Augustin Fresnel

Augustin-Jean Fresnel (1788–1827)  var en fransk ingeniør og fysiker som hadde stor betydning for etableringen av moderne optikk. Ved både teoretiske betraktninger og eksperimentelle undersøkelser viste han at lys består av transverse bølger som gir opphav til dets polarisasjon og dobbeltbrytning. Han studerte interferens under forskjellige forhold og gjorde Huygens prinsipp for lysets utbredelse mer presist. Dette gjorde han bruk av til å utvikle en matematisk beskrivelse av diffraksjon.

Basert på sine optiske studier lyktes han å konstruere det som nå kalles Fresnel-linser. De ga mye kraftigere lys til fyrlykter og har på den måten reddet mange skip og menneskeliv. Fresnel var en religiøs person og var plaget av mye sykdom. Han døde 39 år gammel.

Biografi
Faren var arkitekt og arbeidet ved slottet til hertugen av Broglie som ligger mellom Caen og Rouen. Der ble Augustin Fresnel født i 1788. For å komme bort fra urolighetene rundt den franske revolusjon, flyttet familien snart tilbake til hjembyen Mathieu som ligger nord for Caen. Der vokste han opp
og fikk sin første skolegang hjemme hos foreldrene. De var strengt religiøse jansenitter. Den unge Fresnel utviste ingen spesielle evner og lærte seg først å lese da han var åtte år gammel. Encyclopedia Britannica 11th edition, Augustin Jean Fresnel, University of Cambridge, England (1911). Online 

Da han ble tretten år, begynte han ved École Centrale i Caen sammen med en bror. Her mislikte han de klassiske fagene, men ble begeistret av å lære matematikk og viste snart gode evner på dette feltet. Etter fire år der ble han i 1804 opptatt ved École polytechnique i Paris hvor han utmerket seg som en av de beste studentene. Denne perioden ble etterfulgt av mer spesialiserte studier ved École nationale des ponts et chaussées som ingeniør. Han var ferdig utdannet der i 1809 og tok opp arbeid som veiingeniør flere steder i Frankrike. 

Parallelt med dette praktiske arbeidet begynte han å ta interesse i kjemiske  problem og  spesielt spørsmål rundt kalorikk som en teori for varme. Fresnel fant den lite overbevisende da han mente at en slik teori også måtte passe inn med forståelsen av lys. Begge fenomen ville han heller forklare som svingninger i en mekanisk eter. Han skrev til Ampère om slike «drømmerier» og fikk på den måten i 1814 kontakt med François Arago. Dette var begynnelsen på et langt samarbeide og vennskap. J.Z. Buchwald, The Rise of the Wave Theory of Light, The University of Chicago Press, Chicago (1989). ISBN 0-226-07886-8.

Da Napoleon kom tilbake fra sitt eksil på Elba i 1815, ble Fresnel midlertidig fratatt sin stilling i veivesenet da han i mellomtiden hadde støttet rojalistene. Han flyttet da tilbake til sin mor i hjembyen Mathieu. Det var på den tiden han begynte å utvikle sin teori for lys som han samtidig testet ut ved egne eksperiment. På den måten kom han frem til en mer nøyaktig beskrivelse av diffraksjon. Etter at Napoleon var ute av bildet, fikk han tilbake sin jobb i veivesenet og flyttet til Paris hvor han ble resten av livet.

Hans optiske undersøkelser ble etterhvert så anerkjent at han i 1818 mottok en store pris fra det franske vitenskapsakademiet  hvor han også ble innvalgt som medlem i 1823. Dette skyldtes til en viss grad også den brede berømmelse han fikk etter å ha utformet de første Fresnel-linser til bruk i fyr. Fresnel ble innvalgt i Royal Society i 1825 og mottok Rumford-medaljen i 1827. Dette var samme år som han døde av tuberkulose.

Vitenskapelige bidrag

Da Fresnel begynte å studere i Paris, var det dominerende syn på lysets egenskaper at det består av stråler med små partikler eller korpuskler som Newton hadde omtalt dem. Grimaldi hadde tidligere argumentert for at lys er en bølgebevegelse. Huygens hadde videreført denne muligheten og dermed gitt en forklaring både av vanlig lysbrytning og dobbeltbrytning i krystaller. Men i Frankrike på Fresnels tid var det få som tenkte i slike baner, mye fordi det da ville være vanskelig å forstå hvorfor lys gir skygger med skarpe kanter, mens lys kan bevege seg rundt hjørner. Selv om Thomas Young i England nylig hadde vist at hans dobbeltspalteeksperiment støttet en bølgeteori, hadde det tilsynelatende hatt liten effekt. At de to landene på den tid var i krig med hverandre, kan være en del av forklaringen. G. Holton and S.G. Brush, Physics, the Human Adventure, Rutgers University Press, New Brunswick, New Jersey (2001). ISBN 0-8135-2908-5.

Interferens
Fresnel begynte sine eksperimentelle undersøkelser av egenskapene til lys under sitt midlertidige oppold i Mathieu fra 1815. Med enkelt, selvlaget  utstyr påviste han hvordan lys ble avbøyd bak tynne tråder og rundt hjørner. I de geometriske skyggene kunne han observere mørke og lyse striper som han snart  prøvde å gi en teoretisk forklaring basert på idéen om at lys var en mekanisk bølgebevegelse i en eter. Matematisk kunne han kombinere to slike bølger med en viss faseforskyvning til en ny bølge på samme vis som for addisjon av krefter ved bruk av parallellogramloven. Det tilsvarer   dagens bruk av fasevektorer for bølger og andre typer svingning.

