Маріо Льоцці
Молодий дорожній інженер Огюстен Френель (1788-1827), що приєднався Волонтером до роялистским військам, які повинні були перегородити дорогу Наполеону під час його повернення з острова Ельба, в період Ста днів був звільнений зі служби і змушений був піти в Матьє, поблизу Скарбниця. Молодий інженер, майже не обізнана в оптиці, перебуваючи в Скарбниці, присвятив себе дослідженню дифракції, маючи у своєму розпорядженні лише випадкове і примітивне експериментальне обладнання. Два мемуара, поданих ним 15 жовтня 1815 Паризької Академії наук, були першим результатом цих праць. Араго, якому разом з Пуансо доручили розглянути їх і прореферіровать, знайшов їх настільки цікавими, що добився для Френеля, який з настанням реставрації був знову прийнятий на службу, запрошення до Парижа для повторення своїх дослідів в більш сприятливих умовах.
Френель почав досліджувати тіні, що відкидаються невеликими перешкодами на шляху променів, і виявив утворення смуг не тільки зовні, але і всередині тіні, що до нього вже спостерігав Грімальді і про що промовчав Ньютон. Дослідження тіні, утвореною тонким дротом, призвело Френеля до вторинного відкриття принципу інтерференції. Його вразило, що, якщо край екрану був розташований уздовж однієї сторони дроту, внутрішні смуги зникали. Отже, подумав він відразу, раз переривання світла від одного з країв дроту призводить до зникнення внутрішніх смуг, значить, для їх освіти необхідно спільна дія променів, що приходять з обох сторін дроту. "Внутрішні облямівки не можуть утворюватися від простого змішування цих променів, тому що кожна сторона дроту окремо направляє в тінь лише безперервний потік світла, отже, облямівки утворюються в результаті перехрещення цих променів. Цей висновок, який представляє собою, так би мовити, переклад явища на зрозумілу мову, повністю суперечить гіпотезі Ньютона і підтверджує теорію коливань. Легко можна здогадатися, що коливання двох променів, які схрещуються під дуже малим кутом, можуть діяти в протилежні сторони в тих випадках, коли вузли одних хвиль відповідають пучностям інших ".
Ідея Френеля ясна з цієї цитати, хоча її формулювання недостатньо точна і була згодом виправлена самим Френелем: коливання послаблюються, коли "вузли розрідження" однієї системи променів збігаються з "вузлами ущільнення" іншої системи, і посилюються, коли обидва рухи знаходяться "в гармонії" . Загалом, прийнявши принцип інтерференції, Френель повторює шлях Юнга. Зокрема, він дає пояснення фарбуванню тонких шарів.
У Парижі Френель дізнався про досліди Юнга з двома отворами, які, на його думку, були цілком придатними для ілюстрації хвильової природи світла. Тим не менше для виключення будь-якої можливості тлумачення цього явища як дії країв отворів Френель придумав відомий "досвід з двома дзеркалами", про який він повідомляє у 1816 р., а потім в 1819 р. "досвід з бипризмой", що став з тих пір класичним методом демонстрації принципу інтерференції.
У 1837 р. Хемфрі Ллойд показав, що оптична інтерференція може бути отримана і з допомогою одного дзеркала, якщо змусити інтерферувати пряме світло і відбитий від дзеркала. Однак суттєвий прогрес був досягнутий лише в 1856 р., коли Жюль Жамен (1818-1886), розвиваючи дослідження Брюстера 1831 р., побудував свій відомий "інтерференційний рефрактометр", утворений двома паралельними скляними пластинками, які в 1867 р. Квінке запропонував срібла з зовнішнього боку. Як відомо, в цьому приладі інтерференція відбувається за рахунок різниці оптичних шляхів.
Додамо тут, до речі, що саме досвід з двома дзеркалами підказав в 1833 р. Джона Гершеля (1792-1871) ідею аналогічної установки для дослідження інтерференції акустичних хвиль, в якій використовувалася подвійна трубка; ця установка була вдосконалена в 1866 р. Георгом Квінке (1834 -1924), на честь якого вона отримала назву, що дійшов до нашого часу. Застосування манометричного полум'я для об'єктивних спостережень було запропоновано в 1864 р. Карлом Рудольфом Кенігом (1832-1901), який замінив гумові трубки Квінке металевими трубками, які могли подовжуватися, як в тромбоні.
