Огюстен-Жан Френель
-
Ранние годы и образование
- Огюстен-Жан Френель родился в 1788 году в Бройле, Нормандия.
- Семья переехала в Шербур и Матье, где Френель получил домашнее образование.
- В 1801 году поступил в Центральную школу в Кане, затем в Политехническую школу.
- В 1806 году окончил Политехническую школу и поступил в Национальную школу мостов и шоссейных дорог.
-
Религиозное образование и инженерные задания
- Родители Френеля были католиками-янсенистами.
- Френель рассматривал свои таланты как дары Божьи и считал долгом использовать их на благо других.
- Первоначально работал в Вандее, затем в Ньоне, где проявил интерес к оптике.
- В 1814 году заинтересовался поляризацией света после прочтения мемуаров Био.
-
Вклад в физическую оптику
- Френель предложил катадиоптрическую линзу и ступенчатые линзы для улучшения видимости маяков.
- Ввел термины линейная, круговая и эллиптическая поляризация.
- Объяснил природу поляризации и механизм хроматической поляризации.
- Ввел комплексность коэффициента отражения и объяснил изменение поляризации при полном внутреннем отражении.
-
Поздние годы и признание
- Френель боролся с туберкулезом и умер в 1827 году в возрасте 39 лет.
- Получил медаль Румфорда Лондонского королевского общества на смертном одре.
- Его имя широко используется в современной терминологии оптики и волн.
- Вклад Френеля в оптику был признан, несмотря на его короткую жизнь.
-
Корпускулярная и волновая теории света
- Корпускулярная теория Ньютона объясняла прямолинейное распространение света движением частиц.
- Волновая теория Гюйгенса объясняла прямолинейное распространение через вторичные волновые фронты.
-
Проблемы с объяснением прямолинейного распространения
- Волновая теория не объясняла огибание препятствий волнами на поверхности воды.
- Корпускулярная теория не объясняла, почему свет распространяется быстрее в более плотных средах.
-
Звездная аберрация и двойное лучепреломление
- Звездная аберрация не была убедительным доказательством корпускулярной теории.
- Гюйгенс объяснил двойное лучепреломление через сферические и сфероидальные вторичные волновые фронты.
-
Объяснение цветов и дифракции
- Ньютон пытался объяснить цвета тонких пластин через корпускулярную теорию.
- Янг объяснил цвета тонких пластин через интерференцию.
- Ни Ньютон, ни Гюйгенс не объяснили дифракцию удовлетворительно.
-
Двойное лучепреломление и корпускулярные теории
- Гюйгенс заметил, что лучи света имеют «стороны», что противоречило волновой теории.
- Ньютон предложил альтернативное «правило» для экстраординарного преломления.
- Малюс экспериментально подтвердил сфероидную конструкцию Гюйгенса.
-
Корпускулярные и волновые теории в XIX веке
- Корпускуляристы не нашли закона взаимодействия, удовлетворяющего принципу Мопертюи.
- Янг продолжал показывать, что сфероидальные волновые фронты возможны в определенных средах.
-
Открытие поляризации
- Малус заметил, что луч света, отраженный от неметаллической поверхности, ведет себя подобно одному из лучей кристалла кальцита.
- Малус ввел термин «поляризация» и «плоскость поляризации».
- В 1809 году Малюс обнаружил закон Малюса, связывающий интенсивность света с углом между плоскостями поляризации.
-
Хроматическая поляризация
- Араго обнаружил, что при поляризации света через кристалл кальцита, изображения слюды имеют дополнительные цвета.
- Био переработал эксперименты Араго и нашел эмпирические формулы для интенсивности изображений.
- Био предложил теорию мобильной поляризации, объясняющую колебания частиц.
-
Волновая теория и корпускулярная оптика
- Янг отметил, что периодичность изменения цвета может быть объяснена волновой теорией.
- Корпускулярная теория не могла объяснить двойное лучепреломление и поляризацию.
- Волновая теория была сильна в тонких пластинах и решетках, но недооценена.
-
Интерес Френеля к оптике
- Френель заинтересовался волновой теорией и отправил эссе Амперу.
- Араго пообещал взглянуть на эссе Френеля.
- Френель начал эксперименты по дифракции, используя точечный источник света и линзу с микрометром.
-
Дифракция Френеля
- Френель заметил, что внутренние полосы исчезают при блокировке света с одной стороны.
- Он пришел к выводу, что внутренние полосы противоречат друг другу, что подтверждает принцип интерференции.
- Френель отправил мемуары в институт, где описал свои наблюдения и выводы.
