Termíny v jsou termíny závislé na frekvenci a vysvětlují, proč musí být plátek tenký , aby vytvořil rozeznatelné barvy: pokud je plátek příliš silný, projde příliš mnoha cykly, protože se frekvence mění ve viditelném rozsahu, a oko ( který rozděluje viditelné spektrum pouze do tří pásem ) nebude schopen cykly vyřešit. ${\displaystyle i}$  ${\displaystyle s}$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle \cos \phi }$

Z těchto rovnic lze snadno ověřit, že pro všechny tak, že barvy jsou komplementární. Bez pravidla fázové inverze by před posledním členem ve druhé rovnici bylo znaménko plus , takže -závislý člen by byl v obou rovnicích stejný, což by (nesprávně) znamenalo, že barvy měly stejný odstín. . ${\displaystyle \,I_{o}+I_{e}=1\,}$${\displaystyle \phi ,}$${\displaystyle \phi }$

Tyto rovnice byly zahrnuty do nedatované poznámky, kterou dal Fresnel Biotovi, ke které Biot přidal několik svých vlastních řádků. Pokud nahradíme

${\displaystyle U=\cos ^{2}{\tfrac {\phi }{2}}}$  a  ${\displaystyle A=\sin ^{2}{\tfrac {\phi }{2}}\,,}$

pak mohou být Fresnelovy vzorce přepsány jako

${\displaystyle \!I_{o}=U\cos ^{2}s+A\cos ^{2}(2i-s)\,,}$

${\displaystyle I_{e}=U\sin ^{2}s+A\sin ^{2}(2i-s)\,,}$

což nejsou nic jiného než Biotovy empirické vzorce z roku 1812, kromě toho, že je Biot interpretoval a jako „neovlivněné“ a „ovlivněné“ selekce paprsků dopadajících na laminu. Pokud by Biotovy substituce byly přesné, znamenalo by to, že jeho experimentální výsledky byly úplněji vysvětleny Fresnelovou teorií než jeho vlastní. ${\displaystyle U}$${\displaystyle A}$

Arago odložil zprávu o Fresnelových pracích o chromatické polarizaci až do června 1821, kdy je použil v širokém útoku na Biotovu teorii. Ve své písemné odpovědi Biot protestoval, že Aragův útok přesáhl řádný rozsah zprávy o nominovaných dílech Fresnela. Ale Biot také tvrdil, že substituce za a tedy i Fresnelovy výrazy za a byly empiricky špatné, protože když byly Fresnelovy intenzity spektrálních barev smíchány podle Newtonových pravidel, kvadratické funkce kosinus a sinus se měnily příliš hladce, než aby odpovídaly pozorované sekvenci barev. Toto tvrzení vyvolalo písemnou odpověď od Fresnela, který zpochybnil, zda se barvy změnily tak náhle, jak tvrdil Biot, a zda lidské oko dokáže posoudit barvu dostatečně objektivně pro tento účel. Na druhou otázku Fresnel poukázal na to, že různí pozorovatelé mohou dát stejné barvě různá jména. Navíc, řekl, jediný pozorovatel může porovnávat barvy pouze vedle sebe; a i když jsou posuzovány jako stejné, identita je senzací, ne nutně kompozice. Nejstarší a nejsilnější Fresnelův bod – že tenké krystaly podléhaly stejným zákonům jako tlusté a nepotřebovaly ani nepřipouštěly samostatnou teorii – Biot nechal bez odpovědi. Bylo vidět, že Arago a Fresnel debatu vyhráli. ${\displaystyle U}$${\displaystyle A,}$${\displaystyle I_{o}}$${\displaystyle I_{e},}$

Navíc v té době měl Fresnel nové, jednodušší vysvětlení svých rovnic o chromatické polarizaci.

Průlom: Čisté příčné vlny (1821)

André-Marie Ampère (1775-1836)

V návrhu memoáru z 30. srpna 1816 se Fresnel zmínil o dvou hypotézách – z nichž jednu připsal Ampère – jimiž lze vysvětlit neinterferenci ortogonálně polarizovaných paprsků, pokud by vlny polarizovaného světla byly částečně příčné . Fresnel však nedokázal rozvinout ani jednu z těchto myšlenek do komplexní teorie. Již v září 1816 si podle svého pozdějšího vyprávění uvědomil, že neinterference ortogonálně polarizovaných paprsků spolu s pravidlem fázové inverze v chromatické polarizaci by se nejsnáze vysvětlila, kdyby vlny byly čistě příčné, a Ampere "měl stejnou myšlenku" na pravidle fázové inverze. To by však vyvolalo nový problém: protože přirozené světlo se zdálo být nepolarizované a jeho vlny byly proto považovány za podélné, bylo by třeba vysvětlit, jak podélná složka vibrací zmizela při polarizaci a proč se znovu neobjevila, když polarizované světlo se odrážel nebo lámal šikmo skleněnou deskou.

Nezávisle na tom, 12. ledna 1817, Young napsal Aragovi (v angličtině) a poznamenal, že příčná vibrace by představovala polarizaci a že kdyby se dvě podélné vlny protnuly pod významným úhlem, nemohly by se zrušit, aniž by zanechaly zbytkovou příčnou vibraci. Young zopakoval tuto myšlenku v článku publikovaném v dodatku k Encyclopædia Britannica v únoru 1818, ve kterém dodal, že Malusův zákon by byl vysvětlen, kdyby polarizace spočívala v příčném pohybu.

Fresnel tedy podle svého vlastního svědectví nemusel být prvním člověkem, který měl podezření, že světelné vlny mohou mít příčnou složku nebo že polarizované vlny jsou výhradně příčné. A byl to Young, nikoli Fresnel, kdo jako první zveřejnil myšlenku, že polarizace závisí na orientaci příčné vibrace. Ale tyto neúplné teorie neuvedly do souladu povahu polarizace se zjevnou existencí nepolarizovaného světla; ten úspěch měl být jen Fresnelův.

V poznámce, kterou Buchwald pochází z léta 1818, se Fresnel zabýval myšlenkou, že nepolarizované vlny mohou mít vibrace stejné energie a šikmosti, s jejich orientací rovnoměrně rozloženou kolem vlnového normálu, a že stupeň polarizace je stupeň nejednotnost v distribuci. O dvě stránky později poznamenal, zřejmě poprvé v písemné formě, že jeho pravidlo fázové inverze a neinterference ortogonálně polarizovaných paprsků by se daly snadno vysvětlit, kdyby vibrace plně polarizovaných vln byly „kolmé k normále k vlně“. “ — tedy čistě příčný.

Ale pokud mohl vysvětlit nedostatek polarizace průměrováním příčné složky, nemusel také předpokládat podélnou složku. Stačilo předpokládat, že světelné vlny jsou čistě příčné, tedy vždy polarizované ve smyslu určité příčné orientace, a že „nepolarizovaný“ stav přirozeného nebo „přímého“ světla je způsoben rychlými a náhodnými změnami této orientace. v takovém případě budou dvě koherentní části "nepolarizovaného" světla stále interferovat, protože jejich orientace budou synchronizovány.

Není přesně známo, kdy Fresnel udělal tento poslední krok, protože neexistuje žádná relevantní dokumentace z roku 1820 nebo počátku roku 1821 (možná proto, že byl příliš zaneprázdněn prací na prototypech majáku-čočky; viz níže ). Nejprve však publikoval tuto myšlenku v článku o „ Calcul des teintes… “ („výpočet odstínů…“), serializovaném v Arago's Annales na květen, červen a červenec 1821. V prvním díle Fresnel popsal „přímý“ ( nepolarizované) světlo jako „rychlou posloupnost systémů vln polarizovaných ve všech směrech“ a poskytl to, co je v podstatě moderním vysvětlením chromatické polarizace, i když ve smyslu analogie mezi polarizací a rozlišením sil v rovině, zmiňuje příčné vlny pouze v poznámce pod čarou. Zavedení příčných vln do hlavního argumentu bylo odloženo do druhého dílu, ve kterém odhalil podezření, že on a Ampère přechovávali od roku 1816, a obtíže, které to vyvolalo. Pokračoval:

Teprve po několika měsících jsem si při pozornějším rozjímání na toto téma uvědomil, že je velmi pravděpodobné, že oscilační pohyby světelných vln byly prováděny výhradně podél roviny těchto vln, a to jak pro přímé světlo, tak pro polarizované světlo. světlo .

Podle tohoto nového pohledu, napsal, „akt polarizace nespočívá ve vytváření těchto příčných pohybů, ale v jejich rozložení do dvou pevných kolmých směrů a v oddělení těchto dvou složek“.

Zatímco selekcionisté mohli trvat na interpretaci Fresnelových difrakčních integrálů v termínech diskrétních, počitatelných paprsků, nemohli udělat totéž s jeho teorií polarizace. Pro selekcionistu se stav polarizace paprsku týkal rozložení orientací v populaci paprsků a toto rozložení bylo považováno za statické. U Fresnela se stav polarizace paprsku týkal změny posunu v čase . Toto posunutí mohlo být omezeno, ale nebylo statické, a paprsky byly geometrické konstrukce, nikoli spočítatelné objekty. Koncepční propast mezi vlnovou teorií a selekcionismem se stala nepřekonatelnou.