Повернемося до робіт Френеля. Узявши на озброєння принцип інтерференції, хвильова теорія мала у своєму розпорядженні тепер трьома принципами: принципом елементарних хвиль, принципом обвідної і принципом інтерференції. Це були три окремих принципу, які Френель геніально вирішив злити воєдино. Таким чином, для Френеля обвідна хвиль не просто геометричне поняття, як для Гюйгенса. У довільній точці хвилі повний ефект являє собою алгебраїчну суму імпульсів, створюваних кожної елементарної хвилею; повна сума всіх цих імпульсів, що складаються відповідно до принципу інтерференції, може бути, зокрема, дорівнює нулю. Френель справив такий розрахунок, хоча і не цілком суворим способом, і прийшов до висновку, що вплив сферичної хвилі у зовнішній точці зводиться до впливу невеликого сегмента хвилі, центр якої знаходиться на лінії, що з'єднує джерело світла з освітленої точкою; інша частина хвилі дає в сумі нульовий ефект у розглянутій точці.
Тим самим було подолано перешкоду, що стояло протягом століть на шляху утвердження хвильової теорії - узгодження прямолінійного поширення світла з його хвильовим механізмом. Кожна точка поза хвилі отримує світло лише від дуже невеликий її області, прилеглої до точки, найближчої до аналізованої; все відбувається так, як якщо б світло поширювалося по прямій лінії від джерела до освітленої точці. Дійсно, хвилі повинні огинати перешкоди, але це твердження не слід розуміти грубо якісно, оскільки відхилення хвилі за перешкодою залежить від довжини хвилі. Знаючи довжину хвилі, можна розрахувати, як і наскільки відхилиться світло за перешкодою. Розглядаючи явище дифракції, Френель справив такий розрахунок, і його результати чудово збіглися з експериментальними даними. Перші статті Френеля про дифракцію внаслідок їх недостатньої математичної строгості були несхвально зустрінуті Лапласом, Пуассоном і Біо, витонченими аналітиками, для яких математична строгість була культом.
Після декількох років перерви у дослідженнях Френель знову викладає свою теорію у великому мемуарі про дифракцію, представленому в 1818 р. на конкурс Паризької Академії наук. Цей мемуар розглядалося комісією, яка з Лапласа, Біо, Пуассона, Араго і Гей-Люссака. Троє перших були переконані ньютонианцев, Араго був налаштований на користь Френеля, а Гей-Люссак, по суті, не був компетентний в даному питанні, але був відомий своєю чесністю. Пуассон зауважив, що з теорії Френеля можна вивести слідства, яке перебуває ніби в явному протиріччі зі здоровим глуздом, оскільки з розрахунку випливає, що в центрі геометричної тіні непрозорого диска належних розмірів повинно спостерігатися світла пляма, а в центрі конічної проекції невеликого круглого отвору на певному легко обчислюваному відстані повинне спостерігатися темна пляма. Комісія запропонувала Френелю довести експериментально висновки з його теорії, і Френель блискуче це виконав, довівши, що "здоровий глузд" у цьому випадку помиляється. Після цього на одностайну пропозицією комісії Академія наук присудила йому премію, а в 1823 р. він був обраний її членом.
Після встановлення теорії дифракції Френель перейшов до дослідження явища поляризації. Корпускулярна теорія, вимушена для інтерпретації численних явищ, відкритих в перше п'ятнадцятиріччя XIX століття, вводити одну за одною різні гіпотези, абсолютно необгрунтовані й часом суперечливі, до цього часу неймовірно ускладнилася. У своєму досвіді з двома дзеркалами, розташованими під кутом, Френель отримав за допомогою одного джерела світла два уявних джерела, завжди строго когерентних. Він спробував також видозмінити цей прилад, використовуючи два промені, які утворюються при подвійне променезаломлення одного променя, і компенсуючи належним чином різниця оптичних шляхів обох променів. Однак йому ніяк не вдавалося добитися інтерференції цих поляризованих променів.
У співпраці з Араго він продовжував експериментально дослідити можливість інтерференції поляризованого світла, і їм вдалося встановити, що два промені світла, поляризовані в паралельних площинах, завжди інтерферують, а два промені світла, поляризовані перпендикулярно, ніколи не интерферируют (у тому сенсі, що не гасять один одного). Як пояснити цей факт? Як пояснити всі інші явища поляризації, що не мають ніякої аналогії в акустиці?
Той факт, що промінь, поляризований при відображенні, володіє двома площинами симетрії, ортогональними один одному і що проходять через промінь, міг наштовхнути на думку про те, що коливання ефіру відбуваються в цих площинах перпендикулярно напрямку променя. Ця ідея була висловлена Френелю Ампером ще в 1815 р., але Френель не скористався нею. Юнгом, тільки-но він дізнався про досліди Френеля і Араго з поляризованим світлом,, теж прийшла думка про поперечних коливаннях, проте чи то через невпевненість, чи то з розсудливості він говорив про це як про "уявному поперечному русі", тобто . як про поняття суто фантастичному, - настільки безглуздими з механічної точки зору представлялися вченим того часу поперечні коливання ефіру.
