Augustin-Jean Fresnel -Augustin-Jean Fresnel
Augustin-Jean Fresnel | |
|---|---|
 Portræt af "Augustin Fresnel" fra forsiden af hans samlede værker (1866) | |
| Født |
10 maj 1788 |
| Døde | 14 juli 1827 (39 år) |
| Hvilested | Père Lachaise kirkegård |
| Nationalitet | fransk |
| Uddannelse | |
| Kendt for | |
| Pårørende | |
| Priser | |
| Videnskabelig karriere | |
| Felter | Fysik , teknik |
| Institutioner | |
| Påvirkninger | |
| Påvirket | |
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 ; eller / f r eɪ ˈ n ɛ l / fray- NEL ; fransk: [oɡystɛ̃ ʒɑ̃ fʁɛnɛl] ; 10. maj 1788 – 14. juli 1827) var en fransk civilingeniør og fysiker , hvis forskning i optik førte til den næsten enstemmige accept af lyset . med undtagelse af enhver rest af Newtons korpuskulære teori fra slutningen af 1830'erne til slutningen af det 19. århundrede. Han er måske bedre kendt for at opfinde den katadioptriske (reflekterende/refraktive) Fresnel-linse og for at være banebrydende i brugen af "trinnet" linser for at udvide synligheden af fyrtårne , hvilket reddede utallige liv på havet. Den enklere dioptriske (rent refraktive) trinformede linse, først foreslået af Count Buffon og uafhængigt genopfundet af Fresnel, bruges i skærmforstørrelsesglas og i kondensatorlinser til overheadprojektorer .
Ved at udtrykke Huygens princip om sekundære bølger og Youngs princip om interferens i kvantitative termer og antage, at simple farver består af sinusformede bølger, gav Fresnel den første tilfredsstillende forklaring på diffraktion ved lige kanter, inklusive den første tilfredsstillende bølgebaserede forklaring af retlinet udbredelse. En del af hans argument var et bevis på, at tilføjelsen af sinusformede funktioner af samme frekvens, men forskellige faser , er analog med tilføjelsen af kræfter med forskellige retninger. Ved yderligere at antage, at lysbølger er rent tværgående , forklarede Fresnel arten af polarisering , mekanismen for kromatisk polarisering og transmissions- og refleksionskoefficienterne ved grænsefladen mellem to transparente isotrope medier. Derefter, ved at generalisere retning-hastighed-polarisation-relationen for calcit , redegjorde han for retningerne og polariseringerne af de brydte stråler i dobbelt-refraktive krystaller af den biaksiale klasse (dem, for hvilke Huygens' sekundære bølgefronter ikke er aksesymmetriske ). Perioden mellem den første offentliggørelse af hans rene-tværbølge-hypotese og forelæggelsen af hans første korrekte løsning på det biaksiale problem var mindre end et år.
Senere opfandt han begreberne lineær polarisation , cirkulær polarisation og elliptisk polarisation , forklarede, hvordan optisk rotation kunne forstås som en forskel i udbredelseshastigheder for de to retninger af cirkulær polarisation, og (ved at tillade refleksionskoefficienten at være kompleks ) tages der højde for ændringen i polarisering på grund af total intern refleksion , som udnyttet i Fresnel-romben . Forsvarere af den etablerede korpuskulære teori kunne ikke matche hans kvantitative forklaringer af så mange fænomener på så få antagelser.
Fresnel havde en livslang kamp med tuberkulose , som han bukkede under i en alder af 39. Selvom han ikke blev en offentlig berømthed i sin levetid, levede han lige længe nok til at modtage behørig anerkendelse fra sine jævnaldrende, inklusive (på sit dødsleje) Rumford Medal of the Royal Society of London , og hans navn er allestedsnærværende i den moderne terminologi for optik og bølger. Efter at bølgeteorien om lys blev overtaget af Maxwells elektromagnetiske teori i 1860'erne, blev en vis opmærksomhed afledt fra størrelsen af Fresnels bidrag. I perioden mellem Fresnels forening af fysisk optik og Maxwells bredere forening, beskrev en nutidig autoritet, Humphrey Lloyd , Fresnels tværbølgeteori som "det ædleste stof, som nogensinde har prydet den fysiske videnskabs domæne, kun Newtons system af universet undtaget. "
Tidligt liv
"Augustin Fresnel, ingeniør af broer og veje, medlem of the Academy of Sciences, skaberen af linseformede fyrtårne, blev født i dette hus den 10. maj 1788. Teorien om lys skylder denne emulator af Newton de højeste begreber og de mest nyttige anvendelser."
Familie
Augustin-Jean Fresnel (også kaldet Augustin Jean eller blot Augustin), født i Broglie , Normandiet , den 10. maj 1788, var den anden af fire sønner af arkitekten Jacques Fresnel (1755-1805) og hans kone Augustine, født Mérimée (1755 ) –1833). I 1790, efter revolutionen , blev Broglie en del af departementet Eure . Familien flyttede to gange – i 1789/90 til Cherbourg og i 1794 til Jacques hjemby Mathieu , hvor Madame Fresnel ville tilbringe 25 år som enke og overleve to af sine sønner.
Den første søn, Louis (1786-1809), blev optaget på École Polytechnique , blev løjtnant i artilleriet og blev dræbt i aktion i Jaca , Spanien , dagen før sin 23-års fødselsdag. Den tredje, Léonor (1790-1869), fulgte Augustin ind i civilingeniør , efterfulgte ham som sekretær for fyrtårnskommissionen og hjalp med at redigere hans samlede værker. Den fjerde, Fulgence Fresnel (1795-1855), blev en kendt lingvist, diplomat og orientalist og hjalp lejlighedsvis Augustin med forhandlinger. Fulgence døde i Bagdad i 1855 efter at have ledet en mission for at udforske Babylon. Léonor var tilsyneladende den eneste af de fire, der giftede sig.
Deres mors yngre bror, Jean François "Léonor" Mérimée (1757-1836), far til forfatteren Prosper Mérimée (1803-1870), var en malerkunstner, der vendte sin opmærksomhed mod maleriets kemi . Han blev permanent sekretær for École des Beaux-Arts og (indtil 1814) professor ved École Polytechnique, og var det første kontaktpunkt mellem Augustin og datidens førende optiske fysikere .
Uddannelse
Fresnel-brødrene blev oprindeligt hjemmeundervist af deres mor. Den syge Augustin blev betragtet som den langsomme, ikke tilbøjelig til at lære udenad; men den populære historie, som han næppe begyndte at læse, før han var otte år, er omstridt. I en alder af ni eller ti var han udemærket bortset fra hans evne til at forvandle trægrene til legetøjsbuer og geværer, der fungerede alt for godt, hvilket gav sig selv titlen l'homme de génie (geniets mand) fra sine medskyldige, og et forenet nedslag fra deres ældre.
I 1801 blev Augustin sendt til École Centrale i Caen , som selskab for Louis. Men Augustin løftede sin præstation: i slutningen af 1804 blev han optaget på École Polytechnique, idet han blev placeret som nummer 17 i optagelsesprøven. Da de detaljerede optegnelser om École Polytechnique begynder i 1808, ved vi kun lidt om Augustins tid der, bortset fra at han fik få om nogen venner og – på trods af fortsat dårligt helbred – udmærkede sig inden for tegning og geometri: i sit første år tog han en pris for sin løsning på et geometriproblem stillet af Adrien-Marie Legendre . Efter eksamen i 1806 indskrev han sig derefter på École Nationale des Ponts et Chaussées (den nationale skole for broer og veje, også kendt som "ENPC" eller "École des Ponts"), hvorfra han dimitterede i 1809, hvor han trådte i korpsets tjeneste. des Ponts et Chaussées som ingénieur ordinaire aspirant (almindelig ingeniør under uddannelse). Direkte eller indirekte skulle han forblive i ansættelsen af "Corps des Ponts" resten af sit liv.
Religiøs dannelse
Augustin Fresnels forældre var romersk-katolikker fra den jansenistiske sekt, karakteriseret ved et ekstremt augustinsk syn på arvesynden . Religion indtog førstepladsen i drengenes hjemmeundervisning. I 1802 sagde hans mor:
Jeg beder Gud om at give min søn nåden til at bruge de store talenter, som han har modtaget, til sin egen fordel og for alles Gud. Der vil blive bedt om meget af ham, som meget er blevet givet, og det meste vil blive krævet af ham, der har modtaget mest.
Augustin forblev jansenist. Han betragtede sine intellektuelle talenter som gaver fra Gud og anså det for sin pligt at bruge dem til gavn for andre. Ifølge hans medingeniør Alphonse Duleau, som hjalp med at pleje ham gennem hans sidste sygdom, så Fresnel studiet af naturen som en del af studiet af Guds kraft og godhed. Han satte dyd over videnskab og geni. I sine sidste dage bad han om "sjælens styrke", ikke mod døden alene, men mod "afbrydelsen af opdagelser... som han håbede at få nyttige anvendelser af."
Jansenismen betragtes som kættersk af den romersk-katolske kirke, og Grattan-Guinness antyder, at det er grunden til, at Fresnel aldrig fik en fast akademisk lærerstilling; hans eneste læreransættelse var på Athénée i vinteren 1819–20. Artiklen om Fresnel i Catholic Encyclopedia nævner ikke hans jansenisme, men beskriver ham som "en dybt religiøs mand og bemærkelsesværdig for sin skarpe pligtfølelse."
Ingeniøropgaver
Fresnel blev oprindeligt udstationeret i det vestlige departementet Vendée . Der forudså han i 1811, hvad der blev kendt som Solvay-processen til fremstilling af soda , bortset fra at genanvendelse af ammoniakken ikke blev overvejet. Denne forskel kan forklare, hvorfor førende kemikere, som lærte om hans opdagelse gennem sin onkel Léonor, til sidst troede, at det var uøkonomisk.
Omkring 1812 blev Fresnel sendt til Nyons , i det sydlige Drôme , for at hjælpe med den kejserlige motorvej, der skulle forbinde Spanien og Italien. Det er fra Nyons, vi har det første bevis på hans interesse for optik. Den 15. maj 1814, mens arbejdet var slapt på grund af Napoleons nederlag, skrev Fresnel en " PS " til sin bror Léonor og sagde delvist:
Jeg vil også gerne have papirer, der kan fortælle mig om franske fysikeres opdagelser om lysets polarisering. Jeg så i Moniteur for et par måneder siden, at Biot havde læst en meget interessant erindringsbog for instituttet om lysets polarisering . Selvom jeg brækker hovedet, kan jeg ikke gætte, hvad det er.
Så sent som den 28. december ventede han stadig på oplysninger, men han havde modtaget Biots erindringer den 10. februar 1815. ( Institut de France havde overtaget funktionerne i den franske Académie des Sciences og andre akademier i 1795. I 1816 havde Académie des . Videnskaber genvandt sit navn og autonomi, men forblev en del af instituttet.)
I marts 1815, da han opfattede Napoleons tilbagevenden fra Elba som "et angreb på civilisationen", rejste Fresnel uden orlov, skyndte sig til Toulouse og tilbød sine tjenester til den royalistiske modstand, men befandt sig hurtigt på sygelisten. Da han vendte tilbage til Nyons i nederlag, blev han truet og fik knust sine vinduer. I løbet af de hundrede dage blev han sat på suspension, som han til sidst fik lov til at tilbringe i sin mors hus i Mathieu. Der brugte han sin påtvungne fritid til at begynde sine optiske eksperimenter.
Bidrag til fysisk optik
Historisk kontekst: Fra Newton til Biot
Påskønnelsen af Fresnels rekonstruktion af fysisk optik kunne hjælpes af et overblik over den fragmenterede tilstand, hvori han fandt emnet. I dette underafsnit er optiske fænomener, der var uforklarlige, eller hvis forklaringer var bestridt, navngivet med fed skrift .
Den korpuskulærteori om lys , som Isaac Newton favoriserer og accepteret af næsten alle Fresnels seniorer, forklarede let retlinet udbredelse : blodlegemerne bevægede sig tydeligvis meget hurtigt, så deres veje var næsten lige. Bølgeteorien , som udviklet af Christiaan Huygens i hans Treatise on Light (1690), forklarede retlinet udbredelse ud fra den antagelse, at hvert punkt, der krydses af en vandrende bølgefront, bliver kilden til en sekundær bølgefront. Givet startpositionen af en bevægende bølgefront, var enhver senere position (ifølge Huygens) den fælles tangentoverflade ( indhylning ) af de sekundære bølgefronter udsendt fra den tidligere position. Da udstrækningen af den fælles tangent var begrænset af udstrækningen af den indledende bølgefront, gav den gentagne anvendelse af Huygens' konstruktion til en plan bølgefront af begrænset udstrækning (i et ensartet medium) en lige, parallel stråle. Selvom denne konstruktion faktisk forudsagde retlinet udbredelse, var det vanskeligt at forene med den almindelige observation, at bølgefronter på vandoverfladen kan bøje sig rundt om forhindringer, og med lydbølgernes lignende adfærd – hvilket får Newton til at opretholde, til slutningen af sit liv, at hvis lys bestod af bølger, ville det "bøje sig og spredes hver vej" ind i skyggerne.
Huygens' teori forklarede pænt loven om almindelig refleksion og loven om almindelig brydning ("Snells lov"), forudsat at de sekundære bølger rejste langsommere i tættere medier (dem med højere brydningsindeks ). Den korpuskulære teori, med den hypotese, at blodlegemerne var udsat for kræfter, der virkede vinkelret på overflader, forklarede de samme love lige så godt, dog med den implikation, at lyset rejste hurtigere i tættere medier; denne implikation var forkert, men kunne ikke direkte modbevises med teknologien fra Newtons tid eller endda Fresnels tid .
Ligeledes uafklaret var stjerneafvigelse - det vil sige den tilsyneladende ændring i en stjernes position på grund af jordens hastighed på tværs af synslinjen (ikke at forveksle med stjerneparallakse , som skyldes jordens forskydning hen over sigtelinje). Identificeret af James Bradley i 1728, blev stjernernes aberration i vid udstrækning taget som bekræftelse af den korpuskulære teori. Men det var lige så foreneligt med bølgeteorien, som Euler bemærkede i 1746 - under stiltiende antagelse, at æteren (det formodede bølgebærende medium) nær jorden ikke blev forstyrret af jordens bevægelse.
Den enestående styrke ved Huygens' teori var hans forklaring af dobbeltbrydningen (dobbeltbrydning) af " islandsk krystal " (gennemsigtig calcit ), ud fra den antagelse, at de sekundære bølger er sfæriske for den almindelige brydning (som opfylder Snells lov) og sfæriske for det ekstraordinære . brydning (som ikke gør). Generelt indebærer Huygens' fælles-tangent-konstruktion, at stråler er stier med mindst tid mellem på hinanden følgende positioner af bølgefronten, i overensstemmelse med Fermats princip . I det særlige tilfælde med isotrope medier skal de sekundære bølgefronter være sfæriske, og Huygens' konstruktion implicerer da, at strålerne står vinkelret på bølgefronten; ja, loven om almindelig brydning kan afledes separat fra den forudsætning, som Ignace-Gaston Pardies gjorde før Huygens.
Selvom Newton afviste bølgeteorien, bemærkede han dens potentiale til at forklare farver, herunder farverne på " tynde plader " (f.eks. " Newtons ringe " og farverne på ovenlys reflekteret i sæbebobler), ud fra den antagelse, at lys består af periodiske bølger, med de laveste frekvenser (længste bølgelængder ) i den røde ende af spektret, og de højeste frekvenser (korteste bølgelængder) i den violette ende. I 1672 offentliggjorde han et kraftigt hint om den effekt, men nutidige tilhængere af bølgeteorien undlod at handle på den: Robert Hooke behandlede lys som en periodisk sekvens af impulser, men brugte ikke frekvens som farvekriterium, mens Huygens behandlede bølgerne som individuelle impulser uden nogen form for periodicitet; og Pardies døde ung i 1673. Newton forsøgte selv at forklare farverne på tynde plader ved hjælp af den korpuskulære teori ved at antage, at hans blodlegemer havde den bølgelignende egenskab at veksle mellem "anfald af let transmission" og "anfald af let refleksion", afstanden mellem som "passer" afhængigt af farven og mediet og, akavet nok, af brydningsvinklen eller refleksionen i det pågældende medium. Endnu mere akavet krævede denne teori, at tynde plader kun reflekterede på bagsiden, selvom tykke plader åbenlyst også reflekterede på forsiden. Det var først i 1801, at Thomas Young i Bakerian Lecture for det år citerede Newtons vink og redegjorde for farverne på en tynd plade som den kombinerede effekt af de forreste og bageste refleksioner, som forstærker eller ophæver hinanden i henhold til bølgelængde og tykkelse. Young forklarede på samme måde farverne på "stribede overflader" (f.eks. gitter ) som den bølgelængdeafhængige forstærkning eller annullering af refleksioner fra tilstødende linjer. Han beskrev denne forstærkning eller annullering som interferens .