Další obtíž, kterou představovaly čisté příčné vlny, byla samozřejmě zjevná implikace, že éter je elastická pevná látka , až na to, že na rozdíl od jiných elastických pevných látek není schopen přenášet podélné vlny. Vlnová teorie byla levná na základě předpokladů, ale její nejnovější předpoklad byl drahý na důvěřivosti. Pokud by měl být tento předpoklad široce používán, jeho vysvětlovací schopnost by musela být působivá.

Částečný odraz (1821)

Ve druhém díle „Calcul des teintes“ (červen 1821) Fresnel předpokládal, analogicky se zvukovými vlnami, že hustota éteru v refrakčním prostředí je nepřímo úměrná druhé mocnině rychlosti vlnění, a tedy přímo úměrná čtverec indexu lomu. Pro odraz a lom na povrchu mezi dvěma izotropními prostředími různých indexů rozložil Fresnel příčné vibrace na dvě kolmé složky, nyní známé jako složky s a p , které jsou rovnoběžné s povrchem a rovinou dopadu, v tomto pořadí; jinými slovy, složky s a p jsou v tomto pořadí čtvercové a rovnoběžné s rovinou dopadu. Pro složku s Fresnel předpokládal, že interakce mezi dvěma prostředími je analogická elastické srážce , a získal vzorec pro to, co nyní nazýváme odrazivost : poměr odražené intenzity k intenzitě dopadu. Předpokládaná odrazivost byla nenulová ve všech úhlech.

Třetí díl (červenec 1821) byl krátký „postscript“, ve kterém Fresnel oznámil, že našel „mechanickým řešením“ vzorec pro odrazivost složky p , který předpovídal, že odrazivost je nulová v Brewsterově úhlu. . Polarizace odrazem se tedy počítala – ale s podmínkou, že směr vibrací ve Fresnelově modelu byl kolmý k rovině polarizace, jak ji definoval Malus. (O následné kontroverzi, viz rovina polarizace .) Tehdejší technologie neumožňovala měřit odrazivost s a p dostatečně přesně, aby bylo možné otestovat Fresnelovy vzorce při libovolných úhlech dopadu. Vzorce by však mohly být přepsány z hlediska toho, co nyní nazýváme koeficient odrazu : znaménkový poměr odražené amplitudy k dopadající amplitudě. Potom, pokud rovina polarizace dopadajícího paprsku byla 45° k rovině dopadu, tangens odpovídajícího úhlu pro odražený paprsek byl získatelný z poměru dvou koeficientů odrazu a tento úhel mohl být změřen. Fresnel to změřil pro řadu úhlů dopadu, pro sklo a vodu, a shoda mezi vypočtenými a naměřenými úhly byla ve všech případech lepší než 1,5°.

Fresnel poskytl podrobnosti o „mechanickém řešení“ v monografii přečtené Académie des Sciences dne 7. ledna 1823. Zachování energie bylo kombinováno s kontinuitou tangenciální vibrace na rozhraní. Výsledné vzorce pro koeficienty odrazu a odrazivosti se staly známými jako Fresnelovy rovnice . Koeficienty odrazu pro polarizaci s a p jsou nejstručněji vyjádřeny jako

${\displaystyle r_{s}=-{\frac {\sin(ir)}{\sin(i+r)}}}$    a    ${\displaystyle r_{p}={\frac {\tan(ir)}{\tan(i+r)}}\,,}$

kde a jsou úhly dopadu a lomu; tyto rovnice jsou známé příslušně jako Fresnelův sinusový zákon a Fresnelův tangentový zákon . Tím, že dovolil koeficienty být komplexní , Fresnel dokonce odpovídal za různé fázové posuny s a p komponenty kvůli úplnému vnitřnímu odrazu . ${\displaystyle i}$${\displaystyle r}$

Tento úspěch inspiroval Jamese MacCullagha a Augustina-Louise Cauchyho , počínaje rokem 1836, k analýze odrazu od kovů pomocí Fresnelových rovnic s komplexním indexem lomu . Stejná technika je použitelná pro nekovová neprůhledná média. S těmito zobecněními mohou Fresnelovy rovnice předpovídat vzhled široké škály objektů pod osvětlením – například v počítačové grafice (viz Fyzicky založené vykreslování ) .

Kruhová a eliptická polarizace, optická rotace (1822)

Pravotočivá/pravotočivá kruhově polarizovaná vlna, jak je definována z pohledu zdroje. Byl by považován za levotočivý/proti směru hodinových ručiček kruhově polarizovaný, pokud by byl definován z pohledu přijímače. Pokud je rotační vektor rozdělen na horizontální a vertikální složky (neznázorněno), jsou tyto složky o čtvrtinu cyklu mimo fázi.

V memoárech z 9. prosince 1822 vytvořil Fresnel termíny lineární polarizace (francouzsky: polarization rectligne ) pro jednoduchý případ, kdy jsou kolmé složky vibrací ve fázi nebo o 180° mimo fázi, kruhová polarizace pro případ, ve kterém jsou stejné velikosti a čtvrtcyklu (±90°) mimo fázi a eliptickou polarizaci pro ostatní případy, ve kterých mají dvě složky pevný poměr amplitudy a pevný fázový rozdíl. Poté vysvětlil, jak lze optickou rotaci chápat jako druh dvojlomu. Lineárně polarizované světlo by mohlo být rozděleno do dvou kruhově polarizovaných složek rotujících v opačných směrech. Pokud by se tyto složky šířily mírně odlišnými rychlostmi, fázový rozdíl mezi nimi – a tedy i směr jejich lineárně polarizované výslednice – by se plynule měnil se vzdáleností.

Tyto koncepty volaly po redefinici rozdílu mezi polarizovaným a nepolarizovaným světlem. Před Fresnelem se předpokládalo, že polarizace se může lišit ve směru a stupni (např. v důsledku změny úhlu odrazu od průhledného tělesa), a že by mohla být funkcí barvy (chromatická polarizace), ale ne že může se lišit v druhu . Proto se mělo za to, že stupeň polarizace je stupeň, do kterého může být světlo potlačeno analyzátorem s vhodnou orientací. Světlo, které bylo převedeno z lineární na eliptickou nebo kruhovou polarizaci (např. průchodem krystalovou vrstvou nebo úplným vnitřním odrazem), bylo popsáno jako částečně nebo zcela „depolarizované“ kvůli svému chování v analyzátoru. Po Fresnelovi bylo definujícím rysem polarizovaného světla to, že kolmé složky vibrací měly pevný poměr amplitud a pevný rozdíl ve fázi. Podle této definice je elipticky nebo kruhově polarizované světlo plně polarizované, i když nemůže být plně potlačeno samotným analyzátorem. Koncepční propast mezi vlnovou teorií a selekcionismem se opět prohloubila.

Úplný vnitřní odraz (1817–23)

Průřez Fresnelovým kosočtvercem (modrý) s grafy znázorňujícími složku p vibrací ( rovnoběžně s rovinou dopadu) na svislé ose vs. složku s ( čtverec k rovině dopadu a rovnoběžné s povrchem ) na horizontální osa. Pokud je přicházející světlo lineárně polarizované, jsou obě složky ve fázi (horní graf). Po jednom odrazu ve vhodném úhlu se složka p posune o 1/8 cyklu vzhledem ke složce s (střední graf). Po dvou takových odrazech je fázový rozdíl 1/4 cyklu (spodní graf), takže polarizace je eliptická s osami ve směru s  a  p . Pokud by složky s  a  p byly zpočátku stejné velikosti, počáteční polarizace (horní graf) by byla 45° k rovině dopadu a konečná polarizace (spodní graf) by byla kruhová .

V roce 1817 to bylo objeveno Brewsterem, ale nebylo to dostatečně popsáno, že rovinně polarizované světlo bylo částečně depolarizováno úplným vnitřním odrazem, pokud bylo zpočátku polarizováno v ostrém úhlu k rovině dopadu. Fresnel znovu objevil tento efekt a prozkoumal ho zahrnutím úplného vnitřního odrazu do experimentu s chromatickou polarizací. S pomocí své první teorie chromatické polarizace zjistil, že zjevně depolarizované světlo je směsí složek polarizovaných paralelně a kolmo k rovině dopadu a že úplný odraz mezi nimi zavedl fázový rozdíl. Volba vhodného úhlu dopadu (ještě není přesně specifikována) poskytla fázový rozdíl 1/8 cyklu (45°). Dva takové odrazy od "paralelních ploch" "dvou spojených hranolů " daly fázový rozdíl 1/4 cyklu (90°). Tato zjištění byla obsažena v monografii předložené Académie 10. listopadu 1817 a přečtené o čtrnáct dní později. Nedatovaná okrajová poznámka naznačuje, že dva spojené hranoly byly později nahrazeny jediným „rovnoběžnostěnným ve skle“ – nyní známým jako Fresnelův kosočtverec .

