Augustin-Jean Fresnel

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Augustin-Jean Fresnel (/freɪˈnɛl/, fray-NEL; French: [%C9%94.%C9%A1y.st%C9%9B%CC%83 ʒɑ̃ fʁɛ.nɛl]; 10 May 1788 – 14 July 1827) was a French civil engineer and physicist whose research in optics led to the almost unanimous acceptance of the wave theory of light, excluding any remnant of Newton's corpuscular theory, from the late 1830s  until the end of the 19th century.

But he is perhaps better known for inventing the catadioptric (reflective/refractive) Fresnel lens and for pioneering the use of "stepped" lenses to extend the visibility of lighthouses, saving countless lives at sea. The simpler dioptric (purely refractive) stepped lens, first proposed by Count Buffon  and independently reinvented by Fresnel, is used in screen magnifiers and in condenser lenses for overhead projectors.

By expressing Huygens' principle of secondary waves and Young's principle of interference in quantitative terms, and supposing that simple colors consist of sinusoidal waves, Fresnel gave the first satisfactory explanation of diffraction by straight edges, including the first satisfactory wave-based explanation of rectilinear propagation. Part of his argument was a proof that the addition of sinusoidal functions of the same frequency but different phases is analogous to the addition of forces with different directions. By further supposing that light waves are purely transverse, Fresnel explained the nature of polarization and lack thereof, the mechanism of chromatic polarization (the colors produced when polarized light is passed through a slice of doubly-refractive crystal followed by a second polarizer), and the transmission and reflection coefficients at the interface between two transparent isotropic media (including Brewster's angle). Then, by generalizing the direction-speed-polarization relation for calcite, he accounted for the directions and polarizations of the refracted rays in doubly-refractive crystals of the biaxial class (those for which Huygens' secondary wavefronts are not axisymmetric). The period between the first publication of his pure-transverse-wave hypothesis and the submission of his first correct solution to the biaxial problem was less than a year. Later, he coined the terms linear polarization, circular polarization, and elliptical polarization, explained how optical rotation could be understood as a difference in propagation speeds for the two directions of circular polarization, and (by allowing the reflection coefficient to be complex) accounted for the change in polarization due to total internal reflection, as exploited in the Fresnel rhomb. Defenders of the established corpuscular theory could not match his quantitative explanations of so many phenomena on so few assumptions.

Fresnel's legacy is the more remarkable in view of his lifelong battle with tuberculosis, to which he succumbed at the age of 39.

Although he did not become a public celebrity in his short lifetime, Fresnel lived just long enough to receive due recognition from his peers, including (on his deathbed) the Rumford Medal of the Royal Society of London, and his name is ubiquitous in the modern terminology of optics and waves. Inevitably, after the wave theory of light was subsumed by Maxwell's electromagnetic theory in the 1860s, some attention was diverted from the magnitude of Fresnel's contribution. In the period between Fresnel's unification of physical optics and Maxwell's wider unification, a contemporary authority, Professor Humphrey Lloyd, described Fresnel's transverse-wave theory as "the noblest fabric which has ever adorned the domain of physical science, Newton's system of the universe alone excepted." 

Augustin Jean Fresnel, né le 10 mai 1788 à Broglie et mort le 14 juillet 1827 à Ville-d'Avray, est un ingénieur et physicien français dont les recherches en optique ont conduit à l'acceptation définitive de la théorie ondulatoire de la lumière en remplacement de la théorie balistique qui s'était imposée depuis Newton. En s'appuyant sur les concepts émis par Christian Huygens à la fin du xviie siècle, et en procédant à ses propres expériences, il retrouva indépendamment les observations faites quelques années plus tôt par Thomas Young sur les interférences et leur donna les fondements physiques et mathématiques qui emportèrent l'adhésion des physiciens de son époque.