.jpg)
Hverken Newton eller Huygens forklarede tilfredsstillende diffraktion - sløring og afrunding af skygger, hvor de ifølge retlinet udbredelse burde være skarpe. Newton, der kaldte diffraktion "bøjning", antog, at lysstråler, der passerede tæt på forhindringer, var bøjet ("bøjet"); men hans forklaring var kun kvalitativ. Huygens' fællestangenskonstruktion kunne uden modifikationer overhovedet ikke rumme diffraktion. To sådanne modifikationer blev foreslået af Young i den samme Bakerian Lecture fra 1801: For det første at de sekundære bølger nær kanten af en forhindring kunne divergere ind i skyggen, men kun svagt på grund af begrænset forstærkning fra andre sekundære bølger; og for det andet, at diffraktion af en kant var forårsaget af interferens mellem to stråler: en reflekteret fra kanten, og den anden bøjet, mens den passerede nær kanten. Den sidstnævnte stråle ville være uafviget, hvis den var tilstrækkelig langt fra kanten, men Young uddybede ikke den sag. Disse var de tidligste forslag om, at graden af diffraktion afhænger af bølgelængde. Senere, i Bakerian Lecture fra 1803, holdt Young op med at betragte bøjning som et særskilt fænomen og fremlagde bevis for, at diffraktionskanter inde i skyggen af en snæver forhindring skyldtes interferens: når lyset fra den ene side blev blokeret, forsvandt de indre frynser. Men Young var alene i sådanne bestræbelser, indtil Fresnel kom ind på banen.
Huygens lagde i sin undersøgelse af dobbelt brydning mærke til noget, som han ikke kunne forklare: når lys passerer gennem to ens orienterede calcitkrystaller ved normal indfald, lider den almindelige stråle, der kommer ud fra den første krystal, kun under den almindelige brydning i den anden, mens den ekstraordinære. stråle, der kommer ud fra den første, lider kun af den ekstraordinære brydning i den anden; men når den anden krystal drejes 90° om de indfaldende stråler, ombyttes rollerne, så den almindelige stråle, der kommer ud fra den første krystal, kun lider af den ekstraordinære brydning i den anden, og omvendt. Denne opdagelse gav Newton endnu en grund til at afvise bølgeteorien: lysstråler havde åbenbart "sider". Korpuskler kunne have sider (eller poler , som de senere ville blive kaldt); men det kunne lysbølger ikke, fordi (så det så ud til), at sådanne bølger skulle være langsgående (med vibrationer i udbredelsesretningen). Newton tilbød en alternativ "Regel" for den ekstraordinære brydning, som kørte på hans autoritet gennem det 18. århundrede, selv om han gjorde "intet kendt forsøg på at udlede det fra nogen principper for optik, korpuskulær eller på anden måde."
I 1808 blev den ekstraordinære brydning af calcit undersøgt eksperimentelt, med hidtil uset nøjagtighed, af Étienne-Louis Malus , og fundet at være i overensstemmelse med Huygens' sfæroidkonstruktion, ikke Newtons "Regel". Malus, opmuntret af Pierre-Simon Laplace , søgte derefter at forklare denne lov i korpuskulær termer: ud fra den kendte sammenhæng mellem hændelsens og refrakterede stråleretninger udledte Malus den korpuskulære hastighed (som funktion af retning), der ville tilfredsstille Maupertuis ' " mindste handling"-princippet. Men, som Young påpegede, var eksistensen af en sådan hastighedslov garanteret af Huygens' sfæroid, fordi Huygens' konstruktion fører til Fermats princip, som bliver Maupertuis' princip, hvis strålehastigheden erstattes af den reciproke af partikelhastigheden! Korpuskularisterne havde ikke fundet en kraftlov , der ville give den påståede hastighedslov, undtagen ved et cirkulært argument, hvor en kraft, der virkede på overfladen af krystallen, på uforklarlig vis afhang af retningen af (muligvis efterfølgende) hastighed i krystallen. Værre var det tvivlsomt, om en sådan kraft ville opfylde betingelserne i Maupertuis' princip. I modsætning hertil fortsatte Young med at vise, at "et medium, der er lettere at komprimere i én retning end i nogen retning vinkelret på det, som om det bestod af et uendeligt antal parallelle plader forbundet med et stof, der er noget mindre elastisk" indrømmer sfæroidale langsgående bølgefronter, som Huygens formodede.
Men Malus, midt i sine eksperimenter med dobbelt brydning, bemærkede noget andet: Når en lysstråle reflekteres fra en ikke-metallisk overflade i den passende vinkel, opfører den sig som en af de to stråler, der kommer ud af en calcitkrystal. Det var Malus, der opfandt begrebet polarisering til at beskrive denne adfærd, selvom polarisationsvinklen blev kendt som Brewsters vinkel efter dens afhængighed af brydningsindekset blev bestemt eksperimentelt af David Brewster i 1815. Malus introducerede også begrebet polariseringsplan . I tilfælde af polarisering ved refleksion var hans "polariseringsplan" planet for hændelsen og reflekterede stråler; i moderne termer er dette planet, der er normalt for den elektriske vibration. I 1809 opdagede Malus yderligere, at intensiteten af lys, der passerer gennem to polarisatorer, er proportional med den kvadratiske cosinus af vinklen mellem deres polarisationsplaner ( Malus' lov ), om polarisatorerne virker ved refleksion eller dobbeltbrydning, og at alle dobbeltbrydende krystaller producerer både ekstraordinær brydning og polarisering. Da corpuscularists begyndte at forsøge at forklare disse ting i termer af polære "molekyler" af lys, havde bølgeteoretikerne ingen arbejdshypoteser om arten af polarisering, hvilket fik Young til at bemærke, at Malus' observationer "gør større vanskeligheder for fortalere for det bølgende. teori end nogen anden kendsgerning, som vi er bekendt med."
Malus døde i februar 1812, 36 år gammel, kort efter at have modtaget Rumford-medaljen for sit arbejde med polarisering.
I august 1811 rapporterede François Arago , at hvis en tynd plade af glimmer blev set mod et hvidt polariseret baggrundslys gennem en calcitkrystal, var de to billeder af glimmeren af komplementære farver (overlapningen havde samme farve som baggrunden). Lyset, der kom ud fra glimmeret, var " depolariseret" i den forstand, at der ikke var nogen orientering af calciten, der fik et billede til at forsvinde; alligevel var det ikke almindeligt (" upolariseret ") lys, for hvilket de to billeder ville være af samme farve. Drejning af calcit omkring sigtelinjen ændrede farverne, selvom de forblev komplementære. Drejning af glimmer ændrede farvenes mætning (ikke nuancen). Dette fænomen blev kendt som kromatisk polarisering . Udskiftning af glimmeren med en meget tykkere plade af kvarts , med dens flader vinkelret på den optiske akse (aksen for Huygens' sfæroid eller Malus' hastighedsfunktion), gav en lignende effekt, bortset fra at rotation af kvartsen ikke gjorde nogen forskel. Arago forsøgte at forklare sine observationer i korpuskulære termer.
I 1812, da Arago forfulgte yderligere kvalitative eksperimenter og andre forpligtelser, omarbejdede Jean-Baptiste Biot den samme grund ved hjælp af en gipsplade i stedet for glimmeren og fandt empiriske formler for intensiteten af de almindelige og ekstraordinære billeder. Formlerne indeholdt to koefficienter, der angiveligt repræsenterede farver af stråler "påvirket" og "upåvirket" af pladen - de "påvirkede" stråler er af samme farveblanding som dem, der reflekteres af amorfe tynde plader af proportional, men mindre, tykkelse.
Arago protesterede og erklærede, at han havde gjort nogle af de samme opdagelser, men ikke havde haft tid til at skrive dem op. Faktisk var overlapningen mellem Aragos værk og Biots minimale, idet Aragos kun var kvalitativ og bredere i omfang (forsøg på at inkludere polarisering ved refleksion). Men striden udløste et berygtet skænderi mellem de to mænd.
Senere samme år forsøgte Biot at forklare observationerne som en svingning af justeringen af de "påvirkede" blodlegemer med en frekvens, der er proportional med Newtons "anfald", på grund af kræfter, der afhænger af justeringen. Denne teori blev kendt som mobil polarisering . For at forene sine resultater med en sinusformet svingning, måtte Biot antage, at blodlegemerne opstod med en af to tilladte orienteringer, nemlig svingningens yderpunkter, med sandsynligheder afhængigt af svingningens fase . Korpuskulær optik var ved at blive dyr ud fra antagelser. Men i 1813 rapporterede Biot, at tilfældet med kvarts var enklere: det observerbare fænomen (nu kaldet optisk rotation eller optisk aktivitet eller nogle gange roterende polarisation ) var en gradvis rotation af polarisationsretningen med afstand og kunne forklares ved en tilsvarende rotation ( ikke oscillation) af blodlegemerne.
Tidligt i 1814, idet han gennemgik Biots arbejde med kromatisk polarisering, bemærkede Young, at farvens periodicitet som funktion af pladetykkelsen – inklusive den faktor, hvormed perioden oversteg den for en reflekterende tynd plade, og endda effekten af skævheden af plade (men ikke polarisationens rolle) - kunne forklares af bølgeteorien i form af de forskellige udbredelsestider for de almindelige og ekstraordinære bølger gennem pladen. Men Young var dengang den eneste offentlige forsvarer af bølgeteorien.
Kort sagt, i foråret 1814, da Fresnel forgæves forsøgte at gætte, hvad polarisering var, troede korpuskulærerne, at de vidste det, mens bølgeteoretikerne (hvis vi må bruge flertal) bogstaveligt talt ikke anede. Begge teorier hævdede at forklare retlinet udbredelse, men bølgeforklaringen blev overvejende betragtet som uoverbevisende. Den korpuskulære teori kunne ikke nøje forbinde dobbelt brydning med overfladekræfter; bølgeteorien kunne endnu ikke forbinde den med polarisering. Den korpuskulære teori var svag på tynde plader og tavs på riste; bølgeteorien var stærk på begge, men undervurderet. Med hensyn til diffraktion gav den korpuskulære teori ikke kvantitative forudsigelser, mens bølgeteorien var begyndt at gøre det ved at betragte diffraktion som en manifestation af interferens, men kun havde overvejet to stråler ad gangen. Kun den korpuskulære teori gav endda et vagt indblik i Brewsters vinkel, Malus lov eller optisk rotation. Med hensyn til kromatisk polarisering forklarede bølgeteorien periodiciteten langt bedre end den korpuskulære teori, men havde intet at sige om polarisationens rolle; og dens forklaring af periodiciteten blev stort set ignoreret. Og Arago havde grundlagt studiet af kromatisk polarisering, kun for at miste føringen, kontroversielt, til Biot. Sådan var omstændighederne, hvor Arago første gang hørte om Fresnels interesse for optik.
Rêveries
Fresnels breve fra senere i 1814 afslører hans interesse for bølgeteorien, herunder hans bevidsthed om, at den forklarede lysets hastigheds konstanthed og i det mindste var forenelig med stjernernes aberration. Til sidst samlede han, hvad han kaldte sine rêveries (musings) i et essay og indsendte det via Léonor Mérimée til André-Marie Ampère , som ikke svarede direkte. Men den 19. december spiste Mérimée med Ampère og Arago, som han var bekendt med gennem École Polytechnique; og Arago lovede at se på Fresnels essay.
I midten af 1815, på vej hjem til Mathieu for at afsone sin suspension, mødte Fresnel Arago i Paris og talte om bølgeteorien og stjernernes aberration. Han blev informeret om, at han forsøgte at nedbryde åbne døre (" il enfonçait des portes ouvertes ") og rettet til klassiske værker om optik.
Diffraktion
Første forsøg (1815)
Den 12. juli 1815, da Fresnel var ved at forlade Paris, efterlod Arago ham en note om et nyt emne:
Jeg kender ikke til nogen bog, der indeholder alle de eksperimenter, som fysikere laver med lysets diffraktion . M'sieur Fresnel vil kun kunne lære denne del af optikken at kende ved at læse værket af Grimaldi , det af Newton, den engelske afhandling af Jordan og Broughams og Youngs erindringer, som er en del af samlingen af de filosofiske transaktioner .
Fresnel ville ikke have let adgang til disse værker uden for Paris og kunne ikke læse engelsk. Men i Mathieu – med en punkt-lyskilde lavet ved at fokusere sollys med en dråbe honning, en rå mikrometer af sin egen konstruktion og støtteapparat lavet af en lokal låsesmed – begyndte han sine egne eksperimenter. Hans teknik var ny: Mens tidligere efterforskere havde projiceret frynserne på en skærm, forlod Fresnel snart skærmen og observerede frynserne i rummet gennem en linse med mikrometeret i fokus, hvilket tillod mere nøjagtige målinger, mens det krævede mindre lys.
Senere i juli, efter Napoleons endelige nederlag, blev Fresnel genindsat med fordelen at have bakket op om den vindende side. Han anmodede om to måneders orlov, som uden videre blev givet, fordi vejarbejdet var i bero.
Den 23. september skrev han til Arago og begyndte "Jeg tror, jeg har fundet forklaringen og loven om farvede frynser, som man bemærker i skyggerne af kroppe oplyst af et lysende punkt." I samme afsnit erkendte Fresnel imidlertid implicit tvivl om nyheden i hans arbejde: idet han bemærkede, at han ville være nødt til at afholde nogle udgifter for at forbedre sine målinger, ønskede han at vide, "om dette ikke er nytteløst, og om loven om diffraktion er ikke allerede blevet etableret ved tilstrækkelig nøjagtige eksperimenter." Han forklarede, at han endnu ikke havde haft en chance for at erhverve sig emnerne på sine læselister, med den tilsyneladende undtagelse af "Ungs bog", som han ikke kunne forstå uden sin brors hjælp. Ikke overraskende havde han vendt mange af Youngs trin tilbage.
I en erindringsbog sendt til instituttet den 15. oktober 1815 kortlagde Fresnel de ydre og indre rander i skyggen af en tråd. Han bemærkede, ligesom Young før ham, at de indre frynser forsvandt, når lyset fra den ene side blev blokeret, og konkluderede, at "vibrationerne af to stråler, der krydser hinanden under en meget lille vinkel, kan modsige hinanden..." Men mens Young tog forsvinden af de indre rander som en bekræftelse af princippet om interferens, Fresnel rapporterede, at det var de indre rander, der først henledte hans opmærksomhed på princippet. For at forklare diffraktionsmønsteret konstruerede Fresnel de indre frynser ved at overveje skæringerne af cirkulære bølgefronter udsendt fra de to kanter af forhindringen, og de ydre kanter ved at overveje skæringerne mellem direkte bølger og bølger reflekteret fra den nærmeste kant. For at de ydre kanter skulle opnå en tålelig overensstemmelse med iagttagelsen, måtte han antage, at den reflekterede bølge var inverteret ; og han bemærkede, at de forudsagte baner i udkanten var hyperbolske. I den del af memoiret, der tydeligst overgik Young, forklarede Fresnel de almindelige love for refleksion og brydning i form af interferens, idet han bemærkede, at hvis to parallelle stråler blev reflekteret eller brudt i en anden vinkel end den foreskrevne vinkel, ville de ikke længere have den samme fase i et fælles vinkelret plan, og enhver vibration ville blive annulleret af en nærliggende vibration. Han bemærkede, at hans forklaring var gyldig, forudsat at overfladeuregelmæssighederne var meget mindre end bølgelængden.
Fresnel sendte den 10. november et supplerende notat om Newtons ringe og om gitre, herunder for første gang transmissionsgitre – selvom de forstyrrende stråler i så fald stadig blev antaget at være "bøjet", og den eksperimentelle verifikation var utilstrækkelig pga. den brugte kun to tråde.
Da Fresnel ikke var medlem af instituttet, afhang skæbnen for hans erindringer i høj grad af et enkelt medlems beretning. Reporteren til Fresnels memoirer viste sig at være Arago (med Poinsot som den anden anmelder). Den 8. november skrev Arago til Fresnel:
Jeg er blevet instrueret af Instituttet til at undersøge Deres erindringer om lysets diffraktion; Jeg har studeret det omhyggeligt og fundet mange interessante eksperimenter, hvoraf nogle allerede var blevet udført af Dr. Thomas Young, som generelt betragter dette fænomen på en måde, der er temmelig analog med den, du har vedtaget. Men hvad hverken han eller nogen havde set før dig er, at de ydre farvede bånd ikke bevæger sig i en lige linje, når man bevæger sig væk fra den uigennemsigtige krop. De resultater, De har opnået i denne forbindelse, forekommer mig meget vigtige; måske kan de tjene til at bevise sandheden om det bølgende system, så ofte og så svagt bekæmpet af fysikere, som ikke har ulejliget sig med at forstå det.