Toto byla monografie, jejíž „dodatek“ z ledna 1818 obsahoval metodu superpozice sinusových funkcí a přeformulování Malusova zákona z hlediska amplitud. Ve stejném dodatku Fresnel oznámil svůj objev, že optickou rotaci lze napodobit průchodem polarizovaného světla přes Fresnelův kosočtverec (stále ve formě „spojených hranolů“), po kterém následuje obyčejná dvojlomná vrstva naříznutá rovnoběžně s její osou, s osa 45° k rovině odrazu Fresnelova kosočtverce, následovaná druhým Fresnelovým kosočtvercem pod úhlem 90° k prvnímu. V dalších memoárech přečtených 30. března Fresnel uvedl, že pokud bylo polarizované světlo plně „depolarizováno“ Fresnelovým kosočtvercem – nyní popisovaným jako rovnoběžnostěn – jeho vlastnosti se dále nezměnily následným průchodem přes opticky rotující médium nebo zařízení.

Souvislost mezi optickou rotací a dvojlomem byla dále vysvětlena v roce 1822 v monografii o eliptické a kruhové polarizaci. Toto bylo následováno monografií o odrazu, čtenou v lednu 1823, ve kterém Fresnel kvantifikoval fázové posuny v úplném vnitřním odrazu, a pak vypočítal přesný úhel u kterého Fresnel kosočtverec by měl být řez aby přeměnil lineární polarizaci na kruhovou polarizaci. Pro index lomu 1,51 existovala dvě řešení: asi 48,6° a 54,6°.

Dvojitý lom

Pozadí: Jednoosé a dvouosé krystaly; Biotovy zákony

Když světlo prochází řezem kalcitu kolmo k jeho optické ose, má rozdíl mezi dobou šíření obyčejných a mimořádných vln závislost druhého řádu na úhlu dopadu. Pokud je řez pozorován ve vysoce konvergentním kuželu světla, tato závislost se stává významnou, takže experiment chromatické polarizace ukáže vzor soustředných prstenců. Ale většina minerálů, když je pozorována tímto způsobem, vykazuje komplikovanější vzor prstenců zahrnujících dvě ohniska a lemniskátovou křivku, jako by měly dvě optické osy. Tyto dvě třídy minerálů se přirozeně staly známými jako jednoosé a dvouosé – nebo v pozdější literatuře jednoosé a dvouosé .

V roce 1813 Brewster pozoroval jednoduchý soustředný vzor v " beryl , smaragd , rubín atd." Stejný vzor byl později pozorován u kalcitu Wollastonem , Biotem a Seebeckem . Biot, za předpokladu, že soustředný vzor byl obecný případ, se pokusil vypočítat barvy pomocí své teorie chromatické polarizace a u některých minerálů uspěl lépe než u jiných. V roce 1818 Brewster opožděně vysvětlil proč: sedm z dvanácti minerálů používaných Biotem mělo lemniškátový vzor, ​​který Brewster pozoroval již v roce 1812; a minerály s komplikovanějšími kruhy měly také složitější zákon lomu.

V uniformním krystalu je podle Huygensovy teorie sekundární vlnoplocha, která se rozpíná od počátku za jednotku času , povrch rychlosti paprsku — to znamená povrch, jehož „vzdálenost“ od počátku v libovolném směru je rychlost paprsku v tomto směru. . U kalcitu je tento povrch dvouplášťový, skládá se z koule (pro obyčejnou vlnu) a zploštělého sféroidu (pro mimořádnou vlnu), které se vzájemně dotýkají v opačných bodech společné osy – dotýkají se severního a jižního pólu, pokud můžeme použít geografickou analogii. Ale podle Malusovy korpuskulární teorie dvojitého lomu byla rychlost paprsku úměrná reciproké rychlosti dané Huygensovou teorií, v tomto případě byl rychlostní zákon ve tvaru

${\displaystyle v_{o}^{2\!}-v_{e}^{2}=k\sin ^{2}\theta \,,}$

kde a byly běžné a mimořádné rychlosti paprsku podle korpuskulární teorie a byl úhel mezi paprskem a optickou osou. Podle Malusovy definice byla rovina polarizace paprsku rovinou paprsku a optickou osou, pokud byl paprsek obyčejný, nebo kolmou rovinou (obsahující paprsek), pokud byl paprsek mimořádný. Ve Fresnelově modelu byl směr vibrací kolmý k rovině polarizace. Pro sféru (běžná vlna) se tedy vibrace pohybovaly podél linií zeměpisné šířky (pokračování geografické analogie); a pro sféroid (mimořádnou vlnu) byla vibrace podél linií zeměpisné délky. ${\displaystyle v_{o}}$${\displaystyle v_{e}}$${\displaystyle \theta }$

29. března 1819 představil Biot monografii, ve které navrhl jednoduchá zobecnění Malusových pravidel pro krystal se dvěma osami a uvedl, že obě zobecnění se zdá být potvrzena experimentem. Pro rychlostní zákon byl sinus na druhou nahrazen součinem sinů úhlů od paprsku ke dvěma osám ( Biotův sinusový zákon ). A pro polarizaci obyčejného paprsku byla rovina paprsku a osy nahrazena rovinou půlící dihedrální úhel mezi dvěma rovinami, z nichž každá obsahovala paprsek a jednu osu ( Biotův dihedrální zákon ). Biotovy zákony znamenaly, že dvouosý krystal s osami pod malým úhlem, lomený v rovině těchto os, se choval téměř jako jednoosý krystal při téměř normálním dopadu; to bylo štěstí, protože sádra , která byla použita v experimentech s chromatickou polarizací, je dvouosá.

První monografie a doplňky (1821-22)

Dokud Fresnel neobrátil svou pozornost k biaxiálnímu dvojlomu, předpokládalo se, že jeden ze dvou lomů je obyčejný, dokonce i v biaxiálních krystalech. Ale, v monografii předložené 19. listopadu 1821, Fresnel hlásil dva experimenty na topaz ukazovat, že žádný lom nebyl obyčejný ve smyslu uspokojovat Snellův zákon; to znamená, že ani jeden paprsek nebyl produktem sférických sekundárních vln.

Stejné monografie obsahovaly Fresnelův první pokus o zákon o dvouosé rychlosti. U kalcitu, pokud zaměníme rovníkový a polární poloměr Huygensova zploštělého sféroidu při zachování polárního směru, získáme prolátitý sféroid dotýkající se koule na rovníku. Rovina procházející středem/počátkem protíná tento prolatovaný sféroid v elipse, jejíž hlavní a vedlejší poloosy udávají velikosti mimořádných a běžných rychlostí paprsků ve směru kolmém k rovině a (řekl Fresnel) směry jejich příslušných vibrací. . Směr optické osy je normála k rovině, pro kterou se elipsa průniku zmenší na kružnici . Takže v biaxiálním případě Fresnel jednoduše nahradil prolatovaný sféroid triaxiálním elipsoidem , který měl být rozdělen rovinou stejným způsobem. Obecně by středem elipsoidu procházely dvě roviny a vedly jej do kruhu a normály k těmto rovinám by dávaly dvě optické osy. Z geometrie Fresnel odvodil Biotův sinusový zákon (s rychlostmi paprsku nahrazenými jejich převrácenými hodnotami).

Elipsoid skutečně udával správné rychlosti paprsků (ačkoli počáteční experimentální ověření bylo pouze přibližné). Neposkytoval však správné směry vibrací pro dvouosý případ nebo dokonce pro jednoosý případ, protože vibrace ve Fresnelově modelu byly tečné k čelu vlny – což u mimořádného paprsku není pro paprsek obecně normální. Tato chyba (která je malá, pokud je dvojlom jako ve většině případů slabý) byla opravena v „výtahu“, který Fresnel přečetl Académie o týden později, 26. listopadu. Počínaje Huygensovým sféroidem, Fresnel získal povrch 4. stupně, který, když je rozdělen rovinou, jak je uvedeno výše, by poskytl vlnové normální rychlosti pro vlnoplochu v této rovině spolu s jejich směry vibrací. Pro dvouosý případ zobecnil rovnici, aby získal povrch se třemi nestejnými hlavními rozměry; toto následně nazval „povrch pružnosti“. Ale ponechal si dřívější elipsoid jako aproximaci, z níž odvodil Biotův dihedrální zákon.

Fresnelovo počáteční odvození povrchu pružnosti bylo čistě geometrické a ne deduktivně přesné. Jeho první pokus o mechanickou derivaci, obsažený v „doplňku“ z 13. ledna 1822, předpokládal, že (i) existují tři vzájemně kolmé směry, ve kterých posunutí vyvolalo reakci ve stejném směru, (ii) reakce byla jinak lineární funkce posunutí a (iii) poloměr povrchu v libovolném směru byl druhou odmocninou složky v tomto směru reakce na jednotku posunutí v tomto směru. Poslední předpoklad uznával požadavek, že pokud má vlna udržovat pevný směr šíření a pevný směr vibrací, reakce nesmí být mimo rovinu těchto dvou směrů.

