10. 5. 1788–14. 7. 1827
Francouzský fyzik a inženýr Augustin‑Jean Fresnel se narodil 10. května 1788 v Broglie v Normandii. Patří k nejvýznamnějším osobnostem fyzikální optiky. Jeho práce zásadně přispěla k přijetí vlnové teorie světla a k výkladu jevů, které korpuskulární teorie nedokázala uspokojivě vysvětlit.
Fresnel studoval na École polytechnique (1804–1806) a poté na École nationale des ponts et chaussées. Profesně působil jako stavební inženýr ve francouzském Corps des Ponts et Chaussées (Sboru mostů a cest) – postupně v departmentech Vendée, Drôme a Ille-et-Vilaine. Vedle technické praxe se stále více věnoval optice, zejména interferenci, difrakci a polarizaci světla.
Vlnová teorie světla
Fresnel navázal na práci Christiaana Huygense a Thomase Younga. Vlnovou teorii světla rozpracoval matematicky a ukázal, že pomocí skládání světelných vln lze vysvětlit difrakční obrazce, které vznikají za hranami, otvory nebo překážkami.
Jeho práce sehrála důležitou roli v době, kdy mezi fyziky stále silně působila Newtonova korpuskulární představa světla. Fresnelovy výpočty a experimenty ukázaly, že světlo se v mnoha optických jevech chová jako vlna. Tím pomohl proměnit optiku z převážně geometrického popisu paprsků v obor, který pracuje s vlněním, interferencí a polarizací.
Proč má Fresnel místo mezi fyziky
Fresnel má na webu o fyzice důležité místo proto, že jeho práce spojila přesné experimenty s matematickým popisem vlnění. Nešlo jen o vylepšení jedné optické pomůcky: Fresnelovy výsledky ukázaly, jak lze světlo popsat pomocí vln, jejich skládání a polarizace.
Jeho přínos stojí mezi starší geometrickou optikou a pozdější elektromagnetickou teorií světla, kterou rozvinul James Clerk Maxwell. Fresnel tak patří k osobnostem, které připravily půdu pro moderní fyzikální optiku, fotoniku a vlnový popis záření.
Difrakce a Huygensův–Fresnelův princip
Jedním z hlavních Fresnelových přínosů byl výklad difrakce, tedy ohybu světla za překážkami a na okrajích otvorů. Fresnel spojil Huygensovu představu elementárních vlnoploch s Youngovým principem interference a vytvořil kvantitativní výklad šíření světla.
Tento přístup je dnes známý jako Huygensův–Fresnelův princip. Každý bod vlnoplochy lze chápat jako zdroj elementárních vln a výsledné světelné pole vzniká jejich skládáním. Princip se používá při výkladu difrakce, šíření vln a v technických úlohách, kde se uplatňují Fresnelovy zóny.
Ve fyzice a optice se s jeho jménem setkáváme také u pojmů Fresnelovo číslo, Fresnelovy integrály a Fresnelova difrakce. Tyto pojmy pomáhají popsat, kdy je nutné počítat s vlnovou povahou světla a kdy stačí jednodušší geometrická aproximace.
Poissonova skvrna a vítězství vlnové teorie
Na rok 1819 vyhlásila Académie des Sciences soutěž o nejlepší práci o difrakci. Fresnel se přihlásil rozsáhlým memoárem (podaným už v roce 1818), v němž matematicky rozpracoval vlnový popis difrakce. V porotě převažovali zastánci Newtonovy korpuskulární teorie – François Arago, Pierre-Simon Laplace, Jean-Baptiste Biot, Joseph Louis Gay-Lussac a Siméon Denis Poisson.
Poisson z Fresnelovy teorie odvodil zdánlivě absurdní důsledek: za malou kruhovou neprůsvitnou překážkou by se uprostřed jejího stínu mělo objevit jasné světlé místo. Považoval to za vyvrácení vlnové teorie. Arago však pokus skutečně provedl a předpověděnou světlou skvrnu pozoroval; vlnová teorie tak získala silnou experimentální oporu a Fresnel cenu Académie získal. Tento jev je dnes paradoxně znám pod jménem svého kritika jako Poissonova skvrna (nebo také Aragova skvrna).
Polarizace a Fresnelovy rovnice
Fresnel se významně zabýval také polarizací světla. Kolem roku 1817 dospěl spolu s Thomasem Youngem k představě, že světelné vlny mají příčný charakter. Tím se podařilo vysvětlit jevy, které se pro podélné vlnění obtížně vykládaly, zejména dvojlom v islandském vápenci (kalcitu) a chování polarizovaného světla na optických rozhraních.