Fresnel var urolig og ville vide mere præcist, hvor han var stødt sammen med Young. Med hensyn til de buede baner af de "farvede bånd" havde Young bemærket de hyperbolske baner for frynserne i to-kildeinterferensmønsteret , der svarer nogenlunde til Fresnels indre frynser, og havde beskrevet de hyperbolske frynser, der vises på skærmen inden for rektangulære skygger. Han havde ikke nævnt de krumme baner i en skygges ydre rand; men som han senere forklarede, var det fordi Newton allerede havde gjort det. Newton troede åbenbart, at frynserne var ætsende . Således tog Arago fejl i sin tro på, at kantens buede stier var grundlæggende uforenelige med den korpuskulære teori.
Aragos brev fortsatte med at anmode om flere data om de eksterne udkanter. Fresnel efterkom, indtil han opbrugte sin orlov og blev overdraget til Rennes i departementet Ille-et-Vilaine . På dette tidspunkt gik Arago i forbøn med Gaspard de Prony , leder af École des Ponts, som skrev til Louis-Mathieu Molé , leder af Corps des Ponts, og antydede, at videnskabens fremskridt og korpsets prestige ville blive forbedret, hvis Fresnel kunne komme til Paris for en tid. Han ankom i marts 1816, og hans orlov blev efterfølgende forlænget til midten af året.
I mellemtiden, i et eksperiment rapporteret den 26. februar 1816, bekræftede Arago Fresnels forudsigelse om, at de indre frynser blev forskudt, hvis strålerne på den ene side af forhindringen passerede gennem en tynd glasplade. Fresnel tilskrev korrekt dette fænomen til den lavere bølgehastighed i glasset. Arago brugte senere et lignende argument til at forklare farverne i stjernernes scintillation.
Fresnels opdaterede memoirer blev til sidst offentliggjort i marts 1816-udgaven af Annales de Chimie et de Physique , som Arago for nylig var blevet medredaktør af. Det problem dukkede faktisk først op i maj. I marts havde Fresnel allerede konkurrence: Biot læste en erindringsbog om diffraktion af ham selv og sin elev Claude Pouillet , der indeholdt rigelige data og argumenterede for, at regelmæssigheden af diffraktionsfrynser, ligesom regelmæssigheden af Newtons ringe, skal kædes sammen med Newtons "anfald". Men det nye link var ikke strengt, og Pouillet ville selv blive en fremtrædende tidlig adopter af bølgeteorien.
"Efficacious ray", dobbeltspejleksperiment (1816)
Den 24. maj 1816 skrev Fresnel til Young (på fransk) og erkendte, hvor lidt af hans egne erindringer var nyt. Men i et "tillæg", der blev underskrevet den 14. juli og læst den næste dag, bemærkede Fresnel, at de indre kanter blev mere præcist forudsagt ved at antage, at de to forstyrrende stråler kom fra et stykke uden for forhindringens kanter. For at forklare dette opdelte han den indfaldende bølgefront ved forhindringen i, hvad vi nu kalder Fresnel-zoner , sådan at de sekundære bølger fra hver zone blev spredt over en halv cyklus, da de ankom til observationspunktet. Zonerne på den ene side af forhindringen udlignede stort set i par, undtagen den første zone, som var repræsenteret af en "effektiv stråle". Denne tilgang virkede for de indre frynser, men overlejringen af den effektive stråle og den direkte stråle virkede ikke for de ydre frynser.
Bidraget fra den "effektive stråle" mentes kun delvist at blive annulleret af årsager, der involverede mediets dynamik: hvor bølgefronten var kontinuerlig, forbød symmetri skrå vibrationer; men nær forhindringen, der afkortede bølgefronten, tillod asymmetrien nogle sidelæns vibrationer mod den geometriske skygge. Dette argument viste, at Fresnel (endnu) ikke fuldt ud havde accepteret Huygens' princip, som ville have tilladt skrå stråling fra alle dele af fronten.
I samme tillæg beskrev Fresnel sit velkendte dobbeltspejl, bestående af to flade spejle, der er forbundet i en vinkel på lidt mindre end 180°, hvormed han frembragte et interferensmønster med to spalter fra to virtuelle billeder af den samme spalte. Et konventionelt dobbeltspalteeksperiment krævede en foreløbig enkelt spalte for at sikre, at lyset, der faldt på dobbeltspalten, var kohærent (synkroniseret). I Fresnels version blev den foreløbige enkeltspalte bibeholdt, og den dobbelte spalte blev erstattet af det dobbelte spejl – som ikke havde nogen fysisk lighed med dobbeltspalten og dog udførte samme funktion. Dette resultat (som var blevet annonceret af Arago i marts-udgaven af Annales ) gjorde det svært at tro, at mønsteret med to spalter havde noget at gøre med, at blodlegemer blev afbøjet, når de passerede nær kanterne af spalterne.
Men 1816 var " Året uden Sommer ": Afgrøderne slog fejl; sultne landbrugsfamilier stod langs Rennes gader; centralregeringen organiserede "velgørenhedsarbejdshuse" for de nødlidende; og i oktober blev Fresnel sendt tilbage til Ille-et-Vilaine for at føre tilsyn med velgørenhedsarbejdere ud over hans almindelige vejbesætning. Ifølge Arago,
med Fresnel var samvittighedsfuldhed altid den forreste del af hans karakter, og han udførte bestandig sine pligter som ingeniør med den strengeste samvittighed. Missionen at forsvare statens indtægter, at skaffe dem den bedst mulige beskæftigelse, fremstod for hans øjne i lyset af et æresspørgsmål. Funktionæren, uanset hans rang, der forelagde ham en tvetydig beretning, blev straks genstand for hans dybe foragt. … Under sådanne omstændigheder forsvandt den sædvanlige mildhed i hans manerer …
Fresnels breve fra december 1816 afslører hans deraf følgende angst. Til Arago klagede han over at være "plaget af bekymringerne om overvågning og behovet for at irettesætte..." Og til Mérimée skrev han: "Jeg finder intet mere kedeligt end at skulle styre andre mænd, og jeg indrømmer, at jeg ikke aner, hvad jeg jeg gør."
Prismemoir (1818) og efterfølger
Den 17. marts 1817 meddelte Académie des Sciences, at diffraktion ville være emnet for det halvårlige fysik Grand Prix , der skal tildeles i 1819. Deadline for tilmeldinger blev sat til 1. august 1818 for at give tid til replikering af eksperimenter. Selvom ordlyden af problemet refererede til stråler og bøjning og ikke inviterede til bølgebaserede løsninger, opfordrede Arago og Ampère Fresnel til at komme ind.
I efteråret 1817 fik Fresnel, støttet af de Prony, orlov fra den nye chef for Corp des Ponts, Louis Becquey , og vendte tilbage til Paris. Han genoptog sine ingeniøropgaver i foråret 1818; men fra da af havde han base i Paris, først på Canal de l'Ourcq , og derefter (fra maj 1819) med fortovenes matrikel .
Den 15. januar 1818 viste Fresnel i en anden sammenhæng (se nedenfor), at tilføjelsen af sinusformede funktioner af samme frekvens, men forskellige faser, er analog med tilføjelsen af kræfter med forskellige retninger. Hans metode lignede phasor- repræsentationen, bortset fra at "kræfterne" var planvektorer snarere end komplekse tal ; de kunne lægges sammen og ganges med skalarer , men (endnu) ikke ganges og divideres med hinanden. Forklaringen var algebraisk snarere end geometrisk.
Kendskab til denne metode blev antaget i en foreløbig note om diffraktion, dateret 19. april 1818 og deponeret den 20. april, hvor Fresnel skitserede den elementære teori om diffraktion, som findes i moderne lærebøger. Han gentog Huygens' princip i kombination med superpositionsprincippet , idet han sagde, at vibrationen ved hvert punkt på en bølgefront er summen af de vibrationer, der ville blive sendt til den i det øjeblik af alle bølgefrontens elementer i en hvilken som helst af dens tidligere positioner, alle elementer, der virker separat . For en bølgefront, der delvist var blokeret i en tidligere position, skulle summeringen udføres over den uhindrede del. I andre retninger end normalen til den primære bølgefront blev de sekundære bølger svækket på grund af skævhed, men svækket meget mere af destruktiv interferens, således at effekten af skævhed alene kunne ignoreres. For diffraktion med en lige kant kunne intensiteten som funktion af afstanden fra den geometriske skygge så udtrykkes med tilstrækkelig nøjagtighed i forhold til det, der nu kaldes de normaliserede Fresnel-integraler :
.svg)
Den samme note indeholdt en tabel over integralerne, for en øvre grænse fra 0 til 5,1 i trin på 0,1, beregnet med en middelfejl på 0,0003, plus en mindre tabel over maksima og minima for den resulterende intensitet.
I sin sidste "Memoir on the diffraction of light", deponeret den 29. juli og med den latinske epigraf " Natura simplex et fecunda " ("Nature simple og fertile"), udvidede Fresnel de to tabeller lidt uden at ændre de eksisterende figurer, undtagen for en korrektion til det første minimum af intensitet. For fuldstændighedens skyld gentog han sin løsning på "problemet med interferens", hvorved sinusformede funktioner tilføjes som vektorer. Han anerkendte retningsbestemtheden af de sekundære kilder og variationen i deres afstande fra observationspunktet, primært for at forklare, hvorfor disse ting gør en ubetydelig forskel i sammenhængen, naturligvis forudsat at de sekundære kilder ikke udstråler i retrograd retning. Derefter, ved at anvende sin teori om interferens på de sekundære bølger, udtrykte han intensiteten af lys diffrakteret af en enkelt lige kant (halvplan) i form af integraler, der involverede dimensionerne af problemet, men som kunne konverteres til de normaliserede former over. Med henvisning til integralerne forklarede han beregningen af maksima og minima for intensiteten (ydre kanter), og bemærkede, at den beregnede intensitet falder meget hurtigt, når man bevæger sig ind i den geometriske skygge. Det sidste resultat, som Olivier Darrigol siger, "svarer til et bevis på den retlinede udbredelse af lys i bølgeteorien, ja det første bevis, som en moderne fysiker stadig ville acceptere."
Til den eksperimentelle afprøvning af sine beregninger brugte Fresnel rødt lys med en bølgelængde på 638 nm, som han udledte fra diffraktionsmønsteret i det simple tilfælde, hvor lys, der faldt ind på en enkelt spalte, blev fokuseret af en cylindrisk linse. For en række forskellige afstande fra kilden til forhindringen og fra forhindringen til feltpunktet sammenlignede han de beregnede og observerede positioner af frynserne for diffraktion med et halvt plan, en spalte og en smal strimmel – med fokus på minima , som var visuelt skarpere end maxima. Til spalten og strimlen kunne han ikke bruge den tidligere beregnede tabel over maksima og minima; for hver kombination af dimensioner skulle intensiteten udtrykkes som summer eller forskelle af Fresnel-integraler og beregnes ud fra tabellen over integraler, og ekstremaerne skulle beregnes på ny. Overensstemmelsen mellem beregning og måling var bedre end 1,5 % i næsten alle tilfælde.
Nær slutningen af erindringsbogen opsummerede Fresnel forskellen mellem Huygens' brug af sekundære bølger og hans egen: hvorimod Huygens siger, at der kun er lys, hvor de sekundære bølger nøjagtigt stemmer overens, siger Fresnel, at der kun er fuldstændig mørke, hvor de sekundære bølger nøjagtigt udligner .
Dommerkomitéen bestod af Laplace, Biot og Poisson (alle corpuscularists), Gay-Lussac (uforpligtet) og Arago, som til sidst skrev udvalgets rapport. Selvom bidrag i konkurrencen skulle være anonyme for dommerne, må Fresnels have været genkendelig på indholdet. Der var kun én anden post, hvoraf hverken manuskriptet eller nogen optegnelse om forfatteren har overlevet. Denne post (identificeret som "nr. 1") blev kun nævnt i det sidste afsnit af dommernes rapport, idet det bemærkede, at forfatteren havde vist uvidenhed om de relevante tidligere værker af Young og Fresnel, brugt utilstrækkeligt præcise observationsmetoder, overset kendte fænomener og lavede åbenlyse fejl. Med John Worralls ord : "Konkurrencen mod Fresnel kunne næppe have været mindre hård." Vi kan udlede, at udvalget kun havde to muligheder: tildele prisen til Fresnel ("nr. 2") eller tilbageholde den.
Udvalget drøftede ind i det nye år. Så forudsagde Poisson, der udnyttede et tilfælde, hvor Fresnels teori gav lette integraler, at hvis en cirkulær forhindring blev oplyst af en punktkilde, skulle der (ifølge teorien) være et lyst sted i midten af skyggen, oplyst lige så stærkt som det ydre. Dette ser ud til at have været tænkt som en reductio ad absurdum . Arago, ufortrødent, samlede et eksperiment med en forhindring på 2 mm i diameter – og der, i midten af skyggen, var Poissons plet .
Udvalgets enstemmige beretning, oplæst på Akademiets møde den 15. marts 1819, tildelte prisen "erindringsbogen mærket nr. 2, og bærende som epigraf: Natura simplex et fecunda ." På samme møde, efter at dommen var afsagt, åbnede præsidenten for Académie en forseglet seddel, der fulgte med erindringsbogen, og afslørede forfatteren som Fresnel. Prisen blev annonceret på det offentlige møde i Akademiet en uge senere, den 22. marts.
Aragos bekræftelse af Poissons kontraintuitive forudsigelse gik over i folklore, som om det havde afgjort prisen. Det synspunkt understøttes dog ikke af dommernes rapport, som kun gav sagen to sætninger i næstsidste afsnit. Heller ikke Fresnels triumf konverterede straks Laplace, Biot og Poisson til bølgeteorien af mindst fire grunde. For det første, selvom professionaliseringen af videnskaben i Frankrig havde etableret fælles standarder, var det én ting at anerkende et stykke forskning som opfylder disse standarder, og en anden ting at betragte det som afgørende. For det andet var det muligt at fortolke Fresnels integraler som regler for at kombinere stråler . Arago opmuntrede endda denne fortolkning, formentlig for at minimere modstanden mod Fresnels ideer. Selv Biot begyndte at undervise i Huygens-Fresnel-princippet uden at forpligte sig til et bølgegrundlag. For det tredje forklarede Fresnels teori ikke tilstrækkeligt mekanismen for generering af sekundære bølger eller hvorfor de havde nogen signifikant vinkelspredning; dette problem bekymrede især Poisson. For det fjerde var det spørgsmål, som de fleste udøvede optiske fysikere på det tidspunkt ikke var diffraktion, men polarisering – som Fresnel havde arbejdet på, men endnu ikke havde fået sit kritiske gennembrud.
Polarisering
Baggrund: Emissionisme og selektionisme
En emissionsteori om lys var en, der betragtede lysets udbredelse som transport af en eller anden form for stof. Mens den korpuskulære teori åbenbart var en emissionsteori, fulgte det omvendte ikke: I princippet kunne man være emissionist uden at være korpuskulær. Dette var praktisk, fordi ud over de almindelige love for refleksion og brydning, lykkedes det emissionister aldrig at lave testbare kvantitative forudsigelser ud fra en teori om kræfter, der virker på lyslegemer. Men de lavede kvantitative forudsigelser ud fra de forudsætninger, at stråler var tællelige objekter, som blev bevaret i deres interaktion med stof (undtagen absorberende medier), og som havde særlige orienteringer med hensyn til deres udbredelsesretninger. Ifølge denne ramme involverede polarisering og de relaterede fænomener med dobbelt brydning og partiel refleksion at ændre strålernes orienteringer og/eller vælge dem efter orientering, og polariseringstilstanden for en stråle (et bundt af stråler) var et spørgsmål om hvor mange stråler var der i hvilke orienteringer: i en fuldt polariseret stråle var orienteringerne alle de samme. Denne tilgang, som Jed Buchwald har kaldt selektionisme , blev pioneret af Malus og flittigt fulgt af Biot.
Fresnel besluttede derimod at indføre polarisering i interferenseksperimenter.