Ve stejném dodatku Fresnel uvažoval o tom, jak by mohl v biaxiálním případě najít sekundární vlnoplochu, která se rozpíná od počátku v jednotce času – tedy povrch, který se v jednoosém případě redukuje na Huygensovu kouli a sféroid. Poznamenal, že tato "vlnová plocha" ( plocha de l'onde ) je tečnou ke všem možným rovinným vlnoplochám, které mohly protnout počátek před jednou jednotkou času, a uvedl matematické podmínky, které musí splňovat. Pochyboval však o proveditelnosti odvodit povrch z těchto podmínek.

V „druhém doplňku“ Fresnel nakonec využil dvě související skutečnosti: (i) „vlnový povrch“ byl také povrchem rychlosti paprsku, který bylo možné získat rozřezáním elipsoidu, který si původně mylně považoval za povrch pružnosti, a (ii) "vlnová plocha" protínala každou rovinu symetrie elipsoidu ve dvou křivkách: kružnici a elipse. Tak zjistil, že "vlnný povrch" je popsán rovnicí 4. stupně

${\displaystyle r^{2}{\big (}a^{2}x^{2\!}+b^{2}y^{2\!}+c^{2}z^{2}{ \big )}-a^{2}{\big (}b^{2\!}+c^{2}{\big )}x^{2}-b^{2}{\big (}c ^{2\!}+a^{2}{\big )}y^{2}-c^{2}{\big (}a^{2\!}+b^{2}{\big ) }z^{2}+a^{2}b^{2}c^{2}=\,0\,,}$

kde a jsou rychlosti šíření ve směrech kolmých k souřadnicovým osám pro vibrace podél os (rychlosti paprsku a vlny jsou v těchto speciálních případech stejné). Pozdější komentátoři dali rovnici do kompaktnější a zapamatovatelnější podoby ${\displaystyle \,r^{2}=x^{2\!}+y^{2\!}+z^{2},\,}$${\displaystyle \,a,b,c\,}$

${\displaystyle {\frac {x^{2}}{r^{2}-a^{2}}}+{\frac {y^{2}}{r^{2}-b^{2} }}+{\frac {z^{2}}{r^{2}-c^{2}}}\,=\,1\,.}$

Dříve ve „druhém doplňku“ Fresnel modeloval médium jako pole bodových hmot a zjistil, že vztah síla-posunutí byl popsán symetrickou maticí , což potvrzuje existenci tří vzájemně kolmých os, na kterých posun produkoval paralelní sílu. . Později v dokumentu poznamenal, že v biaxiálním krystalu, na rozdíl od jednoosého krystalu, nejsou směry, ve kterých je pouze jedna vlnová normální rychlost, stejné jako ty, ve kterých je pouze jedna rychlost paprsku. V dnešní době označujeme první směry jako optické osy nebo binormální osy a ty druhé jako osy paprsků nebo biradiální osy (viz Dvojlom ) .

Fresnelův „druhý dodatek“ byl podepsán 31. března 1822 a předložen následující den – necelý rok po zveřejnění jeho hypotézy o čistě příčných vlnách a necelý rok po předvedení jeho prototypu osmipanelové čočky majáku. (viz níže ) .

Druhá monografie (1822-26)

Poté, co Fresnel představil části své teorie zhruba v pořadí objevů, potřeboval přeskupit materiál tak, aby zdůraznil mechanické základy; a stále potřeboval přísné zpracování Biotova dihedrálního zákona. Těmto záležitostem se věnoval ve své „druhé monografii“ o dvojím lomu, publikované v Recueils of the Académie des Sciences pro rok 1824; toto nebylo vlastně vytištěno až do konce roku 1827, několik měsíců po jeho smrti. V této práci, když stanovil tři kolmé osy, na nichž posunutí vyvolává paralelní reakci, a poté zkonstruoval povrch pružnosti, ukázal, že Biotův dihedrální zákon je přesný za předpokladu, že binormály jsou brány jako optické osy a vlnová normální směr jako směr šíření.

Již v roce 1822 diskutoval Fresnel o svých kolmých osách s Cauchym . Cauchy uznal Fresnelův vliv a rozvinul první rigorózní teorii pružnosti neizotropních pevných látek (1827), odtud první rigorózní teorii příčných vln (1830) — kterou se okamžitě pokusil aplikovat na optiku. Následné potíže vedly k dlouhému konkurenčnímu úsilí najít přesný mechanický model éteru. Fresnelův vlastní model nebyl dynamicky přísný; například odvodil reakci na smykové napětí tím, že zvažoval posun jedné částice, zatímco všechny ostatní byly pevné, a předpokládal, že tuhost určuje rychlost vlny jako v natažené struně, bez ohledu na směr vlnové normály. Ale stačilo to, aby umožnila vlnové teorii to, co selektivní teorie nedokázala: generovat testovatelné vzorce pokrývající komplexní škálu optických jevů z mechanických předpokladů.

Fotoelasticita, experimenty s více hranoly (1822)

Chromatická polarizace v plastovém úhloměru , způsobená stresem indukovaným dvojlomem.

V roce 1815 Brewster uvedl, že barvy se objevují, když je plátek izotropního materiálu umístěný mezi zkřížené polarizátory mechanicky namáhán. Brewster sám okamžitě a správně připsal tento jev dvojlomu vyvolanému stresem – nyní známému jako fotoelasticita .

V memoárech přečtených v září 1822 Fresnel oznámil, že ověřil Brewsterovu diagnózu přímočařeji, a to tak, že stlačil kombinaci skleněných hranolů tak silně, že skrz ni bylo možné vidět dvojitý obraz. Ve svém experimentu Fresnel seřadil sedm hranolů 45°-90°-45° , od krátké strany ke krátké, s jejich 90° úhly směřujícími ve střídavých směrech. Na koncích byly přidány dva poloviční hranoly, aby byla celá sestava obdélníková. Hranoly byly odděleny tenkými filmy terpentýnu ( térébenthine ) k potlačení vnitřních odrazů, což umožnilo jasnou linii pohledu podél řady. Když byly čtyři hranoly s podobnou orientací stlačeny ve svěráku přes linii pohledu, objekt pozorovaný skrz sestavu vytvořil dva obrazy s kolmými polarizacemi se zdánlivým rozestupem 1,5  mm na jeden metr.

Na konci této monografie Fresnel předpověděl, že pokud budou stlačené hranoly nahrazeny (nenapnutými) monokrystalickými křemennými hranoly se shodnými směry optické rotace a s jejich optickými osami zarovnanými podél řady, objekt viděný pohledem podél společné optické osy by poskytlo dva obrazy, které by se zdály nepolarizované při pohledu přes analyzátor, ale při pohledu přes Fresnelův kosočtverec by byly polarizované v úhlu ±45° k rovině odrazu kosočtverce (což naznačuje, že byly zpočátku kruhově polarizované v opačných směrech) . To by přímo ukázalo, že optická rotace je formou dvojlomu. V memoárech z prosince 1822, ve kterých zavedl termín kruhová polarizace , uvedl, že tuto předpověď potvrdil pouze pomocí jednoho hranolu 14°-152°-14° a dvou skleněných polovičních hranolů. Širší separaci snímků však dosáhl nahrazením skleněného polovičního hranolu křemennými polovičními hranoly, jejichž rotace byla opačná než u hranolu 14°-152°-14°. Mimochodem dodal, že separaci lze dále zvýšit zvýšením počtu hranolů.

Recepce

Jako doplněk k Riffaultovu překladu Thomson 's System of Chemistry byl Fresnel vybrán, aby přispěl článkem o světle. Výsledná 137stránková esej nazvaná De la Lumière ( O světle ) byla zřejmě dokončena v červnu 1821 a publikována v únoru 1822. S částmi pojednávajícími o povaze světla, ohybu, interferenci tenkého filmu, odrazu a lomu, dvojité lomu a polarizace, chromatická polarizace a modifikace polarizace odrazem, to udělalo komplexní případ pro vlnovou teorii pro čtenářskou obec, která nebyla omezena na fyziky.

Aby prozkoumala Fresnelovy první monografie a přílohy o dvojitém lomu, Académie des Sciences jmenovala Ampère, Arago, Fourier a Poisson. Jejich zpráva, jejímž hlavním autorem byl jednoznačně Arago, byla přednesena na schůzi dne 19. srpna 1822. Poté slovy Émila Verdeta , jak přeložil Ivor Grattan-Guinness :

Bezprostředně po přečtení zprávy se Laplace ujal slova a… prohlásil výjimečnou důležitost díla, které bylo právě ohlášeno: blahopřál autorovi k jeho vytrvalosti a bystrosti, která ho přivedla k objevu zákona, který unikal nejchytřejší, a poněkud předvídaje úsudek potomstva prohlásil, že tyto výzkumy staví nad vše, co bylo po dlouhou dobu sdělováno Académie.