Dans son Mémoire sur la diffraction de la lumière, Fresnel donna la première explication rationnelle du phénomène de la diffraction. Pour sa démonstration, il montra que l'addition de deux vibrations lumineuses de même fréquence pouvait être modélisée comme la composition de deux forces, c'est-à-dire de deux vecteurs, de grandeurs et directions différentes : les vecteurs de Fresnel. En reconnaissant que la lumière est composée de vibrations transversales, Fresnel a expliqué la nature de la polarisation de la lumière, la biréfringence et la polarisation circulaire.

Bien que Fresnel puisse être considéré comme un physicien théoricien ou physicien mathématicien, il n’a eu que peu de temps pour se consacrer à ses recherches fondamentales. Son métier était ingénieur des Ponts et Chaussées. À ce titre, il a apporté des améliorations considérables à la luminosité des phares en inventant les lentilles à échelons, ou lentilles de Fresnel.

Augustin Fresnel est mort à 39 ans. Malgré la brièveté de sa vie, l'excellence et l'importance de ses travaux ont tout de suite été reconnues par ses contemporains. Il a été élu membre de l'Académie des sciences de Paris en 1823, membre associé de la Royal Society en 1825 et a reçu la médaille Rumford sur son lit de mort en 1827. Humphrey Loyd, professeur de physique au Trinity College à Dublin, considérait que la théorie ondulatoire de Fresnel était « la plus noble invention qui ait jamais honoré le domaine des sciences physiques, à la seule exception du système de l'Univers de Newton. »

Famille

Augustin Jean Fresnel est né à Broglie en Normandie le 10 mai 1788, fils de Jacques Fresnel (1755-1805), architecte, et d'Augustine Mérimée (1755-1833). Augustin a un frère ainé et deux frères cadets. Louis (1786-1809) qui sera admis à l'École polytechnique, deviendra lieutenant d'artillerie et sera tué à Jaca en Espagne la veille de son 23e anniversaire. Léonor (1790-1869) deviendra ingénieur des Ponts et Chaussées et succédera à Augustin à la Commission des Phares. Il est le seul des frères Fresnel à s'être marié. Fulgence (1795-1855) deviendra linguiste, diplomate et orientaliste.

Augustin Fresnel a été très influencé par sa famille maternelle. Il était le petit fils de François Mérimée, avocat au parlement de Rouen, intendant du Maréchal de Broglie. Il était filleul de son oncle Léonor Mérimée (1757-1836), le père de l'écrivain Prosper Mérimée, qui était "élève à l'Académie royale de peinture" au moment de son baptême. C'est donc cet oncle-parrain qui l'a soutenu après la mort de son père en 1805. À cette époque, Léonor Mérimée cesse son activité d'artiste peintre pour se consacrer à l'étude de l'histoire et des techniques de peinture. Il est directeur de l'École des Beaux-Arts et professeur de dessin à l'École polytechnique. C'est lui qui mettra en relation son neveu avec François Arago au moment l'élaboration de la théorie de la diffraction de la lumière en 1815.

Il faut remarquer que la famille Fresnel était très liée au château et à la famille des princes de Broglie3. Il est très probable que Jacques Fresnel architecte, résidant à Broglie, était au service du Maréchal de Broglie et que c'est au château qu'il a fait connaissance de la fille de l'intendant qui deviendra son épouse. Lorsque la situation est devenue incontrôlable au moment de la Révolution française, la famille de Broglie a émigré, le château a été pillé et incendié. Le prince Claude Victor de Broglie, fils ainé du Maréchal, qui était député aux États Généraux et avait choisi de rester en France fut exécuté en 1794. La famille Fresnel s'est réfugiée d'abord à Cherbourg en 1790 puis, en 1794, à Mathieu, village natal de Jacques Fresnel, à quelques kilomètres au nord de Caen.

Un illustre descendant du Maréchal de Broglie, Louis de Broglie, proposera la théorie ondulatoire de la matière un siècle après que la théorie ondulatoire de la lumière ait été établie par Augustin Fresnel.