Interferens af polariseret lys, kromatisk polarisering (1816-21)
I juli eller august 1816 opdagede Fresnel, at når en dobbeltbrydende krystal producerede to billeder af en enkelt spalte, kunne han ikke opnå det sædvanlige interferensmønster med to spalter, selvom han kompenserede for de forskellige udbredelsestider. Et mere generelt eksperiment, foreslået af Arago, fandt ud af, at hvis de to stråler fra en dobbeltspaltet enhed var separat polariseret, optrådte interferensmønsteret og forsvandt, når polariseringen af en stråle blev roteret, hvilket gav fuld interferens for parallelle polariseringer, men ingen interferens for vinkelrette polariseringer . Disse eksperimenter, blandt andre, blev til sidst rapporteret i en kort erindringsbog udgivet i 1819 og senere oversat til engelsk.
I en erindringsbog udarbejdet den 30. august 1816 og revideret den 6. oktober rapporterede Fresnel om et eksperiment, hvor han placerede to matchende tynde laminater i et dobbeltspalteapparat – en over hver spalte, med deres optiske akser vinkelrette – og opnåede to interferensmønstre forskudt. i modsatte retninger med vinkelrette polariseringer. Dette, i kombination med de tidligere fund, betød, at hver lamina opdelte det indfaldende lys i vinkelret polariserede komponenter med forskellige hastigheder - ligesom en normal (tyk) dobbeltbrydende krystal, og i modsætning til Biots "mobil polarisation"-hypotese.
Derfor tilbød Fresnel i samme memoirer sit første forsøg på en bølgeteori om kromatisk polarisering. Når polariseret lys passerede gennem en krystalplade, blev det opdelt i almindelige og ekstraordinære bølger (med intensiteter beskrevet af Malus' lov), og disse var vinkelret polariseret og interfererede derfor ikke, så der ikke blev produceret farver (endnu). Men hvis de derefter passerede gennem en analysator (anden polarisator), blev deres polarisationer bragt på linje (med intensiteter igen modificeret i henhold til Malus' lov), og de ville forstyrre. Denne forklaring forudsiger i sig selv, at hvis analysatoren roteres 90°, skifter de almindelige og ekstraordinære bølger ganske enkelt roller, så hvis analysatoren har form af en calcitkrystal, skal de to billeder af laminaen have samme farvetone (dette spørgsmål ses igen nedenfor). Men faktisk, som Arago og Biot havde fundet ud af, er de af komplementære farver. For at korrigere forudsigelsen foreslog Fresnel en fase-inversionsregel, hvorved en af de konstituerende bølger i et af de to billeder led en yderligere 180° faseforskydning på sin vej gennem laminaen. Denne inversion var en svaghed i teorien i forhold til Biots, som Fresnel erkendte, selvom reglen specificerede, hvilket af de to billeder der havde den omvendte bølge. Desuden kunne Fresnel kun beskæftige sig med særlige tilfælde, fordi han endnu ikke havde løst problemet med at overlejre sinusformede funktioner med vilkårlige faseforskelle på grund af udbredelse ved forskellige hastigheder gennem laminaen.
Det problem løste han i et "tillæg" underskrevet den 15. januar 1818 (nævnt ovenfor). I samme dokument imødekom han Malus' lov ved at foreslå en underliggende lov: at hvis polariseret lys falder ind på en dobbeltbrydende krystal med dens optiske akse i en vinkel θ i forhold til "polariseringsplanet", de almindelige og ekstraordinære vibrationer (som funktioner af tid) skaleres med faktorerne henholdsvis cos θ og sin θ . Selvom moderne læsere let fortolker disse faktorer i form af vinkelrette komponenter af en tværgående oscillation, har Fresnel (endnu) ikke forklaret dem på den måde. Derfor havde han stadig brug for fase-inversionsreglen. Han anvendte alle disse principper på et tilfælde af kromatisk polarisering, der ikke er dækket af Biots formler, der involverer to på hinanden følgende laminater med akser adskilt af 45°, og opnåede forudsigelser, der var uenige med Biots eksperimenter (undtagen i særlige tilfælde), men stemte overens med hans egne.
Fresnel anvendte de samme principper på standardtilfældet med kromatisk polarisering, hvor en dobbeltbrydende lamina blev skåret parallelt med sin akse og placeret mellem en polarisator og en analysator. Hvis analysatoren havde form af en tyk calcitkrystal med sin akse i polarisationsplanet, forudsagde Fresnel, at intensiteten af de almindelige og ekstraordinære billeder af laminaen var henholdsvis proportional med
hvor er vinklen fra det oprindelige polariseringsplan til den optiske akse af laminaen, er vinklen fra det oprindelige polariseringsplan til polariseringsplanet for det endelige ordinære billede, og er faseforsinkelsen af den ekstraordinære bølge i forhold til almindelig bølge på grund af forskellen i udbredelsestider gennem laminaen. Udtrykkene i er de frekvensafhængige termer og forklarer, hvorfor laminatet skal være tyndt for at producere mærkbare farver: hvis laminatet er for tykt, vil det passere gennem for mange cyklusser, da frekvensen varierer gennem det synlige område, og øjet ( som deler det synlige spektrum i kun tre bånd ) vil ikke være i stand til at løse cyklusserne.
Ud fra disse ligninger kan det let verificeres for alle , så farverne er komplementære. Uden fase-inversionsreglen ville der være et plustegn foran det sidste led i den anden ligning, så det -afhængige led ville være det samme i begge ligninger, hvilket antyder (forkert) at farverne havde samme nuance .
Disse ligninger var inkluderet i en udateret note, som Fresnel gav til Biot, hvortil Biot føjede et par linjer af sine egne. Hvis vi erstatter
- og
så kan Fresnels formler omskrives som
som er ingen ringere end Biots empiriske formler fra 1812, bortset fra at Biot fortolkede og som de "upåvirkede" og "påvirkede" udvælgelser af strålerne indfaldende på laminaen. Hvis Biots substitutioner var nøjagtige, ville de antyde, at hans eksperimentelle resultater var mere fuldstændigt forklaret af Fresnels teori end af hans egen.
Arago forsinkede rapporteringen om Fresnels værker om kromatisk polarisering indtil juni 1821, hvor han brugte dem i et bredt angreb på Biots teori. I sit skriftlige svar protesterede Biot over, at Aragos angreb gik ud over det korrekte omfang af en rapport om de nominerede værker af Fresnel. Men Biot hævdede også, at substitutionerne for og og derfor Fresnels udtryk for og var empirisk forkerte, fordi når Fresnels intensiteter af spektralfarver blev blandet i henhold til Newtons regler, varierede de kvadratiske cosinus- og sinusfunktioner for jævnt til at tage højde for den observerede rækkefølge af farver. Den påstand fik et skriftligt svar fra Fresnel, som bestridte, om farverne ændrede sig så brat, som Biot hævdede, og om det menneskelige øje kunne bedømme farve med tilstrækkelig objektivitet til formålet. På det sidste spørgsmål påpegede Fresnel, at forskellige observatører kan give forskellige navne til den samme farve. Desuden, sagde han, kan en enkelt iagttager kun sammenligne farver side om side; og selvom de vurderes at være ens, er identiteten af sensation, ikke nødvendigvis af komposition. Fresnels ældste og stærkeste pointe – at tynde krystaller var underlagt de samme love som tykke og ikke behøvede eller tillod en separat teori – efterlod Biot ubesvaret. Arago og Fresnel sås at have vundet debatten.
Desuden havde Fresnel på dette tidspunkt en ny, enklere forklaring på sine ligninger om kromatisk polarisering.
Gennembrud: Rene tværgående bølger (1821)
I udkastet til memoirer af 30. august 1816 nævnte Fresnel to hypoteser – hvoraf den ene tilskrev Ampère – hvorved den ikke-interferens af ortogonalt polariserede stråler kunne forklares, hvis polariserede lysbølger var delvist tværgående . Men Fresnel kunne ikke udvikle nogen af disse ideer til en omfattende teori. Allerede i september 1816 indså han ifølge sin senere beretning, at ikke-interferensen af ortogonalt polariserede stråler sammen med fase-inversionsreglen i kromatisk polarisation lettest ville blive forklaret, hvis bølgerne var rent tværgående, og Ampère "havde samme tanke" om fase-inversionsreglen. Men det ville rejse en ny vanskelighed: Da naturligt lys så ud til at være upolariseret , og dets bølger derfor blev formodet at være langsgående, ville man være nødt til at forklare, hvordan den langsgående komponent af vibration forsvandt ved polarisering, og hvorfor den ikke dukkede op igen, når polariseret lys blev reflekteret eller brudt skråt af en glasplade.
Uafhængigt skrev Young den 12. januar 1817 til Arago (på engelsk) og bemærkede, at en tværgående vibration ville udgøre en polarisering, og at hvis to langsgående bølger krydsede i en betydelig vinkel, kunne de ikke annullere uden at efterlade en resterende tværgående vibration. Young gentog denne idé i en artikel offentliggjort i et supplement til Encyclopædia Britannica i februar 1818, hvori han tilføjede, at Malus' lov ville blive forklaret, hvis polarisering bestod i en tværgående bevægelse.
Således var Fresnel, ifølge sit eget vidnesbyrd, muligvis ikke den første person, der havde mistanke om, at lysbølger kunne have en tværgående komponent , eller at polariserede bølger udelukkende var tværgående. Og det var Young, ikke Fresnel, der først udgav ideen om, at polarisering afhænger af orienteringen af en tværgående vibration. Men disse ufuldstændige teorier havde ikke forenet polarisationens natur med den tilsyneladende eksistens af upolariseret lys; den præstation skulle alene være Fresnels.
I et notat, som Buchwald stammer fra sommeren 1818, underholdt Fresnel ideen om, at upolariserede bølger kunne have vibrationer af samme energi og skævhed, med deres orienteringer fordelt ensartet omkring bølgenormalen, og at graden af polarisering var graden af uensartethed i fordelingen. To sider senere bemærkede han, tilsyneladende for første gang skriftligt, at hans fase-inversionsregel og ikke-interferensen af ortogonalt polariserede stråler let ville blive forklaret, hvis vibrationerne af fuldt polariserede bølger var "vinkelrette på normalen til bølgen "- altså rent tværgående.
Men hvis han kunne redegøre for manglende polarisering ved at udligne den tværgående komponent, behøvede han ikke også at antage en langsgående komponent. Det var nok at antage, at lysbølger er rent tværgående, derfor altid polariserede i den forstand, at de har en bestemt tværgående orientering, og at den "upolariserede" tilstand af naturligt eller "direkte" lys skyldes hurtige og tilfældige variationer i denne orientering, i hvilket tilfælde to kohærente dele af "upolariseret" lys stadig vil interferere, fordi deres orienteringer vil være synkroniseret.
Det vides ikke præcist, hvornår Fresnel lavede dette sidste trin, fordi der ikke er nogen relevant dokumentation fra 1820 eller begyndelsen af 1821 (måske fordi han havde for travlt med at arbejde på fyrtårnslinseprototyper; se nedenfor ). Men han offentliggjorde først ideen i et papir om " Calcul des teintes... " ("beregning af nuancerne..."), der blev serieført i Aragos Annales for maj, juni og juli 1821. I det første afsnit beskrev Fresnel "direkte" ( upolariseret) lys som "den hurtige række af systemer af bølger polariseret i alle retninger", og gav, hvad der i det væsentlige er den moderne forklaring på kromatisk polarisering, omend i form af analogien mellem polarisering og opløsningen af kræfter i et plan, idet man nævner tværgående bølger kun i en fodnote. Indførelsen af tværgående bølger i hovedargumentet blev forsinket til anden omgang, hvor han afslørede mistanken om, at han og Ampère havde næret siden 1816, og de vanskeligheder, det rejste. Han fortsatte:
Det har kun været i nogle få måneder, at jeg ved at meditere mere opmærksomt over dette emne har indset, at det var meget sandsynligt, at lysbølgernes oscillerende bevægelser udelukkende blev udført langs disse bølgers plan, for direkte lys såvel som for polariseret lys. lys .
Ifølge denne nye opfattelse, skrev han, "består polariseringshandlingen ikke i at skabe disse tværgående bevægelser, men i at dekomponere dem i to faste vinkelrette retninger og i at adskille de to komponenter".
Mens selektionister kunne insistere på at fortolke Fresnels diffraktionsintegraler i form af diskrete, tællige stråler, kunne de ikke gøre det samme med hans teori om polarisering. For en selektionist vedrørte polarisationstilstanden af en stråle fordelingen af orienteringer over populationen af stråler, og denne fordeling blev antaget at være statisk. For Fresnel vedrørte polarisationstilstanden for en stråle variationen af en forskydning over tid . Denne forskydning kunne være begrænset, men var ikke statisk, og stråler var geometriske konstruktioner, ikke tællelige objekter. Den begrebsmæssige kløft mellem bølgeteorien og selektionisme var blevet uoverkommelig.
Den anden vanskelighed, som rene tværgående bølger udgør, var selvfølgelig den tilsyneladende implikation, at æteren var et elastisk fast stof , bortset fra at det, i modsætning til andre elastiske faste stoffer, ikke var i stand til at transmittere langsgående bølger. Bølgeteorien var billig på antagelser, men dens seneste antagelse var dyr på grund af godtroenhed. Hvis denne antagelse skulle være almindeligt underholdt, skulle dens forklaringskraft være imponerende.
Delvis refleksion (1821)
I den anden del af "Calcul des teintes" (juni 1821) antog Fresnel analogt med lydbølger , at æterens tæthed i et brydningsmedium var omvendt proportional med kvadratet af bølgehastigheden og derfor direkte proportional med kvadratet af brydningsindekset. Til refleksion og brydning ved overfladen mellem to isotrope medier med forskellige indekser, dekomponerede Fresnel de tværgående vibrationer i to vinkelrette komponenter, nu kendt som s- og p - komponenterne, som er parallelle med henholdsvis overfladen og indfaldsplanet ; med andre ord er s- og p - komponenterne henholdsvis kvadratiske og parallelle med indfaldsplanet. For s -komponenten antog Fresnel, at interaktionen mellem de to medier var analog med en elastisk kollision , og opnåede en formel for det, vi nu kalder reflektiviteten : forholdet mellem den reflekterede intensitet og den indfaldende intensitet. Den forudsagte refleksionsevne var ikke-nul ved alle vinkler.
Den tredje del (juli 1821) var et kort "efterskrift", hvor Fresnel meddelte, at han ved en "mekanisk løsning" havde fundet en formel for reflektiviteten af p- komponenten, som forudsagde, at refleksionsevnen var nul ved Brewster-vinklen . Så polarisering ved refleksion var blevet redegjort for – men med det forbehold, at vibrationsretningen i Fresnels model var vinkelret på polarisationsplanet som defineret af Malus. (Om den efterfølgende kontrovers, se Plane of Polarization .) Tidens teknologi tillod ikke, at s- og p -reflektiviteterne blev målt nøjagtigt nok til at teste Fresnels formler ved vilkårlige indfaldsvinkler. Men formlerne kunne omskrives i forhold til det, vi nu kalder refleksionskoefficienten : fortegnsforholdet mellem den reflekterede amplitude og den indfaldende amplitude. Så, hvis polarisationsplanet for den indfaldende stråle var 45° i forhold til indfaldsplanet, kunne tangenten af den tilsvarende vinkel for den reflekterede stråle opnås ud fra forholdet mellem de to refleksionskoefficienter, og denne vinkel kunne måles. Fresnel havde målt det for en række indfaldsvinkler, for glas og vand, og overensstemmelsen mellem de beregnede og målte vinkler var bedre end 1,5° i alle tilfælde.
Fresnel gav detaljer om den "mekaniske løsning" i en erindringsbog læst til Académie des Sciences den 7. januar 1823. Bevarelse af energi blev kombineret med kontinuitet i den tangentielle vibration ved grænsefladen. De resulterende formler for refleksionskoefficienter og reflektiviteter blev kendt som Fresnel-ligningerne . Refleksionskoefficienterne for s- og p -polarisationerne er mest kortfattet udtrykt som
- og
hvor og er vinklerne for indfald og brydning; disse ligninger er kendt som henholdsvis Fresnels sinuslov og Fresnels tangentlov . Ved at tillade koefficienterne at være komplekse , redegjorde Fresnel endda for de forskellige faseforskydninger af s- og p - komponenterne på grund af total intern refleksion .
Denne succes inspirerede James MacCulagh og Augustin-Louis Cauchy , begyndende i 1836, til at analysere refleksion fra metaller ved at bruge Fresnel-ligningerne med et komplekst brydningsindeks . Den samme teknik kan anvendes til ikke-metalliske uigennemsigtige medier. Med disse generaliseringer kan Fresnel-ligningerne forudsige udseendet af en lang række objekter under belysning - for eksempel i computergrafik .