Zda Laplace oznamoval svůj přechod na vlnovou teorii – ve věku 73 let – není jisté. Grattan-Guinness tuto myšlenku bavil. Buchwald poznamenal, že Arago nedokázal vysvětlit, že „elipsoid pružnosti“ nedává správné roviny polarizace, naznačuje, že Laplace mohl pouze považovat Fresnelovu teorii za úspěšné zobecnění Malusova zákona o rychlosti paprsku, zahrnující Biotovy zákony.

Vzdušný difrakční obrazec 65  mm od kruhové apertury 0,09  mm osvětlené červeným laserovým světlem. Velikost obrázku: 17,3  mm  ×  13  mm

V následujícím roce Poisson, který nepodepsal Aragovu zprávu, zpochybnil možnost příčných vln v éteru. Vycházel z předpokládaných pohybových rovnic tekutého prostředí a poznamenal, že neposkytují správné výsledky pro částečný odraz a dvojitý lom – jako by to byl spíše Fresnelův problém než jeho vlastní – a že předpovězené vlny, i když původně byly příčné, staly se více podélné, jak se množily. V odpovědi Fresnel mimo jiné poznamenal, že rovnice, kterým Poisson tolik věřil, dokonce ani nepředpovídaly viskozitu . Důsledek byl jasný: vzhledem k tomu, že chování světla nebylo uspokojivě vysvětleno jinak než příčnými vlnami, nebylo povinností vlnových teoretiků opustit příčné vlny v úctě k předem vytvořeným představám o éteru; spíše byla odpovědností modelářů éteru vytvořit model, který by vyhovoval příčným vlnám. Podle Roberta H. Sillimana Poisson nakonec krátce před svou smrtí v roce 1840 přijal vlnovou teorii.

Mezi Francouzi byla Poissonova neochota výjimkou. Podle Eugena Frankela se „zdá se, že v Paříži po roce 1825 neprobíhala žádná debata na toto téma. Ve skutečnosti téměř celá generace fyziků a matematiků, která dospěla ve 20. letech 19. století – Pouillet, Savart , Lamé , Navier , Liouville , Cauchy - Zdá se, že teorii okamžitě přijal." Zdálo se, že Fresnelův další prominentní francouzský oponent, Biot, zaujal neutrální postoj v roce 1830 a nakonec přijal vlnovou teorii – možná do roku 1846 a jistě do roku 1858.

V roce 1826 britský astronom John Herschel , který pracoval na knižním článku o světle pro Encyclopædia Metropolitana , adresoval Fresnelovi tři otázky týkající se dvojitého lomu, částečného odrazu a jejich vztahu k polarizaci. Výsledný článek, nazvaný jednoduše „Světlo“, byl velmi soucitný s vlnovou teorií, i když ne zcela prostý selekčních jazyků. V roce 1828 soukromě koloval a byl publikován v roce 1830. Mezitím Youngův překlad Fresnelova De la Lumière vycházel po částech od roku 1827 do roku 1829. George Biddell Airy , bývalý lucasovský profesor v Cambridge a budoucí astronom Royal , bez výhrad přijal vlnovou teorii. 1831. V roce 1834 skvěle vypočítal difrakční vzor kruhové apertury z vlnové teorie, čímž vysvětlil omezené úhlové rozlišení dokonalého dalekohledu (viz Airy disk ) . Koncem 30. let 19. století byl jediným prominentním britským fyzikem, který se postavil proti vlnové teorii , Brewster , jehož námitky zahrnovaly obtížnost vysvětlení fotochemických efektů a (podle jeho názoru) rozptylování .

Německý překlad De la Lumière byl vydáván po částech v letech 1825 a 1828. Teorii vln převzal Fraunhofer na počátku 20. let 19. století a Franz Ernst Neumann ve 30. letech 19. století a poté začala nacházet oblibu v německých učebnicích.

Ekonomii předpokladů v rámci vlnové teorie zdůraznil William Whewell ve své Historii induktivních věd , poprvé publikované v roce 1837. V korpuskulárním systému „každá nová třída faktů vyžaduje nový předpoklad“, zatímco ve vlnovém systému hypotéza navržená za účelem vysvětlení jednoho jevu je pak nalezena jako vysvětlení nebo předpovídání jiných. V korpuskulárním systému neexistuje „žádný neočekávaný úspěch, žádná šťastná náhoda, žádné sbližování principů ze vzdálených končin“; ale ve vlnovém systému „vše směřuje k jednotě a jednoduchosti“. 

Proto v roce 1850, když Foucault a Fizeau experimentem zjistili, že světlo se ve vodě šíří pomaleji než ve vzduchu, v souladu s vlnovým vysvětlením lomu a na rozdíl od korpuskulárního vysvětlení, výsledek nebyl žádným překvapením.

Majáky a Fresnelova čočka

Fresnel nebyl prvním člověkem, který zaostřil paprsek majáku pomocí čočky. Toto vyznamenání zjevně patří londýnskému brusičovi skla Thomasi Rogersovi, jehož první čočky  o průměru 53 cm a  tloušťce uprostřed 14 cm byly instalovány v Old Lower Lighthouse v Portland Bill v roce 1789. Další vzorky byly instalovány asi za půl roku. tucet dalších míst do roku 1804. Ale velká část světla byla promarněna absorpcí ve skle.

1: Průřez Buffonovou/Fresnelovou čočkou. 2: Průřez konvenční plankonvexní čočkou ekvivalentní mohutnosti. (Buffonova verze byla bikonvexní .)

Fresnel nebyl ani první, kdo navrhl nahradit konvexní čočku řadou soustředných prstencových hranolů, aby se snížila hmotnost a absorpce. V roce 1748 hrabě Buffon navrhl brousit takové hranoly jako stupně v jediném kusu skla. V roce 1790 markýz de Condorcet navrhl, že by bylo snazší vyrobit prstencové sekce samostatně a sestavit je na rám; ale i to bylo v té době nepraktické. Tyto návrhy nebyly určeny pro majáky, ale pro hořící sklenice . Brewster však v roce 1811 navrhl systém podobný systému Condorcet a v roce 1820 obhajoval jeho použití v britských majácích.

Mezitím, 21. června 1819, byl Fresnel „dočasně“ vyslán Komisí des Phares (Komise majáků) na doporučení Araga (člena Komise od roku 1813), aby přezkoumal možná zlepšení osvětlení majáku. Komise byla založena Napoleonem v roce 1811 a zařazena pod Corps des Ponts – Fresnelova zaměstnavatele.

Koncem srpna 1819 Fresnel neznal návrh Buffon-Condorcet-Brewster a učinil svou první prezentaci komisi a doporučil to, co nazýval lentilles à échelons (čočky po krocích), aby nahradily tehdy používané reflektory, což odráželo jen asi polovinu dopadajícího světla. Jeden ze shromážděných komisařů, Jacques Charles , si připomněl Buffonův návrh a nechal Fresnela v rozpacích za to, že znovu „prorazil otevřené dveře“. Ale zatímco Buffonova verze byla bikonvexní a v jednom kuse, Fresnelova byla plankonvexní a vyrobená z více hranolů pro snadnější konstrukci. S oficiálním rozpočtem 500 franků Fresnel oslovil tři výrobce. Třetí, François Soleil, vyrobil prototyp. Byl dokončen v březnu 1820 a měl čtvercový čočkový panel o šířce 55 cm na straně obsahující 97 polygonálních (nikoli prstencových) hranolů – a tak zapůsobil na Komisi, že byl Fresnel požádán o plnou osmipanelovou verzi. Tento model, dokončený o rok později i přes nedostatek finančních prostředků, měl panely 76 cm čtverečních. Ve veřejné podívané večer 13. dubna 1821 to bylo demonstrováno srovnáním s nejnovějšími reflektory, které se náhle staly zastaralými.

Průřez čočkou Fresnelova majáku první generace se šikmými zrcadly  m, n nad a pod refrakčním panelem  RC (se středovým segmentem  A ). Pokud je průřez v každé vertikální rovině skrz lampu  L stejný, světlo se rozprostírá rovnoměrně kolem horizontu.

Další Fresnelova čočka byla rotační přístroj s osmi panely „bull's-eye“, vyrobený v prstencových obloucích firmou Saint-Gobain , poskytující osm rotujících paprsků – které mají námořníci vidět jako periodický záblesk. Nad a za každým hlavním panelem byl menší šikmý panel s lichoběžníkovým obrysem s lichoběžníkovými prvky. To lámalo světlo na šikmé rovinné zrcadlo, které ho pak odráželo vodorovně, 7 stupňů před hlavním paprskem, čímž se prodlužovalo trvání záblesku. Pod hlavními panely bylo 128 malých zrcadel uspořádaných do čtyř prstenců, naskládaných jako lamely žaluzie nebo žaluzie . Každý prsten ve tvaru komolého kužele odrážel světlo k obzoru a mezi záblesky poskytoval slabší stálé světlo. Oficiální test, provedený na nedokončeném Vítězném oblouku dne 20. srpna 1822, byl svědkem komise – a Ludvíka XVIII . a jeho doprovodu – ze vzdálenosti 32  km. Přístroj byl na zimu uskladněn v Bordeaux a poté znovu smontován v Cordouan Lighthouse pod Fresnelovým dohledem. 25. července 1823 byla zapálena první fresnelova čočka majáku na světě. Brzy poté začal Fresnel vykašlávat krev.