-
Дифракция света
- Френель объяснил дифракцию, рассматривая внутренние и внешние интерференционные полосы.
- Для внешних полос он предположил, что отраженная волна перевернута, и отметил гиперболические пути полос.
- Объяснил законы отражения и преломления через интерференцию, отметив, что при отклонении лучей от предписанного угла фазы меняются.
-
Реакция и поддержка
- Арго положительно оценил работу Френеля, отметив важность его результатов.
- Арго попросил Френеля предоставить больше данных, и тот согласился.
- Арго помог Френелю вернуться в Париж, где он продолжил свои исследования.
-
Двойное зеркало и «эффективный луч»
- Френель описал эксперимент с двойным зеркалом, который опровергал корпускулярную теорию.
- Ввел понятие «эффективного луча», который частично компенсировал вклад других лучей.
- Этот подход не работал для внешних полос, что указывало на неполное принятие принципа Гюйгенса.
-
Возвращение в Париж и продолжение исследований
- В 1817 году Френель получил грант на исследование дифракции.
- В 1818 году вернулся в Париж и продолжил работу над теорией дифракции.
- В 1819 году опубликовал статью, в которой изложил элементарную теорию дифракции.
-
Дифракция света
- Френель предложил теорию дифракции света, основанную на вторичных волнах.
- Он использовал интегралы для описания интенсивности света, рассеянного на препятствии.
- Его теория объяснила, почему интенсивность быстро падает в геометрической тени.
-
Экспериментальное подтверждение
- Френель использовал красный свет с длиной волны 638 нм для проверки своих расчетов.
- Он сравнил рассчитанные и измеренные положения дифракционных полос для различных препятствий.
- Согласие между расчетами и измерениями было лучше 1.5% в большинстве случаев.
-
Признание и критика
- Френель получил приз за свою работу, несмотря на критику со стороны Лапласа, Биота и Пуассона.
- Пуассон предсказал, что в центре тени должно быть яркое пятно, что подтвердилось экспериментом Араго.
- Несмотря на признание, Френель не смог полностью убедить коллег в своей теории.
-
Поляризация света
- Френель начал работать над поляризацией света, что привело к новым открытиям.
- Он обнаружил, что поляризованный свет может интерферировать, что противоречит корпускулярной теории.
- Френель предложил первую волну теорию хроматической поляризации, объясняющую, почему свет расщепляется на компоненты с разными скоростями.
-
Теория интерференции и фазы
- Fresnel предложил правило фазы для объяснения интерференции.
- Правило фазы включало дополнительный сдвиг фазы на 180° для одной из волн.
- Правило было слабым местом теории, но уточняло, какая из волн инвертирована.
-
Применение теории к хроматической поляризации
- Fresnel применил теорию к случаю с двумя пластинками, разделенными на 45°.
- Получил результаты, согласующиеся с его собственными экспериментами, но не с экспериментами Biot.
- Предсказал, что цвета будут комплементарными, что подтвердилось экспериментами.
-
Критика и ответ Biot
- Biot утверждал, что формулы Fresnel не объясняют его эксперименты.
- Fresnel ответил, что его формулы могут быть переписаны как формулы Biot, но с другими обозначениями.
- Biot продолжал настаивать на эмпирической ошибке в формулах Fresnel.
-
Прорыв: чистые поперечные волны
- Fresnel предположил, что свет может быть чисто поперечным.
- Young независимо пришел к той же идее.
- Fresnel объяснил отсутствие интерференции и фазу-инверсию чисто поперечными волнами.
-
Публикация и признание
- Fresnel опубликовал свою теорию в 1821 году.
- Теория объяснила интерференцию и фазу-инверсию, а также природу естественного света.
- Fresnel стал признанным лидером в теории интерференции и поляризации света.
-
Введение поперечных волн
- Френель предположил, что колебательные движения световых волн происходят вдоль плоскости этих волн.
- Процесс поляризации заключается в разложении колебаний на два перпендикулярных направления.
-
Частичное отражение
- Френель предположил, что плотность эфира обратно пропорциональна квадрату скорости волны.
- Разложил поперечные колебания на s и p компоненты, параллельные поверхности и плоскости падения.
- Получил формулы для коэффициентов отражения s и p.
-
Круговая и эллиптическая поляризация
- Ввел термины линейная, круговая и эллиптическая поляризация.
- Объяснил оптическое вращение как разновидность двойного лучепреломления.
- Пересмотрел различие между поляризованным и неполяризованным светом.
-
Полное внутреннее отражение
- Френель заново открыл эффект полного внутреннего отражения.