Cirkulær og elliptisk polarisering, optisk rotation (1822)
I en erindringsbog dateret 9. december 1822 opfandt Fresnel begreberne lineær polarisering (fransk: polarization rectiligne ) for det simple tilfælde, hvor de vinkelrette komponenter af vibration er i fase eller 180° ude af fase, cirkulær polarisation for det tilfælde, hvor de er af samme størrelse og en kvart-cyklus (±90°) ude af fase, og elliptisk polarisering for andre tilfælde, hvor de to komponenter har et fast amplitudeforhold og en fast faseforskel. Han forklarede derefter, hvordan optisk rotation kunne forstås som en art af dobbeltbrydning. Lineært polariseret lys kunne opløses i to cirkulært polariserede komponenter, der roterer i modsatte retninger. Hvis disse komponenter forplantede sig med lidt forskellige hastigheder, ville faseforskellen mellem dem - og derfor retningen af deres lineært polariserede resultant - variere kontinuerligt med afstanden.
Disse begreber krævede en omdefinering af sondringen mellem polariseret og upolariseret lys. Før Fresnel troede man, at polarisering kunne variere i retning og i grad (f.eks. på grund af variation i reflektionsvinklen fra et gennemsigtigt legeme), og at det kunne være en funktion af farve (kromatisk polarisering), men ikke det det kan variere i art . Derfor mente man, at graden af polarisering var den grad, hvormed lyset kunne undertrykkes af en analysator med den passende orientering. Lys, der var blevet konverteret fra lineær til elliptisk eller cirkulær polarisering (f.eks. ved passage gennem en krystalplade eller ved total intern refleksion) blev beskrevet som delvist eller fuldstændigt "depolariseret" på grund af dets opførsel i en analysator. Efter Fresnel var det afgørende træk ved polariseret lys, at de vinkelrette komponenter af vibration havde et fast forhold mellem amplituder og en fast forskel i fase. Ved denne definition er elliptisk eller cirkulært polariseret lys fuldt polariseret, selvom det ikke kan undertrykkes fuldstændigt af en analysator alene. Den begrebsmæssige kløft mellem bølgeteorien og selektionisme var blevet udvidet igen.
Total intern refleksion (1817-23)
I 1817 var det blevet opdaget af Brewster, men ikke tilstrækkeligt rapporteret, at planpolariseret lys blev delvist depolariseret ved total intern refleksion, hvis det oprindeligt var polariseret i en spids vinkel i forhold til indfaldsplanet. Fresnel genopdagede denne effekt og undersøgte den ved at inkludere total intern refleksion i et kromatisk-polarisationseksperiment. Ved hjælp af sin første teori om kromatisk polarisering fandt han ud af, at det tilsyneladende depolariserede lys var en blanding af komponenter polariseret parallelt og vinkelret på indfaldsplanet, og at den totale refleksion introducerede en faseforskel mellem dem. Valg af en passende indfaldsvinkel (endnu ikke præcist specificeret) gav en faseforskel på 1/8 af en cyklus (45°). To sådanne refleksioner fra de "parallelle flader" af "to koblede prismer " gav en faseforskel på 1/4 af en cyklus (90°). Disse resultater var indeholdt i en erindringsbog indsendt til Académie den 10. november 1817 og læst fjorten dage senere. En udateret randnote indikerer, at de to koblede prismer senere blev erstattet af en enkelt "parallelpiped i glas" - nu kendt som en Fresnel-romb .
Dette var erindringsbogen, hvis "tillæg", dateret januar 1818, indeholdt metoden til at overlejre sinusformede funktioner og omformuleringen af Malus' lov i form af amplituder. I det samme supplement rapporterede Fresnel sin opdagelse af, at optisk rotation kunne emuleres ved at føre det polariserede lys gennem en Fresnel-romb (stadig i form af "koblede prismer"), efterfulgt af en almindelig dobbeltbrydende lamina skåret parallelt med dens akse, med akse i 45° til refleksionsplanet for Fresnel-romben, efterfulgt af en anden Fresnel-rom i 90° til den første. I en yderligere erindringsbog, der blev læst den 30. marts, rapporterede Fresnel, at hvis polariseret lys var fuldstændig "depolariseret" af en Fresnel-rombe – nu beskrevet som en parallelepipedum – blev dets egenskaber ikke yderligere modificeret af en efterfølgende passage gennem et optisk roterende medium eller en enhed.
Forbindelsen mellem optisk rotation og dobbeltbrydning blev yderligere forklaret i 1822, i erindringsbogen om elliptisk og cirkulær polarisering. Dette blev efterfulgt af memoiret om refleksion, læst i januar 1823, hvor Fresnel kvantificerede faseskiftene i total indre refleksion og derfra beregnede den præcise vinkel, hvormed en Fresnel-romb skulle skæres for at konvertere lineær polarisering til cirkulær polarisering. For et brydningsindeks på 1,51 var der to løsninger: omkring 48,6° og 54,6°.
Dobbelt brydning
Baggrund: Enaksede og biaksede krystaller; Biots love
Når lys passerer gennem en skive af calcit skåret vinkelret på dens optiske akse, er forskellen mellem udbredelsestiderne for de almindelige og ekstraordinære bølger en andenordens afhængighed af indfaldsvinklen. Hvis skiven observeres i en meget konvergent lyskegle, bliver denne afhængighed signifikant, så et kromatisk-polariseringseksperiment vil vise et mønster af koncentriske ringe. Men de fleste mineraler, når de observeres på denne måde, viser et mere kompliceret mønster af ringe, der involverer to foci og en lemniscat - kurve, som om de havde to optiske akser. De to klasser af mineraler bliver naturligt kendt som enaksede og toaksede - eller, i senere litteratur, enaksede og biaksede .
I 1813 observerede Brewster det simple koncentriske mønster i " beryl , smaragd , rubin &c." Det samme mønster blev senere observeret i calcit af Wollaston , Biot og Seebeck . Biot, der antog, at det koncentriske mønster var det generelle tilfælde, forsøgte at beregne farverne med sin teori om kromatisk polarisering, og det lykkedes bedre for nogle mineraler end for andre. I 1818 forklarede Brewster forsinket hvorfor: syv af de tolv mineraler, der blev anvendt af Biot, havde det lemniscatmønster, som Brewster havde observeret allerede i 1812; og mineralerne med de mere komplicerede ringe havde også en mere kompliceret brydningslov.
I en ensartet krystal, ifølge Huygens' teori, er den sekundære bølgefront, der udvider sig fra oprindelsen i tidsenhed , strålehastighedsoverfladen - det vil sige overfladen, hvis "afstand" fra oprindelsen i enhver retning er strålehastigheden i den retning . I calcit er denne overflade to-pladet, bestående af en kugle (for den almindelige bølge) og en oblat kugle (for den ekstraordinære bølge), der berører hinanden på modsatte punkter af en fælles akse - rørende ved nord- og sydpolen, hvis vi kan bruge en geografisk analogi. Men ifølge Malus' korpuskulære teori om dobbeltbrydning var strålehastigheden proportional med den gensidige af den givet af Huygens' teori, i hvilket tilfælde hastighedsloven var af formen
hvor og var de almindelige og ekstraordinære strålehastigheder ifølge den korpuskulære teori , og var vinklen mellem strålen og den optiske akse. Efter Malus' definition var polariseringsplanet for en stråle strålens plan og den optiske akse, hvis strålen var almindelig, eller det vinkelrette plan (som indeholdt strålen), hvis strålen var ekstraordinær. I Fresnels model var vibrationsretningen normal på polarisationsplanet. Derfor var vibrationen for sfæren (den almindelige bølge) langs breddegradslinjerne (fortsat den geografiske analogi); og for sfæroiden (den ekstraordinære bølge) var vibrationen langs længden.
Den 29. marts 1819 præsenterede Biot en erindringsbog, hvori han foreslog simple generaliseringer af Malus' regler for en krystal med to akser, og rapporterede, at begge generaliseringer syntes at blive bekræftet ved eksperiment. For hastighedsloven blev den kvadratiske sinus erstattet af produktet af vinklernes sinus fra strålen til de to akser ( Biots sinuslov ). Og til polariseringen af den almindelige stråle blev strålens og aksens plan erstattet af planet, der halverer den dihedrale vinkel mellem de to planer, som hver indeholdt strålen og en akse ( Biots dihedrale lov ). Biots love betød, at en toakset krystal med akser i en lille vinkel, spaltet i disse aksers plan, opførte sig næsten som en enakset krystal ved næsten normal indfald; dette var heldigt, fordi gips , som var blevet brugt i kromatisk-polarisationseksperimenter, er biaksial.
Første erindringsbog og tillæg (1821-22)
Indtil Fresnel rettede sin opmærksomhed mod biaksial dobbeltbrydning, blev det antaget, at en af de to brydninger var almindelig, selv i biaksiale krystaller. Men i en erindringsbog indsendt den 19. november 1821 rapporterede Fresnel om to eksperimenter med topas , der viste, at ingen af brydningerne var almindelige i betydningen at opfylde Snells lov; det vil sige, at ingen af strålerne var produktet af sfæriske sekundære bølger.
Den samme memoirer indeholdt Fresnels første forsøg på den biaksiale hastighedslov. For calcit, hvis vi ombytter ækvatoriale og polære radier af Huygens' oblate sfæroid, mens vi bevarer den polære retning, får vi en prolat sfæroid, der rører sfæren ved ækvator. Et plan gennem midten/oprindelsen skærer denne prolate sfæroid i en ellipse, hvis større og mindre halvakser giver størrelsen af de ekstraordinære og almindelige strålehastigheder i retningen vinkelret på planet, og (sagde Fresnel) retningerne af deres respektive vibrationer . Retningen af den optiske akse er normalen til det plan, hvor skæringsellipsen reduceres til en cirkel . Så for det biaksiale tilfælde erstattede Fresnel simpelthen prolatsfæroiden med en triaksial ellipsoide , som skulle sektioneres af et plan på samme måde. Generelt vil der være to planer, der passerer gennem midten af ellipsoiden og skærer den i en cirkel, og normalerne til disse planer vil give to optiske akser. Fra geometrien udledte Fresnel Biots sinuslov (med strålehastighederne erstattet af deres reciproke).
Ellipsoiden gav faktisk de korrekte strålehastigheder (selvom den indledende eksperimentelle verifikation kun var omtrentlig). Men det gav ikke de korrekte retninger af vibration, for det biakse eller endda for det enaksede tilfælde, fordi vibrationerne i Fresnels model var tangentielle til bølgefronten - hvilket for en ekstraordinær stråle generelt ikke er normalt for strålen. Denne fejl (som er lille, hvis dobbeltbrydningen som i de fleste tilfælde er svag) blev rettet i et "uddrag", som Fresnel læste op for Académie en uge senere, den 26. november. Fra Huygens' sfæroid opnåede Fresnel en 4. grads overflade, som, når den blev sektioneret af et plan som ovenfor, ville give de bølgenormale hastigheder for en bølgefront i det plan sammen med deres vibrationsretninger. For det biaksiale tilfælde generaliserede han ligningen for at opnå en overflade med tre ulige hoveddimensioner; dette kaldte han efterfølgende "elasticitetens overflade". Men han beholdt den tidligere ellipsoide som en tilnærmelse, hvorfra han udledte Biots dihedrale lov.
Fresnels oprindelige udledning af elasticitetsoverfladen havde været rent geometrisk og ikke deduktivt streng. Hans første forsøg på en mekanisk afledning, indeholdt i et "tillæg" dateret 13. januar 1822, antog, at (i) der var tre indbyrdes vinkelrette retninger, i hvilke en forskydning frembragte en reaktion i samme retning, (ii) reaktionen ellers var en lineær funktion af forskydningen, og (iii) radius af overfladen i enhver retning var kvadratroden af komponenten, i den retning , af reaktionen på en enhedsforskydning i den retning. Den sidste antagelse anerkendte kravet om, at hvis en bølge skulle opretholde en fast udbredelsesretning og en fast vibrationsretning, måtte reaktionen ikke være uden for disse to retningers plan.
I samme supplement overvejede Fresnel, hvordan han for det biaksiale tilfælde kunne finde den sekundære bølgefront, der udvider sig fra oprindelsen i tidsenhed - det vil sige overfladen, der reduceres til Huygens' sfære og sfæroid i det enaksede tilfælde. Han bemærkede, at denne "bølgeoverflade" ( overflade de l'onde ) er tangentiel til alle mulige plane bølgefronter, der kunne have krydset oprindelsen for en tidsenhed siden, og han listede de matematiske betingelser, den skal opfylde. Men han tvivlede på muligheden for at udlede overfladen fra disse forhold.
I et "andet supplement" udnyttede Fresnel til sidst to relaterede kendsgerninger: (i) "bølgeoverfladen" var også strålehastighedsoverfladen, som kunne opnås ved at opdele ellipsoiden, som han oprindeligt havde forvekslet med elasticitetsoverfladen, og (ii) "bølgeoverfladen" skærede hvert symmetriplan af ellipsoiden i to kurver: en cirkel og en ellipse. Således fandt han ud af, at "bølgeoverfladen" er beskrevet af 4. grads ligningen
hvor og er udbredelseshastighederne i retninger vinkelret på koordinatakserne for vibrationer langs akserne (stråle- og bølgenormalhastighederne er de samme i disse specielle tilfælde). Senere kommentatorer satte ligningen i den mere kompakte og mindeværdige form
Tidligere i det "andet supplement" modellerede Fresnel mediet som en række punktmasser og fandt ud af, at kraft-forskydningsforholdet blev beskrevet af en symmetrisk matrix , hvilket bekræfter eksistensen af tre indbyrdes vinkelrette akser, på hvilke forskydningen producerede en parallel kraft . Senere i dokumentet bemærkede han, at i en biaksial krystal, i modsætning til en enakset krystal, er retningerne, hvori der kun er en bølge-normal hastighed, ikke de samme som dem, hvor der kun er en strålehastighed. I dag omtaler vi de førstnævnte retninger som de optiske akser eller binormale akser, og sidstnævnte som stråleakserne eller biradiale akser .
Fresnels "andet supplement" blev underskrevet den 31. marts 1822 og indsendt dagen efter – mindre end et år efter offentliggørelsen af hans rene tværbølge-hypotese, og kun mindre end et år efter demonstrationen af hans prototype otte-panel fyrtårnslinse .
Anden erindringsbog (1822-26)
Efter at have præsenteret stykkerne af sin teori i nogenlunde opdagelsesrækkefølge, var Fresnel nødt til at omarrangere materialet for at understrege det mekaniske fundament; og han trængte stadig til en streng behandling af Biots dihedrale lov. Han beskæftigede sig med disse spørgsmål i sin "anden erindringsbog" om dobbelt brydning, offentliggjort i Recueils of the Académie des Sciences for 1824; dette blev faktisk først trykt i slutningen af 1827, et par måneder efter hans død. I dette arbejde, efter at have etableret de tre vinkelrette akser, på hvilke en forskydning frembringer en parallel reaktion, og derfra konstrueret overfladen af elasticitet, viste han, at Biots dihedrale lov er nøjagtig, forudsat at de binormale tages som de optiske akser, og bølge- normal retning som udbredelsesretning.
Allerede i 1822 diskuterede Fresnel sine vinkelrette akser med Cauchy . Cauchy anerkendte Fresnels indflydelse og fortsatte med at udvikle den første strenge teori om elasticitet af ikke-isotropiske faste stoffer (1827), deraf den første strenge teori om tværgående bølger deri (1830) - som han prompte forsøgte at anvende på optik. De efterfølgende vanskeligheder drev en lang konkurrencemæssig indsats for at finde en nøjagtig mekanisk model af æteren. Fresnels egen model var ikke dynamisk streng; for eksempel udledte den reaktionen på en forskydningsdeformation ved at overveje forskydningen af en partikel, mens alle andre var fikserede, og den antog, at stivheden bestemte bølgehastigheden som i en strakt streng, uanset retningen af bølgenormalen. Men det var nok til at sætte bølgeteorien i stand til at gøre, hvad selektionistisk teori ikke kunne: generere testbare formler, der dækker et omfattende udvalg af optiske fænomener, ud fra mekaniske antagelser.
Fotoelasticitet, eksperimenter med flere prismer (1822)
I 1815 rapporterede Brewster, at farver opstår, når en skive isotropisk materiale, placeret mellem krydsede polarisatorer, belastes mekanisk. Brewster selv tilskrev straks og korrekt dette fænomen til stress-induceret dobbeltbrydning - nu kendt som fotoelasticitet .