V květnu 1824 byl Fresnel povýšen na tajemníka Commission des Phares a stal se prvním členem tohoto orgánu, který pobíral plat, i když v souběžné roli hlavního inženýra. Od roku 1821 byl také zkoušejícím (ne učitelem) na École Polytechnique; ale špatné zdraví, dlouhé hodiny během zkušební sezóny a úzkost z posuzování ostatních ho přiměly na konci roku 1824 rezignovat na tuto funkci, aby si ušetřil energii na svou práci na majáku.

Ve stejném roce navrhl první pevnou čočku – pro rovnoměrné šíření světla kolem horizontu při minimalizaci odpadu nad nebo pod. V ideálním případě by zakřivené lámavé povrchy byly segmenty toroidů kolem společné vertikální osy, takže dioptrický panel by vypadal jako válcový buben. Pokud by to bylo doplněno o reflexní ( katoptrické ) kroužky nad a pod refrakčními (dioptrickými) částmi, vypadal by celý aparát jako včelí úl. Druhá Fresnelova čočka, která byla uvedena do provozu, byla skutečně pevná čočka třetího řádu, instalovaná v Dunkerque 1. února 1825. Avšak kvůli obtížnosti výroby velkých toroidních hranolů měl tento přístroj 16-ti stranný polygonální půdorys.

V roce 1825 Fresnel rozšířil svůj design s pevnou čočkou přidáním rotačního pole mimo pevné pole. Každý panel rotačního pole měl lámat část pevného světla z horizontálního ventilátoru do úzkého paprsku.

V roce 1825 také Fresnel odhalil Carte des Phares (Mapa majáků), která požadovala systém 51 majáků a menších přístavních světel v hierarchii velikostí čoček (nazývaných řády , přičemž první řád je největší), s různými charakteristikami pro usnadnění rozpoznávání: konstantní světlo (z pevného objektivu), jeden záblesk za minutu (z otočného objektivu s osmi panely) a dva za minutu (šestnáct panelů).

Rotační katadioptrická Fresnelova čočka prvního řádu, datovaná rokem 1870, vystavená v Musée national de la Marine v Paříži. V tomto případě jsou dioptrické hranoly (uvnitř bronzových kroužků) a katadioptrické hranoly (vně) uspořádány tak, aby vydávaly čistě blikající světlo se čtyřmi záblesky na jednu otáčku. Sestava je vysoká 2,54 metru a váží asi 1,5 tuny.

Koncem roku 1825, aby se snížila ztráta světla v odrazných prvcích, Fresnel navrhl nahradit každé zrcadlo katadioptrickým hranolem, přes který by světlo procházelo lomem přes první povrch, poté úplným vnitřním odrazem od druhého povrchu a poté lomem. přes třetí povrch. Výsledkem byla čočka majáku, jak ji nyní známe. V roce 1826 sestavil malý model pro použití na Canal Saint-Martin , ale nedožil se verze v plné velikosti.

První pevná čočka s toroidními hranoly byl aparát prvního řádu navržený skotským inženýrem Alanem Stevensonem pod vedením Léonora Fresnela a vyrobený firmou Isaac Cookson & Co. z francouzského skla; to vstoupilo do služby u Isle of May v roce 1836. První velké katadioptrické čočky byly pevné čočky třetího řádu vyrobené v roce 1842 pro majáky v Gravelines a Île Vierge . První plně katadioptrická čočka prvního řádu , instalovaná v Ailly v roce 1852, vydávala osm rotujících paprsků podporovaných osmi katadioptrickými panely nahoře (pro prodloužení záblesků) plus pevné světlo zespodu. První plně katadioptrická čočka s čistě otočnými paprsky – rovněž prvního řádu – byla instalována v Saint-Clément-des-Baleines v roce 1854 a znamenala dokončení původní Carte des Phares Augustina Fresnela .

Detailní pohled na tenké plastové Fresnelovy čočky

Výroba jednodílných stupňovitých dioptrických čoček – zhruba tak, jak to předpokládal Buffon – se stala praktickou v roce 1852, kdy John L. Gilliland z Brooklyn Flint-Glass Company patentoval způsob výroby takových čoček z lisovaného skla. V 50. letech 20. století bylo nahrazení skla plastem ekonomicky výhodné používat Fresnelovy čočky s jemnými stupni jako kondenzátory ve zpětných projektorech . Ještě jemnější kroky lze nalézt v levných plastových „listových“ lupách .

Vyznamenání

Busta Augustina Fresnela od Davida d'Angerse (1854), dříve na majáku Hourtin , Gironde , a nyní vystavená v Musée national de la Marine

Fresnel byl zvolen do Société Philomathique de Paris v dubnu 1819 a v roce 1822 se stal jedním z redaktorů Société  Bulletin des Sciences . Již v květnu 1817 na Aragoův návrh požádal Fresnel o členství v Académie des Sciences, ale získal pouze jeden hlas. Úspěšným kandidátem při té příležitosti byl Joseph Fourier . V listopadu 1822 Fourierovo povýšení na stálého tajemníka Akademie vytvořilo volné místo ve fyzikální sekci, kterou v únoru 1823 zaplnil Pierre Louis Dulong s 36 hlasy proti Fresnelovým 20. Ale v květnu 1823, poté, co další volné místo opustil smrti Jacquese Charlese ,  Fresnelova volba byla jednomyslná. V roce 1824 byl Fresnel jmenován rytířem čestné legie ( Chevalier de la Legion d'honneur ).

Mezitím se v Británii teorie vln teprve prosadila; Fresnel napsal Thomasu Youngovi v listopadu 1824 a částečně řekl:

Jsem dalek toho, abych popíral hodnotu, kterou přikládám chvále anglických učenců, nebo předstírám, že by mi příjemně nelichotili. Ale po dlouhou dobu byla tato citlivost nebo ješitnost, které se říká láska ke slávě, ve mně hodně otupená: pracuji mnohem méně proto, abych získal hlasy veřejnosti, než abych získal vnitřní souhlas, který byl vždy tou nejsladší odměnou mého života. úsilí. Nepochybně jsem často potřeboval bodnutí marnivosti, aby mě vyburcovalo k dalšímu výzkumu ve chvílích znechucení nebo sklíčenosti; ale všechny komplimenty, které jsem dostal od MM.  Arago, Laplace a Biot mi nikdy neposkytli tolik potěšení jako objev teoretické pravdy a potvrzení mých výpočtů experimentem.

Ale brzy následovala „chvála anglických učenců“. Dne 9. června 1825 se Fresnel stal zahraničním členem Královské společnosti v Londýně . V roce 1827 mu byla udělena Rumfordova medaile společnosti za rok 1824, „Za vývoj teorie vlnění, jak je aplikována na jevy polarizovaného světla, a za různé důležité objevy ve fyzikální optice“. 

Pomník Fresnelovi v jeho rodišti (viz výše )   byl zasvěcen 14. září 1884 projevem Julese Jamina , stálého tajemníka Académie des Sciences. „ FRESNEL “ je mezi 72 jmény vyraženými na Eiffelově věži (na jihovýchodní straně, čtvrté zleva). V 19. století, kdy každý maják ve Francii získal Fresnelovu čočku, získal každý Fresnelovu bustu, která zdánlivě hlídá pobřeží, které učinil bezpečnějším. Lunární objekty Promontorium Fresnel a Rimae Fresnel byly později pojmenovány po něm.

Úpadek a smrt

Fresnelův hrob na hřbitově Père Lachaise v Paříži, vyfotografován v roce 2018

Fresnelovo zdraví, které bylo vždy špatné, se v zimě 1822–1823 zhoršilo, což zvýšilo naléhavost jeho původního výzkumu a (zčásti) mu zabránilo přispět článkem o polarizaci a dvojím lomu pro Encyclopædia Britannica . Z tohoto období pocházejí paměti o kruhové a eliptické polarizaci a optické rotaci a o podrobném odvození Fresnelových rovnic a jejich aplikaci na totální vnitřní odraz. Na jaře se podle jeho vlastního názoru zotavil natolik, že mohl dohlížet na instalaci čoček v Cordouanu. Brzy poté vyšlo najevo, že jeho stav je tuberkulóza .