Under denne tiden ble Fresnel i sitt arbeid støttet av François Arago i Paris. Han ble på den måten klar over at Thomas Young i London hadde kommet frem til en lignende beskrivelse av lys flere år tidligere. Men Fresnel lot seg ikke stoppe og skrev sammen en første rapport  i 1816 om sine resultat som Arago hjalp til med å få publisert i Annales de chimie et de physique.

Korpuskelteoretikerne kunne ikke forklare forskjelllige diffraksjonsmønstre like enkelt som Fresnel ved konstruktiv og destruktiv interferens av bølger. De mente i stedet at mønstrene måtte skyldes kollisjoner mellom korpusklene og vanlige partikler i materialet til diffraktoren. Men denne forklaringen kunne Fresnel snart motbevise med sitt dobbeltspeil, Med det kunne han gjenta Youngs dobbeltspalteeksperiment uten de mekaniske spaltene. De ble her erstattet med to virtuelle spalter som fremkommer ved speiling  av én og samme spalte. Resultatet ble helt likt med interferensmønsteret som i Youngs opprinnelige eksperiment. F. A. Jenkins and H. E. White, Fundamentals of Optics, McGraw-Hill Book Company, New York (1957).

Mens Arago var blitt mer positiv til Fresnels bølgeteori, var andre, ledende fysikere som Biot, Poissson og Laplace fremdeles skeptiske. I et forsøk på å komme frem til en endelig avklaring utlyste vitenskapsakademie i 1817 en konkurranse om en Grand Prix til den som kunne skrive den beste avhandling om lysets egenskaper. Innleveringsfristen var 1. august, 1818.

Diffraksjon

Med det matematiske apparat for interferens mellom  diskrete lysbølger prøvde Frresnel å forklare  forskjellige diffraksjonsmønstre. Bak for eksempel en tynn tråd kunne lyse og mørke striper i den geometriske  skyggen oppstå ved å kombinere bølger fra de to kantene til trden. Utenfor denne skyggen kunne et lignendee mønster  oppstå på samme vis ved interferens mellom den direkte bølgen fra lyskilden og bølgen fra den nærmeste kanten. Resultatet av slike teoretiske betraktninger kunne han sammenligne  med egne observasjoner av mønsterets variasjon med diffraktorens størrelse og dens avstand til lyskilden og skjermen hvor det observeres.

Under dette arbeidet ble Fresnel klar over at Huygens prinsipp for utbredelse av bølger kunne danne grunnlaget for en mer grunnleggende teori for diffraksjon. Da skiller man ikke lenger mellom direkte bølger fra lyskilden eller indirekte bølger fra diffraktorens kanter. Derimot er den resulterende bølgen på et vilkårlig sted i rommet bestemt av bølgefronten på et  tidligere tidspunkt når det derfra i hvert punkt sendes ut mindre kulebølger som så vil interferere med hverandre. Dette kunne han sammenfatte i en kompakt, matematisk formel som kan brukes i det generelle tilfellet. Ved å anvende denne formuleringen på en smal spalte eller tynn tråd kunne han uttrykke den resulterende bølgeamplituden ved spesielle, nye funksjoner. De omtales i dag som Fresnel-integral og har også fått betydning i andre sammenhenger. E. Hecht, Optics, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts (1998). ISBN 0-201-30425-2.


Den innleverte avhandllngen viste hvordan denne nye teorien kunne forklare diffraksjonsmønstre som skyldtes avbøyning av lyset fra gjenstander med rette kanter. Fresnel kunne også gi en enklere beskrivelse i dette tilfelle ved innføring av det som nå kalles Fresnel-soner. De er områder på den innkommende bølgefronten som er bestemt ved at  faseforskyvningen mellom sekundærbølgene fra to nærliggende soner er en halv bølgelengde.

Arbeidet til Fresnel hadde tittelen  Mémoire sur la diffraction de la lumière og bar mottoet «Natura simplex et fecunda» (Naturen er enkel og fruktbar). Det ble vurdert av en komité bestående av Biot, Poisson, Laplace og Gay-Lussac med Arago som formann. Selv om de tre første var generelt motstandere av bølgeteorier for lys, var arbeidet likevel så overbevisende at Fresnel ble utnevnt til vinner av konkurransen. Dette skjedde først etter at Poisson hadde oppdaget at teorien ga det tilsynelatende absurde resultat at det midt i skyggen bak en sirkulær, belyst disk vil det alltid opptre et lite, lysende punkt. Men Arago kunne ganske raskt påvise i et eksperiment at dette virkelig er tilfelle og dermed støttet Fresnels teori. Siden er dette fenomenet blitt omtalt som Poissons flekk selv om kanskje heller Arago burde få æren for den.

Se også

 Interferens
 Diffraksjon
 Fresnel-sone
 Fresnel-linse
 Poissons flekk
 Fresnels formler

 Referanser 

Eksterne lenker

 R.H. Silliman, Augustin Jean Fresnel, Encyclopedia.com 
 Youtube, Augustin Fresnel 1788-1827 Génie de la lumière
 MacTutor, Augustin Jean Fresnel, University of St. Andrews, Skottland

Kategori:Franske fysikere
Kategori:Medlemmer av Royal Society
Kategori:Medlemmer av Det franske vitenskapsakademiet
Kategori:Personer fra departementet Eure