I en erindringsbog læst i september 1822 meddelte Fresnel, at han havde verificeret Brewsters diagnose mere direkte ved at komprimere en kombination af glasprismer så alvorligt, at man faktisk kunne se et dobbeltbillede gennem det. I sit eksperiment opstillede Fresnel syv 45°-90°-45° prismer , kortside til kortside, med deres 90° vinkler pegende i skiftende retninger. To halvprismer blev tilføjet i enderne for at gøre hele samlingen rektangulær. Prismerne blev adskilt af tynde film af terpentin ( térébenthine ) for at undertrykke indre refleksioner, hvilket tillod en klar synslinje langs rækken. Når de fire prismer med lignende orienteringer blev komprimeret i en skruestik på tværs af sigtelinjen, producerede et objekt set gennem samlingen to billeder med vinkelrette polariseringer med en tilsyneladende afstand på 1,5 mm på en meter.
I slutningen af denne erindringsbog forudsagde Fresnel, at hvis de komprimerede prismer blev erstattet af (ubelastede) monokrystallinske kvartsprismer med matchende optiske rotationsretninger og med deres optiske akser justeret langs rækken, ville et objekt ses ved at se langs den fælles optiske akse ville give to billeder, som ville virke upolariserede, når de ses gennem en analysator, men, når de ses gennem en Fresnel-rhomb, ville være polariseret ved ±45° i forhold til refleksionsplanet for romben (hvilket indikerer, at de oprindeligt var cirkulært polariseret i modsatte retninger) . Dette ville vise direkte, at optisk rotation er en form for dobbeltbrydning. I memoirerne fra december 1822, hvori han introducerede udtrykket cirkulær polarisering , rapporterede han, at han havde bekræftet denne forudsigelse ved kun at bruge et 14°-152°-14° prisme og to halvprismer af glas. Men han opnåede en bredere adskillelse af billederne ved at erstatte glashalvprismet med kvartshalvprismer, hvis rotation var modsat rotationen af 14°-152°-14° prismet. Han tilføjede i forbifarten, at man kunne øge adskillelsen yderligere ved at øge antallet af prismer.
Reception
Som supplement til Riffaults oversættelse af Thomsons System of Chemistry blev Fresnel valgt til at bidrage med artiklen om lys . Det resulterende 137-siders essay, med titlen De la Lumière ( Om lys ), blev tilsyneladende færdigt i juni 1821 og udgivet i februar 1822. Med sektioner, der dækker lysets natur, diffraktion, tyndfilmsinterferens, refleksion og brydning, dobbeltbrydning og polarisering, kromatisk polarisering og modifikation af polarisering ved refleksion, gjorde det en omfattende sag for bølgeteorien til en læserskare, der ikke var begrænset til fysikere.
For at undersøge Fresnels første memoirer og tillæg om dobbeltbrydning udnævnte Académie des Sciences Ampère, Arago, Fourier og Poisson. Deres rapport, som Arago klart var hovedforfatteren til, blev leveret på mødet den 19. august 1822. Derefter, med Émile Verdets ord , som oversat af Ivor Grattan-Guinness :
Umiddelbart efter læsningen af rapporten tog Laplace ordet og ... proklamerede den usædvanlige vigtighed af det værk, der netop var blevet rapporteret: han lykønskede forfatteren med hans standhaftighed og hans klogskab, som havde ført ham til at opdage en lov, der var undsluppet klogeste, og i nogen grad foregribende eftertidens dom erklærede han, at han satte disse undersøgelser over alt, hvad der i lang tid var blevet meddelt Akademiet.
Om Laplace annoncerede sin konvertering til bølgeteorien - i en alder af 73 - er usikkert. Grattan-Guinness underholdt ideen. Buchwald, der bemærkede, at Arago undlod at forklare, at "elasticitetens ellipsoide" ikke gav de korrekte polariseringsplaner, antyder, at Laplace måske blot har betragtet Fresnels teori som en vellykket generalisering af Malus' strålehastighedslov, der omfavner Biots love.
I det følgende år anfægtede Poisson, som ikke underskrev Aragos rapport, muligheden for tværgående bølger i æteren. Med udgangspunkt i formodede bevægelsesligninger for et flydende medium, bemærkede han, at de ikke gav de korrekte resultater for partiel refleksion og dobbeltbrydning – som om det var Fresnels problem snarere end hans eget – og at de forudsagte bølger, selvom de oprindeligt var tværgående, blev mere langsgående, efterhånden som de forplantede sig. Som svar bemærkede Fresnel blandt andet , at de ligninger, som Poisson satte så meget tiltro til, ikke engang forudsagde viskositet . Implikationen var klar: I betragtning af at lysets opførsel ikke var blevet tilfredsstillende forklaret undtagen ved tværgående bølger, var det ikke bølgeteoretikernes ansvar at opgive tværgående bølger i respekt for forudfattede forestillinger om æteren; snarere var det ætermodellernes ansvar at producere en model, der kunne rumme tværgående bølger. Ifølge Robert H. Silliman accepterede Poisson til sidst bølgeteorien kort før sin død i 1840.
Blandt franskmændene var Poissons modvilje en undtagelse. Ifølge Eugene Frankel, "i Paris synes ingen debat om spørgsmålet at have fundet sted efter 1825. Faktisk næsten hele generationen af fysikere og matematikere, der kom til modenhed i 1820'erne - Pouillet, Savart , Lamé , Navier , Liouville , Cauchy – synes at have overtaget teorien med det samme." Fresnels anden fremtrædende franske modstander, Biot, så ud til at indtage en neutral position i 1830 og accepterede til sidst bølgeteorien – muligvis i 1846 og helt sikkert i 1858.
I 1826 stillede den britiske astronom John Herschel , som arbejdede på en boglængde artikel om lys til Encyclopædia Metropolitana , tre spørgsmål til Fresnel om dobbeltbrydning, delvis refleksion og deres forhold til polarisering. Den resulterende artikel, med titlen ganske enkelt "Lys", var meget sympatisk over for bølgeteorien, selvom den ikke var helt fri for selektionistisk sprogbrug. Den cirkulerede privat i 1828 og blev udgivet i 1830. I mellemtiden blev Youngs oversættelse af Fresnels De la Lumière udgivet i rater fra 1827 til 1829. George Biddell Airy , den tidligere Lucasian Professor ved Cambridge og fremtidig Astronom Royal , accepterede uforbeholdent bølgen, bølgen. i 1831. I 1834 beregnede han berømt diffraktionsmønsteret for en cirkulær blænde ud fra bølgeteorien og forklarede derved den begrænsede vinkelopløsning af et perfekt teleskop . I slutningen af 1830'erne var den eneste fremtrædende britiske fysiker, der holdt ud mod bølgeteorien, Brewster , hvis indvendinger omfattede vanskeligheden ved at forklare fotokemiske effekter og (efter hans mening) spredning .
En tysk oversættelse af De la Lumière blev udgivet i rater i 1825 og 1828. Bølgeteorien blev adopteret af Fraunhofer i begyndelsen af 1820'erne og af Franz Ernst Neumann i 1830'erne, og begyndte derefter at finde gunst i tyske lærebøger.
Økonomien i antagelser under bølgeteorien blev understreget af William Whewell i hans History of the Inductive Sciences , der først blev udgivet i 1837. I det korpuskulære system kræver "hver ny klasse af fakta en ny antagelse", hvorimod i bølgesystemet, en hypotese, der er udtænkt for at forklare et fænomen, viser sig derefter at forklare eller forudsige andre. I det korpuskulære system er der "ingen uventet succes, ingen lykkelig tilfældighed, ingen konvergens af principper fra fjerne egne"; men i bølgesystemet har "alt en tendens til enhed og enkelhed."
Derfor kom resultatet i 1850, da Foucault og Fizeau ved eksperimenter fandt ud af, at lys bevæger sig langsommere i vand end i luft, i overensstemmelse med bølgeforklaringen om brydning og i modsætning til den korpuskulære forklaring, ikke som nogen overraskelse.
Fyrtårne og Fresnel-linsen
Fresnel var ikke den første person til at fokusere en fyrstråle ved hjælp af en linse. Denne udmærkelse tilhører tilsyneladende London-glasskæreren Thomas Rogers, hvis første linser, 53 cm i diameter og 14 cm tykke i midten, blev installeret ved Old Lower Lighthouse i Portland Bill i 1789. Yderligere prøver blev installeret i løbet af ca. dusin andre steder i 1804. Men meget af lyset blev spildt ved absorption i glasset.
Fresnel var heller ikke den første til at foreslå at erstatte en konveks linse med en række koncentriske ringformede prismer for at reducere vægt og absorption. I 1748 foreslog grev Buffon at slibe sådanne prismer som trin i et enkelt stykke glas. I 1790 foreslog Marquis de Condorcet , at det ville være lettere at lave de ringformede sektioner separat og samle dem på en ramme; men selv det var upraktisk dengang. Disse designs var ikke beregnet til fyrtårne, men til brændende briller . Brewster foreslog imidlertid et system svarende til Condorcets i 1811, og i 1820 talte for dets brug i britiske fyrtårne.
I mellemtiden, den 21. juni 1819, blev Fresnel "midlertidigt" udstationeret af Commission des Phares (Kommissionen af Fyrtårne) efter anbefaling fra Arago (medlem af Kommissionen siden 1813), for at gennemgå mulige forbedringer i fyrtårnsbelysningen. Kommissionen var blevet nedsat af Napoleon i 1811 og lagt under Corps des Ponts – Fresnels arbejdsgiver.
I slutningen af august 1819, uvidende om Buffon-Condorcet-Brewster-forslaget, fremlagde Fresnel sin første præsentation for kommissionen og anbefalede, hvad han kaldte lentilles à échelons (linser i trin) til at erstatte de reflektorer, der dengang var i brug, hvilket kun afspejlede ca. halvdelen af det indfaldende lys. En af de forsamlede kommissærer, Jacques Charles , mindede om Buffons forslag og efterlod Fresnel flov over igen at have "brudt gennem en åben dør". Men hvor Buffons version var bikonveks og i ét stykke, var Fresnel's plankonveks og lavet af flere prismer for lettere konstruktion. Med et officielt budget på 500 francs henvendte Fresnel sig til tre producenter. Den tredje, François Soleil, producerede prototypen. Den blev færdig i marts 1820 og havde et firkantet linsepanel på 55 cm på en side, der indeholdt 97 polygonale (ikke ringformede) prismer – og imponerede så Kommissionen, at Fresnel blev bedt om en fuld version med otte paneler. Denne model, færdiggjort et år senere på trods af utilstrækkelig finansiering, havde paneler på 76 cm kvadrat. I et offentligt skue om aftenen den 13. april 1821 blev det demonstreret ved sammenligning med de seneste reflekser, som det pludselig gjorde forældede.
Fresnels næste linse var et roterende apparat med otte "bull's-eye"-paneler, lavet i ringformede buer af Saint-Gobain , hvilket gav otte roterende stråler – som skal ses af søfolk som et periodisk blitz. Over og bagved hvert hovedpanel var et mindre, skrånende tyreøjepanel af trapezformet kontur med trapezformede elementer. Dette bryder lyset til et skrånende plan spejl, som derefter reflekterede det vandret, 7 grader foran fjernlyset, hvilket øgede varigheden af blitzen. Under hovedpanelerne var 128 små spejle arrangeret i fire ringe, stablet som lamellerne på et jalousi eller persienner . Hver ring, formet som en keglestub , reflekterede lyset til horisonten, hvilket gav et svagere konstant lys mellem blinkene. Den officielle test, der blev udført på den ufærdige Triumfbue den 20. august 1822, blev overværet af kommissionen – og af Ludvig XVIII og hans følge – fra 32 km væk. Apparatet blev opbevaret i Bordeaux til vinteren, og derefter samlet igen ved Cordouan Fyr under Fresnels opsyn. Den 25. juli 1823 blev verdens første Fresnel-lys i fyrtårnet tændt. Kort efter begyndte Fresnel at hoste blod op.
I maj 1824 blev Fresnel forfremmet til sekretær for Commission des Phares , og blev det første medlem af dette organ til at trække en løn, om end i den samtidige rolle som chefingeniør. Han var også eksaminator (ikke lærer) ved École Polytechnique siden 1821; men dårligt helbred, lange timer i eksamenssæsonen og angst for at dømme andre fik ham til at sige den post op i slutningen af 1824 for at spare sin energi til sit fyrtårnsarbejde.
Samme år designede han den første faste linse – til at sprede lyset jævnt rundt i horisonten og samtidig minimere spild over eller under. Ideelt set ville de buede brydende overflader være segmenter af toroider omkring en fælles lodret akse, så det dioptriske panel ville ligne en cylindrisk tromle. Hvis dette blev suppleret med reflekterende ( katoptriske ) ringe over og under de brydende (dioptriske) dele, ville hele apparatet ligne en bikube. Den anden Fresnel-linse, der kom i brug, var faktisk en fast linse, af tredje orden, installeret i Dunkerque den 1. februar 1825. Men på grund af vanskeligheden ved at fremstille store toroidformede prismer havde dette apparat en 16-sidet polygonal plan.
I 1825 udvidede Fresnel sit faste linsedesign ved at tilføje et roterende array uden for det faste array. Hvert panel i det roterende array skulle bryde en del af det faste lys fra en vandret blæser til en smal stråle.
Også i 1825 afslørede Fresnel Carte des Phares (fyrtårnskort), der opfordrede til et system med 51 fyrtårne plus mindre havnelys, i et hierarki af linsestørrelser (kaldet ordrer , den første orden er den største), med forskellige karakteristika for at lette genkendelse: et konstant lys (fra en fast linse), en flash i minuttet (fra en roterende linse med otte paneler) og to per minut (seksten paneler).
I slutningen af 1825, for at reducere tabet af lys i de reflekterende elementer, foreslog Fresnel at erstatte hvert spejl med et katadioptrisk prisme, hvorigennem lyset ville rejse ved brydning gennem den første overflade, derefter total indre refleksion fra den anden overflade, derefter brydning gennem den tredje overflade. Resultatet blev fyrtårnslinsen, som vi nu kender den. I 1826 samlede han en lille model til brug på Canal Saint-Martin , men han levede ikke for at se en version i fuld størrelse.
Den første faste linse med toroidformede prismer var et første-ordens apparat designet af den skotske ingeniør Alan Stevenson under ledelse af Léonor Fresnel, og fremstillet af Isaac Cookson & Co. af fransk glas; den kom i drift på Isle of May i 1836. De første store katadioptriske linser var faste tredje-ordens linser lavet i 1842 til fyrtårnene ved Gravelines og Île Vierge . Den første fuldt katadioptriske førsteordens linse, installeret hos Ailly i 1852, gav otte roterende stråler assisteret af otte katadioptriske paneler i toppen (for at forlænge blinkene), plus et fast lys nedefra. Den første fuldt katadioptriske linse med rent roterende stråler – også af første orden – blev installeret i Saint-Clément-des-Baleines i 1854 og markerede færdiggørelsen af Augustin Fresnels originale Carte des Phares .
Produktion af dioptriske linser i ét stykke – nogenlunde som forudset af Buffon – blev praktisk i 1852, da John L. Gilliland fra Brooklyn Flint-Glass Company patenterede en metode til fremstilling af sådanne linser af pressestøbt glas. I 1950'erne gjorde erstatningen af plast til glas det økonomisk at bruge fineste Fresnel-linser som kondensatorer i overheadprojektorer . Stadig finere trin kan findes i billige plastik "ark" lupper .
Hæder
Fresnel blev valgt til Société Philomathique de Paris i april 1819 og blev i 1822 en af redaktørerne af Sociétés Bulletin des Sciences . Allerede i maj 1817 søgte Fresnel på Aragos forslag om medlemskab af Académie des Sciences, men fik kun én stemme. Den succesrige kandidat ved den lejlighed var Joseph Fourier . I november 1822 skabte Fouriers ophøjelse til Permanent Secretary of Académie en ledig stilling i fysiksektionen, som blev besat i februar 1823 af Pierre Louis Dulong , med 36 stemmer til Fresnels 20. Men i maj 1823, efter endnu en ledig stilling blev efterladt af Jacques Charles død , Fresnels valg var enstemmigt. I 1824 blev Fresnel udnævnt til chevalier de la Légion d'honneur (Ridder af Æreslegionen ).
I mellemtiden skulle bølgeteorien i Storbritannien endnu ikke slå igennem; Fresnel skrev til Thomas Young i november 1824 og sagde delvist:
Jeg er langt fra at benægte den værdi, jeg tillægger ros af engelske lærde, eller foregive, at de ikke ville have smigret mig behageligt. Men i lang tid har denne sensibilitet eller forfængelighed, som kaldes kærligheden til herligheden, været meget afstumpet i mig: Jeg arbejder langt mindre for at fange offentlighedens stemmer end for at opnå en indre godkendelse, som altid har været min sødeste belønning. indsats. Uden tvivl har jeg ofte haft brug for forfængelighedens brod for at ophidse mig til at forfølge mine undersøgelser i øjeblikke af afsky eller modløshed; men alle de komplimenter jeg fik fra MM. Arago, Laplace og Biot gav mig aldrig så meget glæde som opdagelsen af en teoretisk sandhed og bekræftelsen af mine beregninger ved eksperiment.