- Обнаружил, что полное отражение создает разность фаз между компонентами.
- Ввел ромб Френеля для имитации оптического вращения.
-
Связь между оптическим вращением и двойным лучепреломлением
- Объяснил связь между оптическим вращением и двойным лучепреломлением.
- Количественно определил фазовые сдвиги при полном внутреннем отражении.
-
Двойное лучепреломление
- Свет проходит через срез кальцита, демонстрируя концентрические кольца.
- Большинство минералов имеют более сложную структуру колец, включая лемнискатную кривую.
- Брюстер объяснил, что минералы с лемнискатным узором имеют более сложный закон преломления.
-
Теория Гюйгенса и Малюса
- В однородном кристалле вторичный волновой фронт является поверхностью лучевой скорости.
- В кальците поверхность состоит из сферы и сплюснутого сфероида.
- Малюс предложил закон скорости, основанный на теории Гюйгенса.
-
Законы Био
- Био предложил обобщения правил Малюса для двухосных кристаллов.
- Закон скорости заменен произведением синусов углов от луча к осям.
- Закон поляризации заменен плоскостью, разделяющей двугранный угол.
-
Первые мемуары Френеля
- Френель показал, что ни одно из преломлений не является обычным в двухосных кристаллах.
- Френель применил закон двухосной скорости для кальцита.
- Френель вывел синусоидальный закон Био, заменив лучевые скорости их обратными величинами.
-
Поверхность упругости
- Френель получил поверхность 4-й степени, дающую значения нормальных к волне скоростей и направления колебаний.
- Френель сохранил эллипсоид как приближение для двугранного закона Био.
- Френель рассмотрел возможность получения «волновой поверхности» для двухосного случая.
-
Второе дополнение Френеля
- Френель использовал два факта: «волновая поверхность» является поверхностью лучевой скорости и пересекается окружностью и эллипсом.
- Френель обнаружил, что «волновая поверхность» описывается уравнением 4-й степени.
- Френель смоделировал среду как массив точечных масс и подтвердил существование трех взаимно перпендикулярных осей.
-
Вторые мемуары (1822-26)
- Френель представил более компактную и запоминающуюся форму уравнения «волновой поверхности».
- Френель отметил, что в двухосном кристалле направления с одной нормальной к волне скоростью отличаются от направлений с одной лучевой скоростью.
-
Развитие теории Френеля
- Френель представил свою теорию в 1824 году, но она была опубликована только в 1827 году.
- В своей работе он установил три перпендикулярные оси, на которых смещение вызывает параллельную реакцию.
- Он показал, что закон Биота точен при условии, что бинормали являются оптическими осями, а направление волны — направлением распространения.
-
Влияние на других ученых
- Френель обсуждал свои идеи с Коши, который позже разработал первую строгую теорию упругости неизотропных тел.
- Коши пытался применить свою теорию к оптике, но столкнулся с трудностями.
- Модель Френеля не была динамически строгой, но позволяла генерировать формулы для оптических явлений.
-
Фотоупругость и эксперименты
- В 1815 году Брюстер обнаружил, что цвета появляются при механическом напряжении изотропного материала.
- В 1822 году Френель подтвердил это явление, сжав комбинацию стеклянных призм.
- Он предсказал, что при замене призм на монокристаллические кварцевые призмы с оптическими осями, параллельными ряду, объект будет давать два изображения с перпендикулярными поляризациями.
-
Реакция и признание
- В 1821 году Френель опубликовал статью «О свете», которая была переведена на несколько языков.
- В 1822 году Академия наук назначила Ампера, Араго, Фурье и Пуассона для рассмотрения его работ.
- Лаплас высоко оценил работу Френеля, но Пуассон не принял его теорию.
-
Принятие теории
- В Париже большинство физиков приняли теорию Френеля, включая Пуайе, Савара, Ламе, Навье, Лиувилля и Коши.
- В Великобритании теория была принята Эйри и другими, за исключением Брюстера.
- В Германии теория была принята Фраунгофером и Нейманом.
-
Экономичность и простота
- Уильям Уэвелл подчеркнул экономичность волновой теории, отметив, что она объясняет множество явлений с помощью одной гипотезы.
- В 1850 году эксперименты Фуко и Физо подтвердили волновую теорию, что не стало неожиданностью.
-
Френелевская линза
- Френель не был первым, кто использовал линзу для фокусировки света, но его теория стала основой для современных линз.
-
История линз для маяков
- Томас Роджерс установил первые линзы в 1789 году.
- В 1804 году линзы были установлены в нескольких местах.