Після того як протягом багатьох років Френель користувався мовою теорії поздовжніх коливань, в 1821 р. він, не знайшовши іншого шляху інтерпретації поляризаційних явищ, зважився прийняти теорію поперечности коливань. У тому ж році він пише: "Лише кілька місяців тому, розмірковуючи з великою увагою з цього приводу, я визнав досить імовірним, що коливальні рухи світлових хвиль здійснюються тільки в площині хвиль як для простого, так і для поляризованого світла ... Я постараюся показати, що гіпотеза, яку я представляю, не містить нічого фізично неможливого і що вона вже може служити для пояснення основних властивостей поляризованого світла ... ".
Те, що ця гіпотеза може пояснити основні властивості поляризованого світла, було детально показано Френелем; що ж стосується того, що в цій гіпотезі немає нічого неможливого фізично, - це вже зовсім інша справа. З поперечности коливань випливало, що ефір, будучи найтоншим і невагомим флюїдом, повинен одночасно бути наїтвердейший тілом, твердіше стали, бо тільки тверді тіла передають поперечні коливання. Ця гіпотеза представлялася виключно сміливою, майже божевільною. Араго, фізик явно не схильний до забобонів, той самий Араго, який був другом, порадником і захисником Френеля у всіх випадках, не знайшов можливим розділити відповідальність за цю дивну гіпотезу і відмовився підписати представлену Френелем статтю.
Таким чином, з 1821 р. Френель продовжував свій шлях поодинці, і це був шлях, повний перемог. Гіпотеза про поперечности коливань дозволила йому побудувати свою механічну модель світла. Основою її є ефір, заповнює весь Всесвіт і пронизливий всі тіла, причому ці тіла викликають зміну механічних характеристик ефіру. Через цих змін, коли пружна хвиля переходить з вільного ефіру в ефір, що міститься в речовині, на поверхні розділу частина хвилі повертає назад, а частина проникає в речовину. Тим самим було дано механічне пояснення явища часткового відображення, що залишався протягом кількох століть таємницею для фізиків. Виведені Френелем формули, що носять тепер його ім'я, зберегли свій вигляд до наших днів. Швидкість поширення коливань у середовищі залежить від довжини хвилі, а при заданій довжині хвилі тим менше, чим більш заломлюючої є середа. Звідси випливають як наслідок заломлення світла і його дисперсія. У ізотропних середовищах хвилі мають сферичну форму з центром у точковому джерелі випромінювання; в анізотропних середовищах форма хвилі описується, взагалі кажучи, поверхнею четвертого порядку. У теорії Френеля всі найскладніші явища поляризації інтерпретуються в дивовижному згоді з експериментальними даними і постають як приватні випадки загального закону складання і розкладання швидкостей.
Дослідження подвійного променезаломлення спричинило за собою аналіз сил, що виникають у пружному середовищі завдяки малим молекулярним переміщенням. У результаті цього дослідження Френель сформулював низку теорем, які, як зауважив Еміль Верде (1824-1866), редактор праць Френеля, лягли в основу нової галузі науки - загальної теорії пружності, розвиненою незабаром після появи праць Френеля роботами Коші, Гріна, Пуассона та Ламі .
У період з 1815 по 1823 р. завдяки Френелю було споруджено величний будинок хвильової оптики, яке, як, втім, всі творіння людини, не було вільно від недоліків. Молодий інженер підходив до різних проблем і дозволяв їх, покладаючись більше на свою могутню інтуїцію, ніж на математичний розрахунок. Тому інший раз він допускав помилки, а найчастіше лише давав схему вирішення. Але все ж таки його ідеї, незважаючи на протидію старих фізиків, дуже швидко захопили молодь, піднесену наочністю і простотою теоретичної моделі. Джордж; Ейрі (1801-1892), Джон Гершель (1792-1871), Франц Нейман (1798 - 1895) і багато інших фізики впорядкували і скорегували теорію Френеля і вивели з неї ряд наслідків.
З 1823 р. Френель, вже хворий, починає з обов'язку служби займатися дослідженням маяків (університетської кафедри йому не вдалося отримати). Ці дослідження, які він проводив до самої смерті, яка настала в 1827 р., привели його до винаходу східчастих лінз і істотному вдосконаленню миготливих маяків.