Men snart fulgte "rosen af engelske lærde". Den 9. juni 1825 blev Fresnel gjort til udenlandsk medlem af Royal Society of London . I 1827 blev han tildelt selskabets Rumford-medalje for året 1824, "for hans udvikling af den bølgende teori som anvendt på fænomenerne polariseret lys og for hans forskellige vigtige opdagelser inden for fysisk optik."
Et monument til Fresnel på hans fødested blev indviet den 14. september 1884 med en tale af Jules Jamin , Permanent Secretary of Académie des Sciences. " FRESNEL " er blandt de 72 navne, der er præget på Eiffeltårnet (på den sydøstlige side, fjerde fra venstre). I det 19. århundrede, da hvert fyrtårn i Frankrig anskaffede sig en Fresnel-linse, fik hver enkelt en buste af Fresnel, der tilsyneladende vågede over den kystlinje, som han havde gjort sikrere. Månetrækkerne Promontorium Fresnel og Rimae Fresnel blev senere opkaldt efter ham.
Forfald og død
Fresnels helbred, som altid havde været dårligt, forværredes i vinteren 1822-1823, hvilket øgede det hastende med hans oprindelige forskning og (delvis) forhindrede ham i at bidrage med en artikel om polarisering og dobbeltbrydning til Encyclopædia Britannica . Erindringerne om cirkulær og elliptisk polarisering og optisk rotation og om den detaljerede udledning af Fresnel-ligningerne og deres anvendelse på total indre refleksion stammer fra denne periode. I foråret kom han sig nok, efter hans egen opfattelse, til at overvåge linseinstallationen i Cordouan. Kort efter stod det klart, at hans tilstand var tuberkulose .
I 1824 blev han rådet til, at hvis han ønskede at leve længere, var han nødt til at skrue ned for sine aktiviteter. Da han opfattede sit fyrtårnsarbejde som sin vigtigste pligt, sagde han op som eksaminator ved École Polytechnique og lukkede sine videnskabelige notesbøger. Hans sidste notat til Académie, læst den 13. juni 1825, beskrev det første radiometer og tilskrev den observerede frastødende kraft til en temperaturforskel. Selvom hans grundforskning ophørte, gjorde hans fortalervirksomhed det ikke; så sent som i august eller september 1826 fandt han tid til at besvare Herschels spørgsmål om bølgeteorien. Det var Herschel, der anbefalede Fresnel til Royal Society's Rumford Medal.
Fresnels hoste forværredes i vinteren 1826-1827, hvilket efterlod ham for syg til at vende tilbage til Mathieu om foråret. Académie-mødet den 30. april 1827 var det sidste, han deltog i. I begyndelsen af juni blev han båret til Ville-d'Avray , 12 kilometer (7,5 mi) vest for Paris. Der sluttede hans mor sig til ham. Den 6. juli ankom Arago for at levere Rumford-medaljen. Fresnel fornemmede Aragos nød og hviskede, at "den smukkeste krone betyder lidt, når den bliver lagt på en vens grav." Fresnel havde ikke styrken til at svare Royal Society. Han døde otte dage senere, på Bastilledagen .
Han er begravet på Père Lachaise Cemetery , Paris. Indskriften paa hans Ligsten er delvis borteroderet; den læselige del siger, når det oversættes, "Til minde om Augustin Jean Fresnel, medlem af Institut for Frankrig ".
Posthume udgivelser
Fresnels "anden erindringsbog" om dobbelt brydning blev først trykt i slutningen af 1827, et par måneder efter hans død. Indtil da var den bedst offentliggjorte kilde om hans arbejde med dobbelt brydning et uddrag af denne erindringsbog, trykt i 1822. Hans sidste behandling af delvis refleksion og total indre refleksion, læst til Académie i januar 1823, mentes at gå tabt, indtil den blev genopdaget blandt den afdøde Joseph Fouriers (1768-1830) papirer og blev trykt i 1831. Indtil da var det først og fremmest kendt gennem et uddrag trykt i 1823 og 1825. Erindringer, der introducerede parallelepipedumformen af Fresnel-romben, læst i marts 1818, blev forlagt indtil 1846, og vakte derefter en sådan interesse, at den snart blev genudgivet på engelsk. De fleste af Fresnels skrifter om polariseret lys før 1821 – inklusive hans første teori om kromatisk polarisering (indsendt 7. oktober 1816) og det afgørende "tillæg" fra januar 1818 - blev ikke offentliggjort i sin helhed, før hans Oeuvres complètes ("komplette værker") begyndte at dukke op i 1866. "Supplementet" fra juli 1816, der foreslog den "effektive stråle" og rapporterede om det berømte dobbeltspejleksperiment, mødte samme skæbne, som det "første erindringsbog" om dobbelt brydning.
Udgivelsen af Fresnels samlede værker blev i sig selv forsinket på grund af successive redaktørers død. Opgaven blev oprindeligt overdraget til Félix Savary , der døde i 1841. Den blev genoptaget tyve år senere af Ministeriet for Offentlig Undervisning. Af de tre redaktører, der til sidst blev navngivet i Oeuvres , døde Sénarmont i 1862, Verdet i 1866 og Léonor Fresnel i 1869, på hvilket tidspunkt kun to af de tre bind var udkommet. I begyndelsen af bd. 3 (1870), er projektets afslutning beskrevet i en lang fodnote af " J. Lissajous ."
Ikke inkluderet i Oeuvres er to korte noter af Fresnel om magnetisme, som blev opdaget blandt Ampères manuskripter. Som svar på Ørsteds opdagelse af elektromagnetisme i 1820, antog Ampère oprindeligt, at feltet af en permanent magnet skyldtes en makroskopisk cirkulerende strøm . Fresnel foreslog i stedet, at der var en mikroskopisk strøm, der cirkulerede rundt om hver partikel i magneten. I sin første note argumenterede han for, at mikroskopiske strømme, i modsætning til makroskopiske strømme, ville forklare, hvorfor en hul cylindrisk magnet ikke mister sin magnetisme, når den skæres i længderetningen. I sin anden note, dateret 5. juli 1821, argumenterede han yderligere for, at en makroskopisk strøm havde den kontrafaktiske implikation, at en permanent magnet skulle være varm, hvorimod mikroskopiske strømme, der cirkulerer omkring molekylerne, kunne undgå opvarmningsmekanismen. Han skulle ikke vide, at de grundlæggende enheder af permanent magnetisme er endnu mindre end molekyler . De to noter, sammen med Ampères anerkendelse, blev til sidst udgivet i 1885.
Tabte værker
Fresnels essay Rêveries fra 1814 har ikke overlevet. Selvom indholdet ville have været interessant for historikere, kan dets kvalitet måske måles ud fra det faktum, at Fresnel selv aldrig henviste til det i sin modenhed.
Mere foruroligende er skæbnen for den sene artikel "Sur les Différents Systèmes relatifs à la Théorie de la Lumière" ("Om de forskellige systemer relateret til teorien om lys"), som Fresnel skrev for det nyligt lancerede engelske tidsskrift European Review . Dette arbejde ser ud til at have haft samme omfang som essayet De la Lumière fra 1821/22, bortset fra at Fresnels syn på dobbeltbrydning, cirkulær og elliptisk polarisering, optisk rotation og total indre refleksion havde udviklet sig siden da. Manuskriptet blev modtaget af forlagets agent i Paris i begyndelsen af september 1824 og straks videresendt til London. Men tidsskriftet fejlede, før Fresnels bidrag kunne offentliggøres. Fresnel forsøgte uden held at gendanne manuskriptet. Redaktionen af hans samlede værker var heller ikke i stand til at finde den, og indrømmede, at den sandsynligvis var tabt.
Ufærdige forretninger
Ætermodstand og ætertæthed
I 1810 fandt Arago eksperimentelt ud, at graden af brydning af stjernelys ikke afhænger af retningen af jordens bevægelse i forhold til sigtelinjen. I 1818 viste Fresnel, at dette resultat kunne forklares med bølgeteorien, ud fra den hypotese, at hvis et objekt med brydningsindeks bevægede sig med hastighed i forhold til den ydre æter (taget som stationær), så opnåede lysets hastighed inde i objektet ekstra komponent . Han støttede denne hypotese ved at antage, at hvis tætheden af den ydre æter blev taget som enhed, var tætheden af den indre æter , hvoraf det overskydende, nemlig , blev trukket med med hastighed , hvorfra den gennemsnitlige hastighed af den indre æter var . Faktoren i parentes, som Fresnel oprindeligt udtrykte i form af bølgelængder, blev kendt som Fresnel-modstandskoefficienten .
I sin analyse af dobbeltbrydning antog Fresnel, at de forskellige brydningsindekser i forskellige retninger inden for det samme medium skyldtes en retningsbestemt variation i elasticitet, ikke tæthed (fordi begrebet masse pr. volumenenhed ikke er retningsbestemt). Men i sin behandling af delvis refleksion antog han, at de forskellige brydningsindekser for forskellige medier skyldtes forskellige ætertætheder, ikke forskellige elasticiteter. Den sidstnævnte beslutning var, selv om den var forvirrende i sammenhæng med dobbelt brydning, i overensstemmelse med den tidligere behandling af ætermodstand.
I 1846 påpegede George Gabriel Stokes , at der ikke var behov for at dele æteren inde i en bevægende genstand i to dele; det hele kunne anses for at bevæge sig med en fælles hastighed. Så, hvis æteren blev bevaret, mens dens tæthed ændrede sig i forhold til , var den resulterende hastighed af æteren inde i objektet lig med Fresnels ekstra hastighedskomponent.
Spredning
Analogien mellem lysbølger og tværgående bølger i elastiske faste stoffer forudsiger ikke spredning - det vil sige frekvensafhængigheden af udbredelseshastigheden, som gør det muligt for prismer at producere spektre og får linser til at lide af kromatisk aberration . Fresnel foreslog i De la Lumière og i det andet supplement til hans første erindringer om dobbeltbrydning, at spredning kunne forklares, hvis mediets partikler udøvede kræfter på hinanden over afstande, der var betydelige fraktioner af en bølgelængde. Senere, mere end én gang, henviste Fresnel til demonstrationen af dette resultat som værende indeholdt i en note vedlagt hans "anden erindringer" om dobbelt brydning. Men ingen sådan note forekom på tryk, og de relevante manuskripter fundet efter hans død viste kun, at han omkring 1824 sammenlignede brydningsindekser (målt af Fraunhofer) med en teoretisk formel, hvis betydning ikke blev fuldstændig forklaret.
I 1830'erne blev Fresnels forslag taget op af Cauchy, Powell og Kelland , og det viste sig faktisk at være acceptabelt i overensstemmelse med variationen af brydningsindekser med bølgelængde over det synlige spektrum , for en række transparente medier . Disse undersøgelser var nok til at vise, at bølgeteorien i det mindste var forenelig med spredning. Men hvis spredningsmodellen skulle være nøjagtig over et bredere frekvensområde, skulle den modificeres for at tage højde for resonanser i mediet .
Konisk brydning
Den analytiske kompleksitet af Fresnels udledning af strålehastighedsoverfladen var en implicit udfordring for at finde en kortere vej til resultatet. Dette blev besvaret af MacCulagh i 1830 og af William Rowan Hamilton i 1832.
Hamilton gik videre og etablerede to egenskaber ved overfladen, som Fresnel i løbet af den korte tid, han havde fået, havde overset: (i) ved hvert af de fire punkter, hvor overfladens indre og ydre lag kommer i kontakt, har overfladen en tangent kegle (tangential til begge ark), deraf en kegle af normaler, hvilket indikerer, at en kegle af bølgenormale retninger svarer til en enkelt strålehastighedsvektor; og (ii) omkring hvert af disse punkter har den ydre plade en kontaktcirkel med et tangentplan, hvilket indikerer, at en kegle af stråleretninger svarer til en enkelt bølge-normal hastighedsvektor. Som Hamilton bemærkede, indebærer disse egenskaber henholdsvis, at (i) en smal stråle, der udbreder sig inde i krystallen i retning af enkeltstrålehastigheden, vil, når den forlader krystallen gennem en flad overflade, bryde ind i en hul kegle ( ydre konisk brydning ), og (ii) en smal stråle, der rammer en flad overflade af krystallen i den passende retning (svarende til den af den enkelte indre bølge-normalhastighed) vil, når den kommer ind i krystallen, bryde ind i en hul kegle ( intern konisk brydning ).
Således var et nyt par fænomener, kvalitativt forskellige fra noget tidligere observeret eller mistænkt, blevet forudsagt af matematikken som konsekvenser af Fresnels teori. Den hurtige eksperimentelle bekræftelse af disse forudsigelser af Humphrey Lloyd bragte Hamilton en pris, der aldrig var kommet til Fresnel: øjeblikkelig berømmelse.
Eftermæle
Inden for et århundrede efter Fresnels oprindelige forslag til trinoptik beskyttede mere end 10.000 lys med Fresnel-linser liv og ejendom rundt om i verden. Med hensyn til de andre fordele har videnskabshistorikeren Theresa H. Levitt bemærket:
Overalt hvor jeg kiggede, gentog historien sig. Øjeblikket, hvor en Fresnel-linse dukkede op på et sted, var det øjeblik, hvor regionen blev forbundet med verdensøkonomien.
I den fysiske optiks historie udpeger Fresnels vellykkede genoplivning af bølgeteorien ham som den centrale figur mellem Newton, der mente, at lys bestod af blodlegemer, og James Clerk Maxwell , som fastslog, at lysbølger er elektromagnetiske. Hvor Albert Einstein beskrev Maxwells arbejde som "det mest dybtgående og mest frugtbare, som fysikken har oplevet siden Newtons tid", fremsatte kommentatorer fra æraen mellem Fresnel og Maxwell tilsvarende stærke udtalelser om Fresnel:
- MacCulagh skrev allerede i 1830, at Fresnels mekaniske teori om dobbelt brydning "ville gøre ære for Newtons klogskab".
- Lloyd undersøgte i sin rapport om den fysiske optiks fremskridt og nuværende tilstand (1834) for British Association for the Advancement of Science tidligere viden om dobbeltbrydning og erklærede:
I 1841 udgav Lloyd sine Lectures on the Wave-theory of Light , hvori han beskrev Fresnels tværbølgeteori som "det ædleste stof, som nogensinde har prydet den fysiske videnskabs domæne, kun Newtons system af universet undtaget."Den teori om Fresnel, som jeg nu går videre til, - og som ikke blot omfatter alle de kendte fænomener, men endog har overgået iagttagelsen og forudsagt konsekvenser, som efterfølgende blev fuldt verificerede, - vil, er jeg overbevist om, blive betragtet som den fineste generalisering i fysisk videnskab, som er blevet lavet siden opdagelsen af universel gravitation.
-
William Whewell sammenlignede i alle tre udgaver af hans History of the Inductive Sciences (1837, 1847 og 1857) i slutningen af bog IX historien om fysisk astronomi og fysisk optik og konkluderede:
Det ville måske være for fantasifuldt at forsøge at etablere en parallelitet mellem de fremtrædende personer, der figurerer i disse to historier. Hvis vi skulle gøre dette, må vi betragte Huyghens og Hooke som stående i Copernicus ' sted , eftersom de ligesom ham bekendtgjorde den sande teori, men overlod det til en fremtidig tidsalder at give den udvikling og mekanisk bekræftelse; Malus og Brewster , der grupperer dem sammen, svarer til Tycho Brahe og Kepler , møjsommelige med at akkumulere observationer, opfindsomme og glade for at opdage fænomenlove; og Young og Fresnel tilsammen udgør Newton for optisk videnskab.
Det, Whewell kaldte den "sande teori", har siden gennemgået to store revisioner. Den første, af Maxwell, specificerede de fysiske felter, hvis variationer udgør lysbølgerne. Uden fordelen ved denne viden lykkedes det Fresnel at konstruere verdens første sammenhængende teori om lys, hvilket i retrospekt viser, at hans metoder er anvendelige på flere typer bølger. Den anden revision, initieret af Einsteins forklaring af den fotoelektriske effekt , antog, at energien af lysbølger blev opdelt i kvanter , som til sidst blev identificeret med partikler kaldet fotoner . Men fotoner svarede ikke nøjagtigt til Newtons blodlegemer; for eksempel krævede Newtons forklaring af almindelig brydning, at blodlegemerne bevægede sig hurtigere i medier med højere brydningsindeks, hvilket fotoner ikke gør. Heller ikke fotoner fortrængte bølger; snarere førte de til paradokset med bølge-partikel-dualitet . Desuden er de fænomener, som Fresnel studerede, og som omfattede næsten alle de optiske fænomener, der var kendt på hans tid, stadig nemmest at forklare ud fra lysets bølgenatur . Så det var så sent som i 1927, at astronomen Eugène Michel Antoniadi erklærede Fresnel for at være "den dominerende skikkelse inden for optik."