Jeho jméno nesou Fresnelovy rovnice, které popisují odraz a lom světla na rozhraní dvou prostředí. Ukazují, jak se světlo rozdělí na odraženou a prošlou část a jak tento poměr závisí na úhlu dopadu, indexech lomu a polarizaci. Tyto vztahy mají význam v optice, fotonice, zobrazovací technice i při návrhu antireflexních vrstev a optických soustav.
Fresnelova čočka
Fresnel je známý také praktickým technickým řešením pro majáky. Po jmenování do francouzské majákové komise v roce 1819 navrhl stupňovitou čočku, která soustřeďuje světlo podobně jako silná spojná čočka, ale při mnohem menší tloušťce a hmotnosti. První Fresnelova čočka byla v roce 1822 instalována v majáku Cordouan v ústí řeky Gironde a poskytla nesrovnatelně silnější světelný signál než dosavadní zrcadlové soustavy.
Fresnelova čočka umožnila účinnější světelnou signalizaci na pobřeží a výrazně se uplatnila v majácích. Její kruhové prstence nahrazují část běžné čočky tak, aby se zachoval optický účinek a současně se snížila hmotnost materiálu. Princip stupňovité čočky se později využil také v dalších optických zařízeních, například v projekční technice, lupách, svítidlech nebo senzorech.
Ocenění a uznání
Augustin‑Jean Fresnel patří mezi zakladatele moderní vlnové optiky. Jeho práce pomohla prosadit vlnovou povahu světla, vysvětlila difrakci a polarizaci a přinesla prakticky významnou Fresnelovu čočku. Přestože po něm není pojmenována jednotka SI, jeho jméno nese řada základních optických pojmů a vztahů.
V roce 1819 získal Velkou cenu Académie des Sciences za práci o difrakci, roku 1823 byl jednomyslně zvolen jejím členem. V roce 1824 mu byl udělen Řád čestné legie a v roce 1825 se stal členem britské Royal Society, která mu krátce před smrtí (v roce 1827) udělila Rumfordovu medaili za výzkum vlnové teorie a polarizovaného světla. Jeho jméno je mezi dvaasedmdesáti francouzskými vědci a inženýry vyrytými na Eiffelově věži v Paříži.
Fresnel celý život bojoval s chatrným zdravím a v posledních letech ho stále více vyčerpávala tuberkulóza. Zemřel 14. července 1827 ve Ville‑d'Avray u Paříže ve věku 39 let a byl pochován na hřbitově Père Lachaise. Jeho práce ovlivnila fyzikální optiku 19. století a zůstává součástí výuky světla, vlnění, interference, difrakce a polarizace.
Použity zdroje publikované na serverech Britannica, Institut Fresnel a MacTutor History of Mathematics.
Souvislosti
- Augustin‑Jean Fresnel – Britannica
- Augustin Fresnel – Institut Fresnel
- Augustin Fresnel – MacTutor History of Mathematics
- Diffraction – Britannica
- Fresnel lens – Britannica
Pojmenováno po něm
- Fresnelova čočka – stupňovitá čočka využívaná v majácích a dalších optických zařízeních
- Fresnelovy zóny – oblasti používané při výkladu difrakce a šíření vln
- Fresnelovy rovnice – vztahy popisující odraz a lom světla na rozhraní prostředí
- Huygensův–Fresnelův princip – vlnový výklad šíření světla
- Fresnelovo číslo – bezrozměrná veličina používaná při rozlišení Fresnelovy a Fraunhoferovy difrakce
- Fresnelovy integrály – matematické funkce objevující se ve výpočtech difrakce
- Fresnelova difrakce – popis difrakce v blízkém poli
Časté otázky
- Čím se Fresnel nejvíce proslavil?
- Ve fyzice především matematickým rozpracováním vlnové optiky, výkladem difrakce a polarizace a Fresnelovými rovnicemi. V technické praxi je znám také Fresnelovou čočkou.
- Proč je Fresnelova čočka lehčí než běžná čočka?
- Je rozdělena do soustředných stupňů. Odstraní se tak velká část skla, která by u běžné silné čočky jen zvětšovala hmotnost, ale optický účinek se z velké části zachová.
- Co popisují Fresnelovy rovnice?
- Popisují, kolik světla se na rozhraní dvou prostředí odrazí a kolik projde dál. Výsledek závisí na úhlu dopadu, indexech lomu a polarizaci světla.
- Jak souvisí Fresnel s Huygensem a Youngem?
- Navázal na Huygensovu vlnovou představu a Youngovu interferenci. Tyto myšlenky spojil s matematickým výkladem, který dokázal popsat difrakční jevy.
Navazující osobnosti na webu
- Christiaan Huygens – vlnová představa světla
- Thomas Young – interference světla
- Isaac Newton – korpuskulární představa světla a klasická mechanika
- James Clerk Maxwell – elektromagnetická teorie světla