V roce 1824 mu bylo doporučeno, že pokud chce žít déle, musí omezit své aktivity. Vnímal svou práci na majáku jako svou nejdůležitější povinnost, vzdal se funkce zkoušejícího na École Polytechnique a zavřel své vědecké sešity. Jeho poslední poznámka pro Académie, čtená 13. června 1825, popisovala první radiometr a připisovala pozorovanou odpudivou sílu teplotnímu rozdílu. Ačkoli jeho základní výzkum skončil, jeho advokacie ne; ještě v srpnu nebo září 1826 si našel čas odpovědět na Herschelovy dotazy na vlnovou teorii. Byl to Herschel, kdo doporučil Fresnela na Rumfordovu medaili Royal Society.

Fresnelův kašel se zhoršil v zimě 1826–1827, takže byl příliš nemocný, aby se na jaře vrátil do Mathieu. Setkání Académie dne 30. dubna 1827 bylo posledním, kterého se zúčastnil. Začátkem června byl převezen do Ville-d'Avray , 12 kilometrů (7,5 mil) západně od Paříže. Tam se k němu přidala jeho matka. 6. července dorazil Arago předat Rumfordovu medaili. Fresnel vycítil Aragoovo trápení a zašeptal, že "nejkrásnější koruna znamená málo, když je položena na hrob přítele." Fresnel neměl sílu odpovědět Královské společnosti. Zemřel o osm dní později, na Den dobytí Bastily .

Je pohřben na hřbitově Père Lachaise v Paříži. Nápis na jeho náhrobku je částečně erozí; čitelná část v překladu říká: „Památce Augustina Jeana Fresnela, člena Institutu Francie “.

Posmrtné publikace

Émile Verdet (1824–1866)

Fresnelovy „druhé monografie“ o dvojitém lomu byly vytištěny až koncem roku 1827, několik měsíců po jeho smrti. Do té doby byl nejlepším publikovaným zdrojem o jeho práci o dvojím lomu výňatek z této monografie, vytištěný v roce 1822. Jeho konečné zpracování částečné reflexe a úplné vnitřní reflexe, přečtené Académie v lednu 1823, bylo považováno za ztracené, dokud byla znovuobjevena mezi papíry zesnulého Josepha Fouriera (1768–1830) a byla vytištěna v roce 1831. Do té doby byla známá především díky úryvku vytištěnému v letech 1823 a 1825. Memoár představující hranolovou podobu Fresnelova kosočtverce, č. v březnu 1818 byla až do roku 1846 zavržena a poté vzbudila takový zájem, že byla brzy znovu vydána v angličtině. Většina Fresnelových spisů o polarizovaném světle před rokem 1821 – včetně jeho první teorie chromatické polarizace (předložené 7. října 1816) a zásadního „doplňku“ z ledna 1818 – nebyla publikována v plném rozsahu, dokud jeho Oeuvres complètes („úplná díla“) nezačaly se objevily v roce 1866. „Dodatek“ z července 1816, který navrhoval „účinný paprsek“ a informoval o slavném experimentu s dvojitým zrcadlem, potkal stejný osud, stejně jako „první monografie“ o dvojitém lomu.

Vydání Fresnelových sebraných děl bylo samo o sobě zdrženo smrtí následných redaktorů. Úkolem byl zpočátku pověřen Félix Savary , který zemřel v roce 1841. O dvacet let později jej obnovilo ministerstvo pro veřejné vyučování. Ze tří editorů nakonec jmenovaných v Oeuvres , Sénarmont zemřel v roce 1862, Verdet v roce 1866 a Léonor Fresnel v roce 1869, do té doby se objevily pouze dva ze tří svazků. Na začátku sv. 3 (1870), dokončení projektu je popsáno v dlouhé poznámce pod čarou " J. Lissajous ."

Do Oeuvres nejsou zahrnuty   dvě krátké poznámky Fresnela o magnetismu, které byly objeveny mezi Ampérovými rukopisy. V odezvě na Ørstedův objev elektromagnetismu v 1820, Ampère zpočátku předpokládal, že pole permanentního magnetu bylo kvůli makroskopickému cirkulujícímu proudu . Fresnel místo toho navrhl, že kolem každé částice magnetu cirkuluje mikroskopický proud. Ve své první poznámce tvrdil, že mikroskopické proudy na rozdíl od makroskopických proudů vysvětlují, proč dutý válcový magnet neztrácí svůj magnetismus při podélném řezu. Ve své druhé poznámce z 5. července 1821 dále tvrdil, že makroskopický proud má kontrafaktuální implikaci, že permanentní magnet by měl být horký, zatímco mikroskopické proudy obíhající kolem molekul by se mohly vyhnout mechanismu ohřevu. Neměl vědět, že základní jednotky permanentního magnetismu jsou ještě menší než molekuly (viz Elektronový magnetický moment ) . Tyto dvě poznámky, spolu s Ampèreho uznáním, byly nakonec zveřejněny v roce 1885.

Ztracená díla

Fresnelův esej Rêveries of 1814 se nedochoval. Jeho obsah by byl sice pro historiky zajímavý, ale jeho kvalitu lze snad posuzovat podle toho, že sám Fresnel se o něm ve své dospělosti nikdy nezmínil.

Znepokojivější je osud posledního článku „Sur les Différents Systèmes relatifs à la Théorie de la Lumière“ („O různých systémech týkajících se teorie světla“), který Fresnel napsal pro nově založený anglický časopis European Review . Zdá se, že tato práce byla svým rozsahem podobná eseji De la Lumière z let 1821/22, kromě toho, že se od té doby vyvinuly Fresnelovy názory na dvojitý lom, kruhovou a eliptickou polarizaci, optickou rotaci a úplný vnitřní odraz. Rukopis obdržel nakladatelův agent v Paříži počátkem září 1824 a okamžitě jej předal do Londýna. Ale časopis selhal dříve, než mohl být Fresnelův příspěvek publikován. Fresnel se neúspěšně pokusil získat zpět rukopis. Ani editorům jeho sebraných děl se ho nepodařilo najít a připustili, že se pravděpodobně ztratil.

Nedokončená práce

Éterový odpor a hustota éteru

V roce 1810 Arago experimentálně zjistil, že stupeň lomu světla hvězd nezávisí na směru pohybu země vzhledem k linii pohledu. V roce 1818 Fresnel ukázal, že tento výsledek lze vysvětlit vlnovou teorií na základě hypotézy, že pokud se objekt s indexem lomu pohybuje rychlostí vzhledem k vnějšímu éteru (bráno jako stacionární), pak rychlost světla uvnitř objektu získá přídavná součást . Podpořil tuto hypotézu tím, že předpokládal, že pokud se hustota vnějšího éteru bere jako jednota, hustota vnitřního éteru je , z čehož přebytek, jmenovitě , je vláčen rychlostí , odkud je průměrná rychlost vnitřního éteru . Faktor v závorkách, který Fresnel původně vyjadřoval jako vlnové délky, se stal známým jako Fresnelův koeficient odporu . (Viz hypotéza odporu éteru .)${\displaystyle n}$${\displaystyle v}$${\displaystyle \,v(1-1/n^{2})}$${\displaystyle n^{2}}$${\displaystyle \,n^{2}{-}1\,}$${\displaystyle v}$${\displaystyle \,v(1-1/n^{2})}$

Ve své analýze dvojitého lomu Fresnel předpokládal, že různé indexy lomu v různých směrech ve stejném médiu byly způsobeny směrovou změnou elasticity, nikoli hustoty (protože koncept hmotnosti na jednotku objemu není směrový). Ale ve svém zpracování částečného odrazu předpokládal, že různé indexy lomu různých médií jsou způsobeny různými hustotami éteru, nikoli různými elasticitami. Posledně uvedené rozhodnutí, ačkoliv v kontextu dvojitého lomu bylo záhadné, bylo v souladu s dřívější léčbou éterového odporu.

V roce 1846 George Gabriel Stokes poukázal na to, že není potřeba dělit éter uvnitř pohybujícího se objektu na dvě části; vše by se dalo považovat za pohyb společnou rychlostí. Pak, pokud byl éter zachován, zatímco jeho hustota se měnila úměrně k , výsledná rychlost éteru uvnitř objektu byla rovna Fresnelově dodatečné složce rychlosti. ${\displaystyle n^{2}}$

Disperze

Analogie mezi světelnými vlnami a příčnými vlnami v elastických pevných látkách nepředpovídá disperzi – tedy frekvenční závislost rychlosti šíření, která umožňuje hranolům produkovat spektra a způsobuje, že čočky trpí chromatickou aberací . Fresnel v De la Lumière a ve druhém doplňku své první monografie o dvojitém lomu navrhl, že rozptyl by mohl být vysvětlen, pokud na sebe částice média vyvíjely síly na vzdálenosti, které byly významnými zlomky vlnové délky. Později, více než jednou, Fresnel odkazoval na demonstraci tohoto výsledku jako obsaženou v poznámce připojené k jeho „druhé paměti“ o dvojitém lomu. Žádná taková poznámka se však v tisku neobjevila a příslušné rukopisy nalezené po jeho smrti ukázaly pouze to, že kolem roku 1824 porovnával indexy lomu (měřené Fraunhoferem) s teoretickým vzorcem, jehož význam nebyl plně vysvětlen.