Se også
- Dobbeltbrud
- Katadioptrisk system
- Cirkulær polarisering
- Fresnel diffraktion
- Elliptisk polarisering
- Fresnel (frekvensenhed)
- Fresnel-Arago love
- Fresnel ligninger
- Fresnel billedkamera
- Fresnel integral
- Fresnel lanterne
- Fresnel linse
- Fresnel nummer
- Fresnel romb
- Fresnel zone
- Fresnel zone antenne
- Fresnels bølgeoverflade
- Fresnel zoneplade
- Huygens-Fresnel-princippet
- Lineær polarisering
- Optisk rotation
- Phasor
- Fysisk optik
- Poissons /Aragos plet
- Polarisering
- Rammet spejl
Forklarende noter
Referencer
Citater
Bibliografi
- DFJ Arago (tr. B. Powell), 1857, "Fresnel" (elegi læst ved Videnskabsakademiets offentlige møde, 26. juli 1830), i DFJ Arago (tr. WH Smyth, B. Powell og R. Grant ), Biographies of Distinguished Scientific Men (enkeltbindsudgave), London: Longman, Brown, Green, Longmans, & Roberts, 1857, s. 399–471 . (Om oversætterens identitet, se s. 425n, 452n.) Erratum : I oversætterens notat på s. 413, skal et plan, der tangerer den ydre kugle ved punktet t , skære den brydende overflade (antaget flad); derefter, gennem det skæringspunkt , skal tangentplaner tegnes til den indre kugle og kugle (jf. Mach, 1926, s. 263).
- DFJ Arago og A. Fresnel, 1819, "Mémoire sur l'action que les rayons de lumière polarisée exercent les uns sur les autres", Annales de Chimie et de Physique , Ser. 2, bind. 10, s. 288–305, marts 1819; genoptrykt i Fresnel, 1866–70, bd. 1, s. 509-22 ; oversat som "Om virkningen af stråler af polariseret lys på hinanden" , i Crew, 1900, s. 145-55.
- G.-A. Boutry, 1948, "Augustin Fresnel: Hans tid, liv og arbejde, 1788–1827", Science Progress , vol. 36, nr. 144 (oktober 1948), s. 587–604; jstor.org/stable/43413515 .
- JZ Buchwald, 1989, The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century , University of Chicago Press, ISBN 0-226-07886-8 .
- JZ Buchwald, 2013, "Optics in the Nineteenth Century", i JZ Buchwald og R. Fox (red.), The Oxford Handbook of the History of Physics , Oxford, ISBN 978-0-19-969625-3 , s. 445 –72.
- H. Crew (red.), 1900, The Wave Theory of Light: Memoirs af Huygens, Young og Fresnel , American Book Company.
- O. Darrigol, 2012, A History of Optics: From Greek Antiquity to the Nineteenth Century , Oxford, ISBN 978-0-19-964437-7 .
- J. Elton, 2009, "A Light to Lighten our Darkness: Lighthouse Optics and the Later Development of Fresnel's Revolutionary Refracting Lens 1780-1900", International Journal for the History of Engineering & Technology , vol. 79, nr. 2 (juli 2009), s. 183-244; doi : 10.1179/175812109X449612 .
- E. Frankel, 1974, "Søgen efter en korpuskulær teori om dobbeltbrydning: Malus, Laplace og priskonkurrencen fra 1808", Centaurus , vol. 18, nr. 3 (september 1974), s. 223-245.
- E. Frankel, 1976, "Corpuscular optics and the wave theory of light: The science and politics of a revolution in physics", Social Studies of Science , vol. 6, nr. 2 (maj 1976), s. 141-84; jstor.org/stable/284930 .
- A. Fresnel, 1815a, Brev til Jean François "Léonor" Mérimée, 10. februar 1815 (Smithsonian Dibner Library, MSS 546A), trykt i G. Magalhães, "Bemærkninger om et nyt autografbrev fra Augustin Fresnel: Light aberration and wave theory" , Science in Context , vol. 19, nr. 2 (juni 2006), s. 295-307, doi : 10.1017/S0269889706000895 , at s. 306 (oprindelig fransk) og s. 307 (engelsk oversættelse).
- A. Fresnel, 1816, "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir om lysets diffraktion"), Annales de Chimie et de Physique , Ser. 2, bind. 1, s. 239–81 (marts 1816); genoptrykt som "Deuxième Mémoire..." ("Anden erindringer...") i Fresnel, 1866-70, bind. 1, s. 89-122. Ikke at forveksle med den senere "præmiememoir" (Fresnel, 1818b).
- A. Fresnel, 1818a, "Mémoire sur les couleurs développées dans les fluides homogènes par la lumière polarisée", læst 30. marts 1818 (ifølge Kipnis, 1991, s. 217), udgivet 1846; genoptrykt i Fresnel, 1866–70, bd. 1, s. 655-83 ; oversat af E. Ronalds & H. Lloyd som "Memoir over farverne produceret i homogene væsker af polariseret lys" , i Taylor, 1852, s. 44-65. (De nævnte sidetal henviser til oversættelsen.)
- A. Fresnel, 1818b, "Mémoire sur la diffraction de la lumière" ("Memoir om lysets diffraktion"), deponeret 29. juli 1818, "kronet" 15. marts 1819, udgivet (med vedhæftede noter) i Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France , vol. V (for 1821 & 1822, trykt 1826), s. 339–475 ; genoptrykt (med noter) i Fresnel, 1866–70, bd. 1, s. 247-383 ; delvist oversat som "Fresnels prismemoir om lysets diffraktion" , i Crew, 1900, s. 81–144. Ikke at forveksle med den tidligere erindringsbog med samme franske titel (Fresnel, 1816).
- A. Fresnel, 1818c, "Lettre de M. Fresnel à M. Arago sur l'influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d'optique", Annales de Chimie et de Physique , Ser. 2, bind. 9, s. 57–66 & tallerken efter s. 111 (sep. 1818), & s. 286–7 (nov. 1818); genoptrykt i Fresnel, 1866–70, bd. 2, s. 627-636 ; oversat som "Brev fra Augustin Fresnel til François Arago, om indflydelsen af jordens bevægelse på nogle optiske fænomener" i KF Schaffner, Nineteenth-Century Aether Theories , Pergamon, 1972 ( doi : 10.1016/C2013-0-023 3 ), s. 125-35; også oversat (med adskillige fejl) af RR Traill som "Brev fra Augustin Fresnel til François Arago vedrørende jordbevægelsens indflydelse på flere optiske fænomener", General Science Journal , 23. januar 2006 ( PDF, 8 s. ).
- A. Fresnel, 1821a, "Note sur le calcul des teintes que la polarization développe dans les lames cristallisées" et seq., Annales de Chimie et de Physique , Ser. 2, bind. 17, s. 102–11 (maj 1821), 167–96 (juni 1821), 312–15 ("Efterskrift", juli 1821); genoptrykt (med tilføjede afsnitsnr.) i Fresnel, 1866–70, bd. 1, s. 609-48; oversat som "Om beregningen af de toner, som polarisering udvikler sig i krystallinske plader, & postscript", Zenodo : 4058004 / doi : 10.5281/zenodo.4058004 , 2021.
- A. Fresnel, 1821b, "Note sur les remarques de M. Biot...", Annales de Chimie et de Physique , Ser. 2, bind. 17, s. 393–403 (august 1821); genoptrykt (med tilføjede afsnitsnr.) i Fresnel, 1866–70, bd. 1, s. 601-608; oversat som "Note om hr. Biots bemærkninger vedrørende farver på tynde plader", Zenodo : 4541332 / doi : 10.5281/zenodo.4541332 , 2021.
- A. Fresnel, 1821c, Brev til DFJ Arago, 21. september 1821, i Fresnel, 1866–70, bd. 2, s. 257-9; oversat som "Brev til Arago om biaksial dobbeltbrydning" , Wikisource , april 2021.
- A. Fresnel, 1822a, De la Lumière ( On Light ), i J. Riffault (red.), Supplément à la traduction française de la cinquième édition du "Système de Chimie" par Th. Thomson , Paris: Chez Méquignon-Marvis, 1822, s. 1–137, 535–9; genoptrykt i Fresnel, 1866–70, bd. 2, s. 3-146; oversat af T. Young som "Elementary view of the undulatory theory of light", Quarterly Journal of Science, Literature, and Art , vol. 22 (jan.–jun. 1827), s. 127–41 , 441–54 ; vol. 23 (jul.–dec . 1827), s. 113–35 , 431–48 ; vol. 24 (jan.–jun. 1828), s. 198–215 ; vol. 25 (jul.–dec . 1828), s. 168–91 , 389–407 ; vol. 26 (jan.–jun. 1829), s. 159–65 .
- A. Fresnel, 1822b, "Mémoire sur un nouveau système d'éclairage des phares", læst 29. juli 1822; genoptrykt i Fresnel, 1866–70, bd. 3, s. 97-126 ; oversat af T. Tag som "Memoir upon a new system of lighthouse illumination" , US Lighthouse Society, tilgået 26. august 2017; arkiveret 19. august 2016. (Anførte sidetal henviser til oversættelsen.)
- A. Fresnel, 1827, "Mémoire sur la double réfraction", Mémoires de l'Académie Royale des Sciences de l'Institut de France , vol. VII (for 1824, trykt 1827), s. 45–176 ; genoptrykt som "Second mémoire..." i Fresnel, 1866-70, bind. 2, s. 479-596 ; oversat af AW Hobson som "Memoir on double refraction" i Taylor, 1852, s. 238–333. (Citate sidetal henviser til oversættelsen. For bemærkelsesværdige fejl i den originale udgave og følgelig i oversættelsen, se Fresnel, 1866–70, bind 2, s. 596n.)
- A. Fresnel (red. H. de Sénarmont, E. Verdet og L. Fresnel), 1866–70, Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel (3 bind), Paris: Imprimerie Impériale; vol. 1 (1866) , bind. 2 (1868) , bind. 3 (1870) .
- I. Grattan-Guinness, 1990, Convolutions in French Mathematics, 1800–1840 , Basel: Birkhäuser, vol. 2, ISBN 3-7643-2238-1 , kapitel 13 (s. 852–915, "The entry of Fresnel: Physical optics, 1815–1824") og kapitel 15 (s. 968–1045, "The entry of Navier and Cauchys triumf: Elasticitetsteori, 1819-1830").
- C. Huygens, 1690, Traité de la Lumière (Leiden: Van der Aa), oversat af SP Thompson som Treatise on Light , University of Chicago Press, 1912; Project Gutenberg, 2005. (Citerede sidetal matcher 1912-udgaven og Gutenberg HTML-udgaven.)
- FA Jenkins og HE White, 1976, Fundamentals of Optics , 4. udgave, New York: McGraw-Hill, ISBN 0-07-032330-5 .
- N. Kipnis, 1991, History of the Principle of Interference of Light , Basel: Birkhäuser, ISBN 978-3-0348-9717-4 , kapitel VII, VIII .
- KA Kneller (tr. TM Kettle), 1911, Christianity and the Leaders of Modern Science: Et bidrag til kulturhistorien i det nittende århundrede , Freiburg im Breisgau: B. Herder, s. 146–9 .
- TH Levitt, 2009, The Shadow of Enlightenment: Optical and Political Transparency in France, 1789-1848 , Oxford, ISBN 978-0-19-954470-7 .
- TH Levitt, 2013, A Short Bright Flash: Augustin Fresnel and the Birth of the Modern Lighthouse , New York: WW Norton, ISBN 978-0-393-35089-0 .
- H. Lloyd, 1834, "Rapport om den fysiske optiks fremskridt og nuværende tilstand" , Rapport fra det fjerde møde i British Association for the Advancement of Science (afholdt i Edinburgh i 1834), London: J. Murray, 1835, pp. 295-413.
- E. Mach (tr. JS Anderson & AFA Young), The Principles of Physical Optics: An Historical and Philosophical Treatment , London: Methuen & Co., 1926.
- I. Newton, 1730, Opticks: or, a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colors of Light , 4. udg. (London: William Innys, 1730; Project Gutenberg, 2010); genudgivet med forord af A. Einstein og introduktion af ET Whittaker (London: George Bell & Sons, 1931); genoptrykt med yderligere forord af IB Cohen og analytisk indholdsfortegnelse af DHD Roller, Mineola, NY: Dover, 1952, 1979 (med revideret forord), 2012. (Citerede sidetal matcher Gutenberg HTML-udgaven og Dover-udgaverne.)
- RH Silliman, 1967, Augustin Fresnel (1788-1827) and the Establishment of the Wave Theory of Light (PhD-afhandling, 6 + 352 s. ), Princeton University, indsendt 1967, accepteret 1968; tilgængelig fra ProQuest (mangler den første side i forordet).
- RH Silliman, 2008, "Fresnel, Augustin Jean", Complete Dictionary of Scientific Biography , Detroit: Charles Scribner's Sons, vol. 5, s. 165-71. ( Versionen på encyclopedia.com mangler diagrammet og ligningerne.)
- R. Taylor (red.), 1852, Scientific Memoirs, udvalgt fra Transactions of Foreign Academies of Science and Learned Societies, og fra Foreign Journals (på engelsk), vol. V , London: Taylor & Francis.
- W. Whewell, 1857, History of the Inductive Sciences: From the Earliest to the Present Time , 3. udgave, London: JW Parker & Son, vol. 2 , bog IX , kapitel V–XIII .
- ET Whittaker , 1910, A History of the Theories of Aether and Electricity: Fra Descartes alder til slutningen af det nittende århundrede , London: Longmans, Green, & Co., kapitel IV , V.
- J. Worrall, 1989, "Fresnel, Poisson og den hvide plet: Rollen af vellykkede forudsigelser i accepten af videnskabelige teorier" , i D. Gooding, T. Pinch og S. Schaffer (red.), The Uses of Experiment : Studies in the Natural Sciences , Cambridge University Press, ISBN 0-521-33185-4 , s. 135-57.
- T. Young, 1807, A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts (2 bind), London: J. Johnson; vol. 1 , bind. 2 .
- T. Young (red. G. Peacock), 1855, Miscellaneous Works of the late Thomas Young , London: J. Murray, vol. 1 .
Yderligere læsning
Nogle engelske oversættelser af værker af Fresnel er inkluderet i ovenstående bibliografi. For en mere omfattende liste, se "Eksterne links" nedenfor.
Den mest detaljerede sekundære kilde om Fresnel på engelsk er tilsyneladende Buchwald 1989 (24 + 474 s.) - hvor Fresnel, selvom det ikke er nævnt i titlen, klart er den centrale karakter.
Med hensyn til fyrtårnsobjektiver citerer denne artikel i høj grad Levitt 2013, Elton 2009 og Thomas Tag hos US Lighthouse Society (se "Eksterne links" nedenfor). Alle tre forfattere beskæftiger sig ikke kun med Fresnels bidrag, men også med senere nyskabelser, der ikke er nævnt her (se Fresnel-linse: Historie ).
I sammenligning med omfanget og virkningen af hans videnskabelige og tekniske skrifter er biografiske oplysninger om Fresnel bemærkelsesværdigt sparsomme. Der er ingen kritisk biografi om ham i boglængde, og enhver, der foreslår at skrive en, må konfrontere det faktum, at de breve, der er offentliggjort i hans Oeuvres complètes - i modsætning til titlen - er stærkt redigeret. Med ordene fra Robert H. Silliman (1967, s. 6n): "Ved en ulykkelig bedømmelse fra redaktørerne, dikteret delvist, mistænker man af politisk hensigt, at brevene fremstår i fragmentarisk form, idet de næsten intet bevarer ud over de tekniske diskussioner. af Fresnel og hans korrespondenter." Det fremgår ikke klart af de sekundære kilder, om manuskripterne til disse breve stadig eksisterer (jf. Grattan-Guinness, 1990, s. 854n).
eksterne links
-
Medier relateret til Augustin Fresnel på Wikimedia Commons
- Liste over engelske oversættelser af værker af Augustin Fresnel på Zenodo .
- United States Lighthouse Society , især " Fresnel Lenses ".
- Værker af Augustin-Jean Fresnel på Open Library .
- "Episode 3 – Augustin Fresnel" , École polytechnique, 23. januar 2019, arkiveret fra originalen den 22. november 2021 – via YouTube.