- Свет терялся из-за поглощения в стекле.
-
Предпосылки и ранние предложения
- Граф Бюффон предложил использовать призмы в 1748 году.
- Маркиз де Кондорсе предложил использовать отдельные призмы в 1790 году.
- Бьюстер предложил аналогичную систему в 1811 году.
-
Работа Френеля
- В 1819 году Френель представил линзы с призмами.
- В 1820 году был создан прототип линзы.
- В 1821 году линза была продемонстрирована на публике.
-
Развитие и усовершенствования
- В 1822 году линза была установлена на Арке де Триумф.
- В 1823 году была зажжена первая линза Френеля.
- В 1824 году Френель стал секретарем Комиссии по маякам.
-
Основные достижения
- В 1825 году Френель разработал фиксированную линзу.
- В 1825 году предложил заменить зеркала на призмы.
- В 1836 году была установлена первая линза с торроидальными призмами.
-
Признание и награды
- В 1819 году Френель был избран в Société Philomathique de Paris.
- В 1823 году стал членом Академии наук.
- В 1825 году стал иностранным членом Королевского общества Лондона.
-
Наследие и память
- В 1884 году был открыт памятник Френелю.
- В 19 веке каждый маяк во Франции получил бюст Френеля.
- Лунные кратеры Promontorium Fresnel и Rimae Fresnel названы в его честь.
-
Здоровье и последние годы
- Здоровье Френеля ухудшилось зимой 1822-1823 годов, что ускорило его исследования.
- В 1824 году ему посоветовали снизить активность из-за туберкулеза.
- В 1825 году он завершил свои научные записи и прекратил исследования.
- В 1826 году он продолжал отвечать на вопросы по волновой теории.
- В 1827 году его здоровье ухудшилось, и он умер 14 июля.
-
Посмертные публикации
- Второй мемуар о двойном преломлении был опубликован в 1827 году.
- Окончательное рассмотрение частичного отражения и полного внутреннего отражения было опубликовано в 1831 году.
- Мемуар о параллелепипедной форме ромба Френеля был опубликован в 1846 году.
- Большинство работ Френеля по поляризованному свету были опубликованы в 1866 году.
-
Незаконченные работы
- Френель предложил гипотезу о движении эфира, объясняющую рефракцию звездного света.
- Он также предположил, что дисперсия может быть объяснена силами между частицами среды.
- Его работы по конической рефракции были упрощены другими учеными.
-
Наследие
- Более 10,000 фонарей с линзами Френеля защищают жизни и имущество по всему миру.
- Френель считается ключевой фигурой между Ньютоном и Максвеллом в истории физической оптики.
-
Вклад Френеля в оптику
- Френель разработал первую когерентную теорию света, применимую к различным типам волн.
- Его методы были использованы для объяснения многих оптических явлений.
-
Сравнение с другими учеными
- Френель сравнивается с Ньютоном и другими великими учеными.
- Его вклад в оптику признан наравне с работами Максвелла и Эйнштейна.
-
Ревизии теории света
- Максвелл уточнил физические поля, составляющие волны света.
- Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, предположив квантование энергии света.
-
Наследие Френеля
- Френель остается доминирующей фигурой в оптике, несмотря на последующие изменения в теории света.
- Его работы продолжают влиять на современные оптические исследования.
-
Мемуары о новой системе освещения маяков
- Перевод Т.
- Общество маяков, дата обращения: 26 августа 2017 г.; 19 августа 2016 г.
-
Воспоминания о двойном преломлении
- Френель, 1827, «Воспоминания о двойном преломлении», Воспоминания Королевской академии наук Института Франции, том II. VII (за 1824 год, напечатано в 1827 году), стр. 45-176; переиздано как «Вторая записка…» во Френеле, 1866-70, том II. 2, стр. 479-596; перевод А.В. Хобсон в «Мемуарах о двойном лучепреломлении», Тейлор, 1852, стр. 238–333.
-
Полные произведения Августина Френеля
- Френеля (под ред. Н. де Сенармон, Э. Верде и Л. Френель), 1866-70, «Полные произведения Августина Френеля» (3 тома), Париж: Imprimerie Impériale; вып. 1 (1866), вып. 2 (1868), вып. 3 (1870).
-
Свертки во французской математике
- Grattan-Guinness, 1990, Свертки во французской математике, 1800-1840, Базель: Birkhäuser, vol. 2, ISBN 3-7643-2238-1, глава 13 (стр. 852-915, «Вступление Френеля: физическая оптика, 1815-1824») и глава 15 (стр. 968-1045, «Вступление Навье и триумф Коши: теория упругости, 1819-1830»).