Ve třicátých letech 19. století převzali Fresnelův návrh Cauchy, Powell a Kelland a bylo skutečně zjištěno, že je tolerovatelně konzistentní s variacemi indexů lomu s vlnovou délkou ve viditelném spektru pro různá transparentní média (viz Cauchyho rovnice ) . Tato zkoumání stačila k tomu, aby ukázala, že vlnová teorie je přinejmenším kompatibilní s disperzí. Pokud však měl být model rozptylu přesný v širším rozsahu frekvencí, bylo potřeba jej upravit tak, aby bral v úvahu rezonance v prostředí (viz Sellmeierova rovnice ) .

Kónická refrakce

Analytická složitost Fresnelova odvození povrchu rychlosti paprsku byla implicitní výzvou k nalezení kratší cesty k výsledku. Na to odpověděl MacCullagh v roce 1830 a William Rowan Hamilton v roce 1832.

Hamilton šel dále a stanovil dvě vlastnosti povrchu, které Fresnel v krátkém čase, který mu byl poskytnut, přehlédl: (i) v každém ze čtyř bodů, kde se vnitřní a vnější vrstva povrchu dotýkají, má povrch tečnu. kužel (tangenciální k oběma listům), tedy kužel normál, indikující, že kužel vlnových normálních směrů odpovídá jedinému vektoru rychlosti paprsku; a (ii) kolem každého z těchto bodů má vnější vrstva kruh kontaktu s tečnou rovinou, což naznačuje, že kužel směrů paprsků odpovídá jedinému vektoru rychlosti normální vlny. Jak poznamenal Hamilton, tyto vlastnosti znamenají, že (i) úzký paprsek šířící se uvnitř krystalu ve směru rychlosti jediného paprsku se při výstupu z krystalu přes plochý povrch rozbije do dutého kužele ( externí kuželový lom ) a (ii) úzký paprsek dopadající na plochý povrch krystalu ve vhodném směru (odpovídajícím rychlosti jediné vnitřní vlnové normální rychlosti) se při vstupu do krystalu rozbije do dutého kužele ( vnitřní kuželový lom ).

Matematika tedy předpověděla nový pár jevů, kvalitativně odlišných od všeho, co bylo dříve pozorováno nebo předpokládalo, jako důsledky Fresnelovy teorie. Okamžité experimentální potvrzení těchto předpovědí Humphrey Lloydem   přineslo Hamiltonovi cenu, která se Fresnelovi nikdy nedostala: okamžitou slávu.

Dědictví

Místnost s lucernami Cordouan Lighthouse , ve které byla v roce 1823 uvedena do provozu první Fresnelova čočka. Současná pevná katadioptrická čočka „včelího úlu“ nahradila původní Fresnelovu rotační čočku v roce 1854.

Během století od počátečního návrhu Fresnelových stupňovitých čoček chránilo životy a majetek po celém světě více než 10 000 světel s Fresnelovými čočkami. Pokud jde o další výhody, historička vědy Theresa H. Levitt poznamenala:

Kam jsem se podíval, příběh se opakoval. Okamžik, kdy se na místě objevila Fresnelova čočka, byl okamžikem, kdy se tento region propojil se světovou ekonomikou.

V historii fyzikální optiky ho Fresnelovo úspěšné oživení vlnové teorie nominuje jako stěžejní postavu mezi Newtonem, který zastával názor, že světlo se skládá z krvinek, a Jamesem Clerkem Maxwellem , který prokázal, že světelné vlny jsou elektromagnetické. Zatímco Albert Einstein popsal Maxwellovu práci jako „nejhlubší a nejplodnější, jakou fyzika zažila od dob Newtona“, komentátoři éry mezi Fresnelem a Maxwellem učinili o Fresnelovi podobně silná prohlášení:

• MacCullagh již v roce 1830 napsal, že Fresnelova mechanická teorie dvojitého lomu „by udělala čest prozíravosti Newtona“.
• Lloyd ve své zprávě o pokroku a současném stavu fyzikální optiky (1834) pro British Association for the Advancement of Science zkoumal předchozí znalosti o dvojím lomu a prohlásil:

  Jsem přesvědčen, že Fresnelova teorie, ke které nyní přistupuji a která nejenže zahrnuje všechny známé jevy, ale dokonce předstihla pozorování a předpověděla důsledky, které byly následně plně ověřeny, bude považována za nejlepší zobecnění v fyzikální věda, která byla vytvořena od objevu univerzální gravitace.

  V roce 1841 Lloyd publikoval své Přednášky o vlnové teorii světla , ve kterých popsal Fresnelovu teorii příčných vln jako „nejušlechtilejší látku, která kdy zdobila doménu fyzikální vědy, s výjimkou Newtonova systému vesmíru samotného“. 
• William Whewell ve všech třech vydáních svých Dějin induktivních věd (1837, 1847 a 1857) na konci knihy  IX porovnal historii fyzikální astronomie a fyzikální optiky a dospěl k závěru:

  Bylo by možná příliš fantazijní pokoušet se nastolit paralelismus mezi prominenty, kteří figurují v těchto dvou dějinách. Pokud bychom to měli udělat, musíme považovat Huyghense a Hooka za to, že stojí na místě Koperníka , protože stejně jako on oznámili pravdivou teorii, ale nechali ji na budoucí věk, aby ji rozvinuli a mechanicky potvrdili; Malus a Brewster , seskupení je dohromady, odpovídají Tycho Brahe a Kepler , pracní v hromadění pozorování, vynalézaví a šťastní v objevování zákonů jevů; a Young a Fresnel dohromady tvoří Newtona optické vědy.

To, co Whewell nazval „skutečnou teorií“, od té doby prošlo dvěma zásadními revizemi. První, od Maxwella, specifikoval fyzikální pole, jejichž variace tvoří vlny světla. Bez výhod těchto znalostí se Fresnelovi podařilo zkonstruovat první koherentní teorii světla na světě, která zpětně ukazuje, že jeho metody jsou použitelné pro více typů vln. Druhá revize, zahájená Einsteinovým vysvětlením fotoelektrického jevu , předpokládala, že energie světelných vln byla rozdělena na kvanta , která byla nakonec identifikována s částicemi zvanými fotony . Ale fotony přesně neodpovídaly Newtonovým krvinkám; například Newtonovo vysvětlení obyčejného lomu vyžadovalo, aby se tělíska pohybovala rychleji v médiích s vyšším indexem lomu, což fotony nedělají. Ani fotony nevytlačily vlny; spíše vedly k paradoxu duality vlna-částice . Kromě toho jevy studované Fresnelem, které zahrnovaly téměř všechny optické jevy známé v jeho době, jsou stále nejsnáze vysvětlitelné na základě vlnové povahy světla. A tak se stalo, že až v roce 1927 astronom Eugène Michel Antoniadi prohlásil Fresnela za „dominantní postavu v optice“. 

Viz také

Vysvětlivky

Reference

Citace

Bibliografie

Další čtení

Některé anglické překlady děl Fresnela jsou zahrnuty ve výše uvedené bibliografii. Podrobnější seznam viz „Externí odkazy“ níže.

Nejpodrobnějším sekundárním zdrojem o Fresnelovi v angličtině je zjevně Buchwald 1989 (24 + 474 stran) — ve kterém je Fresnel, i když není uveden v názvu, jasně ústřední postavou.

Pokud jde o čočky majáků, tento článek silně cituje Levitta 2013, Eltona 2009 a Thomase Taga z US Lighthouse Society (viz „Externí odkazy“ níže). Všichni tři autoři se zabývají nejen Fresnelovými příspěvky, ale i pozdějšími inovacemi, které zde nejsou zmíněny (viz Fresnelova čočka: Historie ).

Ve srovnání s objemem a dopadem jeho vědeckých a technických spisů jsou biografické informace o Fresnelovi pozoruhodně vzácné. Neexistuje žádná jeho kritická biografie v délce celé knihy a každý, kdo se ho chystá napsat, musí čelit skutečnosti, že dopisy publikované v jeho Oeuvres complètes — na rozdíl od názvu — jsou silně redigovány. Slovy Roberta H. Sillimana (1967, s. 6n): „Nešťastným úsudkem redakce, zčásti nadiktovaným, lze z politické vhodnosti podezřívat, že dopisy se objevují ve fragmentární formě a nezachovaly téměř nic nad rámec technických diskusí. Fresnela a jeho korespondentů." Ze sekundárních zdrojů není jasné, zda se rukopisy těchto dopisů ještě dochovaly (srov. Grattan-Guinness, 1990, s. 854n).

externí odkazy

• Média související s Augustinem Fresnelem na Wikimedia Commons

• Seznam anglických překladů děl Augustina Fresnela v Zenodo .
• United States Lighthouse Society , zejména " Fresnelovy čočky " .
• Díla Augustina-Jeana Fresnela v Open Library .
• „Episode 3 – Augustin Fresnel“ , École polytechnique, 23. ledna 2019, archivováno z originálu 22. listopadu 2021 – přes YouTube.