Éducation
Augustine Mérimée était une pieuse catholique et même un peu janséniste. Augustin Fresnel a donc passé son enfance et son adolescence dans une famille catholique et royaliste, marquée par les méfaits de la Révolution. Bien qu'il ait bénéficié des institutions nouvelles, l'École centrale de Caen et l'École Polytechnique, il est resté, sa vie durant, royaliste et fervent catholique.

Émile Verdet mentionne que, au début de sa carrière, « Ce n'est pas du côté de l'optique que se tournèrent d'abord ses pensées. Sous l'influence des souvenirs d'une éducation de famille où la religion avait tenu la première place, il commença à méditer sur les questions philosophiques et s'efforça de trouver une démonstration scientifique et rigoureuse de la vérité de quelques-unes des croyances qui avaient été jadis pour lui l'objet de la foi la plus ardente. »

Arago rapporte que « Madame Mérimée était douée des plus heureuses qualités du cœur et de l'esprit; l'instruction solide et variée qu'elle avait reçue dans sa jeunesse lui permit de s'associer activement pendant huit années consécutives aux efforts que faisait son mari pour l'éducation de leurs quatre enfants. Les progrès du fils ainé furent brillants et rapides. Augustin, au contraire, avançait dans ses études avec une extrême lenteur; à huit ans, il savait à peine lire. » Il semble qu'Augustin était réticent à faire des efforts de mémoire. « Il n'eut jamais aucun goût pour l'étude des langues » rapporte Arago. Mais était très friand des exercices de raisonnement, dans les sciences ou dans la pratique. Ses camarades lui avait attribué le qualificatif d' homme de génie car il était très doué pour choisir les branches d'arbres les plus adaptées pour construire des arcs et des flèches ou d'autres objets8. On peut penser que l'influence de son père, architecte, a été décisive d'une part sur le développement de ses connaissances en arithmétique et en géométrie qui lui ont permis d'entrer au collège sans difficulté et d'y briller et d'autre part sur sa capacité à penser et dessiner dans l'espace, manifeste dans ses études ultérieures sur la diffraction et la polarisation de la lumière.

En 1801, à 13 ans, Augustin rejoint son frère Louis à l’École centrale de Caen. À 16 ans et demi, il est admis à l’École polytechnique (promotion 1804). Il a des professeurs de mathématiques très compétents : Siméon-Denis Poisson, Gaspard Monge, Adrien-Marie Legendre et un répétiteur, André-Marie Ampère. Par contre, l'enseignement de physique à l'École polytechnique était très médiocre. « Fresnel n'avait pu y trouver aucune notion tant soit peu exacte des travaux de ses devanciers sur la théorie des ondes ». Il a cependant dû être instruit de la théorie de Newton sur la lumière qu'il s'appliquera à démolir. En 1814, il fait l'acquisition du Traité élémentaire de physique de René Just Haüy pour compléter ses connaissances.

En 1806, il devient élève de l’École des ponts et chaussées. Là, il apprend la topographie. Il fait partie de la génération des Arpenteurs du monde. Fresnel a arpenté méticuleusement les chemins de la lumière avec le savoir-faire qu'il a acquis à l'École des ponts. Il a fait des mesures précises de distance et d'angle et a toujours estimé la marge d'erreur dont elles étaient grevées. Il sort de l'École en 1809 avec le titre et l'emploi d'ingénieur ordinaire aspirant du Corps des Ponts et Chaussées. Il restera toute sa vie dans cette administration.

La vie de Fresnel est entièrement consacrée à sa profession et à ses recherches scientifiques. Il consacre une part de ses revenus pour acheter les instruments dont il a besoin pour ses recherches. « Les émoluments des deux positions occupées par Fresnel, ceux d'ingénieur et d'académicien auraient amplement suffi à ses modestes désirs, si le besoin des recherches scientifiques n'avaient pas été chez lui une seconde nature ; la construction et l'achat d'instruments délicats sans lesquels aujourd'hui, on ne saurait, en physique, rien produire d'exact, absorbait tous les ans une partie de son patrimoine. »

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