-
Путь люмьера
- Гюйгенс, 1690, «Путь люмьера» (Лейден: Ван дер Аа), перевод С.П. Томпсон в книге «Трактат о свете», издательство Чикагского университета, 1912; Проект «Гутенберг», 2005.
-
Основы оптики
- Ф.А. Дженкинс и его превосходительство. Уайт, 1976, Основы оптики, 4-е изд., Нью-Йорк: McGraw-Hill, ISBN 0-07-032330-5.
-
История принципа интерференции света
- Кипнис, 1991, История принципа интерференции света, Базель: Биркхойзер, ISBN 978-3-0348-9717-4, главы VII, VIII.
-
Христианство и лидеры современной науки
- Неллер (тр. T.M. Кеттл), 1911, Христианство и лидеры современной науки: вклад в историю культуры девятнадцатого века, Фрайбург-им-Брайсгау: Б. Гердер, стр. 146–149.
-
Тень просвещения
- Левитт, 2009, Тень просвещения: оптическая и политическая прозрачность во Франции, 1789-1848, Оксфорд, ISBN 978-0-19-954470-7.
-
Короткая яркая вспышка
- Левитт, 2013, Короткая яркая вспышка: Огюстен Френель и рождение современного маяка, Нью-Йорк: У.У. Нортон, ISBN 978-0-393-35089-0.
-
Отчет о прогрессе и современном состоянии физической оптики
- Ллойд, 1834, «Отчет о прогрессе и современном состоянии физической оптики», Отчет о Четвертой встрече Британской ассоциации содействия развитию науки (состоявшейся в Эдинбурге в 1834 году), Лондон: Дж. Мюррей, 1835, стр. 295–413.
-
Принципы физической оптики
- Мах (тр. J.S. Андерсон и А.Ф.А. Янг), «Принципы физической оптики: историческая и философская трактовка», Лондон: Methuen & Co., 1926.
-
Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибах и цветах света
- Ньютон, 1730, «Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибах и цветах света», 4-е изд. (Лондон: Уильям Иннис, 1730; Проект «Гутенберг», 2010); переиздано с предисловием А. Эйнштейн и введение Э.Т. Уиттакер (Лондон: George Bell & Sons, 1931); переиздано с дополнительным предисловием И.Б. Коэна и аналитическое оглавление Д.Х.Д. Роллер, Минеола, Нью-Йорк: Дувр, 1952, 1979 (с пересмотренным предисловием), 2012.
-
Огюстен Френель и создание волновой теории света
- Силлиман, 1967, Огюстен Френель (1788-1827) и создание волновой теории света (докторская диссертация, 6 + 352 стр.), Принстонский университет, представлена в 1967 году, принята в 1968 году; доступна по запросу (отсутствует первая страница предисловия).
- Силлиман, 2008, «Френель, Огюстен Жан», Полный научно-биографический словарь, Детройт: Сыновья Чарльза Скрибнера, том 1.5, стр. 165–171.
-
Научные мемуары
- Тейлор (ред.), 1852, Научные мемуары, избранные из трудов зарубежных академий наук и научных обществ, а также из иностранных журналов (на английском языке), том II. V, Лондон: Тейлор и Фрэнсис.
-
История индуктивных наук
- Уэвелл, 1857, «История индуктивных наук: с древнейших времен до наших дней», 3-е изд., Лондон: Дж. Parker & Son, вып. 2, книга IX, главы V–XIII.
-
История теорий эфира и электричества
- Уиттакер, 1910, «История теорий эфира и электричества: от эпохи Декарта до конца девятнадцатого века», Лондон: Лонгманс, Грин и компания, главы IV, V.
-
Френель, Пуассон и белое пятно
- Уоррелл, 1989, «Френель, Пуассон и белое пятно: роль успешных предсказаний в принятии научных теорий», Архивировано 2 июня 2023 года в The Wayback Machine, Д. Гудинг, Т. Пинч, и С. Шаффер (ред.), «Использование эксперимента: исследования в области естественных наук», издательство Кембриджского университета, ISBN 0-521-33185-4, стр. 135–157.
-
Курс лекций по натурфилософии и механическим искусствам
- Янг, 1807, Курс лекций по натурфилософии и механическим искусствам (2 тома), Лондон: Дж. Джонсон; вып. 1, вып. 2.
- Молодой (изд. G. Peacock), 1855, «Разные работы покойного Томаса Янга», Лондон: Дж. Мюррей, том ii. 1.