Sehen Sie den hellen Fleck in der Bildmitte? Dieser Lichtblick ist nicht einfach!

Wie wir alle wissen, ist der Eiffelturm das berühmteste Wahrzeichen von Paris, Frankreich. Touristen, die nach Paris reisen, besuchen normalerweise diesen Ort, aber nur wenige Menschen achten auf die 72 Namen, die in den Turm eingraviert sind.

Diese Namen sind in die vier Wände der ersten Plattform des Eiffelturms eingraviert. Jeder Buchstabe ist über einen halben Meter hoch. Sie alle sind französische Physiker, Chemiker, Mathematiker, Ingenieure und herausragende Persönlichkeiten auf anderen Gebieten, und Augustin Fresnel ist einer von ihnen.

Fresnel

Fresnel wurde 1788 in Broglier, Eure, Frankreich, in eine Architektenfamilie geboren. Er war seit seiner Kindheit kränklich und erhielt seine frühe Erziehung zu Hause von seiner Mutter.

Ähnlich wie Einstein zeigte Fresnel sein Genie nicht in seiner Jugend. Stattdessen war seine Lernfähigkeit etwas langsam und er hatte bis zum Alter von acht Jahren Schwierigkeiten beim Lesen.

Doch im Alter von neun Jahren schien er plötzlich zur Besinnung zu kommen und begann, sein Talent in Wissenschaft und Technik zu zeigen, indem er selbstständig Spielzeugbögen und Spielzeugpistolen herstellte.

Im Jahr 1804 wurde Fresnel mit hervorragenden Noten an der École Polytechnique in Paris aufgenommen. Während seiner Schulzeit war er noch immer gebrechlich und kränklich, lernte jedoch fleißig und erzielte dennoch hervorragende Ergebnisse, insbesondere in Malerei und Geometrie.

Nach seinem Abschluss im Jahr 1806 trat Fresnel in die französische Nationale Schule für Brücken und Straßen ein, um sein Studium fortzusetzen. Nach seinem Abschluss wurde er Ingenieur und war hauptsächlich im Straßenbau tätig.

Im Jahr 1815 wurde Napoleon wieder auf den Thron gesetzt. Fresnel, der sich Napoleon widersetzte, wurde verfolgt, seines Amtes enthoben und inhaftiert. Nach der Schlacht von Waterloo wurde Napoleon besiegt und zum zweiten Mal verbannt. Die Hundert-Tage-Herrschaft endete, die Bourbonen-Dynastie wurde wiederhergestellt und Fresnel erlangte seine Freiheit zurück.

Während dieser Monate der Gefangenschaft begann Fresnel mit mehreren optischen Studien, wobei die Untersuchung der Beugung sogar eine optische Revolution auslöste. Von

Zuvor hatte Fresnel nur in seiner Freizeit geforscht, doch die Gefangenschaft zwang ihn, sich der Optik zu widmen. Während dieser Zeit verfasste er auch eine Abhandlung über Sternaberration. Obwohl diese Arbeit nicht veröffentlicht wurde, stellte sie dennoch einen wichtigen Fortschritt in seiner Arbeit dar und legte den Grundstein für seine weitere Forschung.

Im Jahr 1818, als der Zweite-Wellen-Teilchen-Krieg in vollem Gange war, veranstaltete die Französische Akademie der Wissenschaften einen Aufsatzwettbewerb. Der Titel des Wettbewerbs lautete: „Bestimmen Sie durch präzise Experimente die Beugungswirkung von Licht und folgern Sie daraus die Bewegung des Lichts, wenn es an einem Objekt vorbeizieht.“

Die Jury des Wettbewerbs bestand aus vielen berühmten Wissenschaftlern, wie Laplace, Poisson, Biot, der die Teilchentheorie vertrat, und Arago, der die Wellentheorie vertrat. Dieser Aufsatzwettbewerb wurde auch zu einem wichtigen Schlachtfeld im Zweiten Teilchenkrieg.

Im Jahr 1819 reichte der unbekannte junge Ingenieur Fresnel, ermutigt von den Physikern Arago und Ampere, beim Organisationskomitee des Aufsatzwettbewerbs eine Arbeit ein. Der Kern dieser Arbeit ist die Theorie, die später als Huygens-Fresnel-Prinzip bekannt wurde.

Das Huygens-Prinzip besagt, dass jeder Punkt auf der Wellenoberfläche eine Wellenquelle ist, die Unterwellen aussendet, und die Einhüllende dieser Unterwellen ist die neue Wellenfront. Mit dem Huygensschen Prinzip lassen sich die Phänomene der geradlinigen Ausbreitung, Reflexion und Brechung von Licht gut erklären und auch die Ursache der Beugung qualitativ erklären.

Allerdings liegen auch seine Mängel auf der Hand: Erstens ist es unmöglich, die Intensitätsverteilung von Beugungswellen quantitativ zu berechnen; zweitens wird es der Theorie zufolge retrograde Wellen geben, was offensichtlich nicht mit der Realität übereinstimmt.

Basierend auf dem Huygens-Prinzip lieferte Fresnel eine quantitative Beschreibung der Amplitude und Phase der Unterwelle und führte gleichzeitig das Konzept der kohärenten Überlagerung ein – die Schwingung eines beliebigen Punkts im Raum ist das Ergebnis der kohärenten Überlagerung aller Unterwellen an diesem Punkt. Die endgültige Theorie ist das berühmte Huygens-Fresnel-Prinzip.

Fresnels Abhandlung, in der er diese Theorie darlegte, war in ihrer Herleitung streng und fehlerlos, was viele Juroren beeindruckte. Poisson, ein Richter, der fest an die Teilchentheorie glaubte, stimmte dieser Theorie jedoch nicht zu. Er hat das Papier sehr sorgfältig geprüft und die darin enthaltene Theorie für seine Berechnungen verwendet. Als diese Theorie auf die Beugung einer kreisförmigen Scheibe angewendet wurde, erschien in der Mitte des Schattens ein heller Fleck. Dieses Berechnungsergebnis widersprach der menschlichen Intuition.

Auch Poisson hielt dies für lächerlich und nutzte dieses Rechenergebnis, um Fresnels Arbeit in Frage zu stellen. Der helle Fleck in der Mitte des Beugungsschattens der Scheibe war tatsächlich etwas rätselhaft, und dieser Zweifel hätte Fresnels Arbeit beinahe daran gehindert, das Prüfungskomitee zu passieren.

Glücklicherweise bestand Richter Arago, der die Wellentheorie unterstützte, auf einer experimentellen Überprüfung. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass sich in der Mitte des Beugungsschattens der Scheibe tatsächlich ein heller Fleck befand und seine Position und Helligkeit perfekt mit den Ergebnissen der theoretischen Berechnung übereinstimmten. Fresnels Theorie hat gesiegt.

Der von Poisson berechnete helle Fleck wurde ursprünglich dazu verwendet, Fresnels Beugungstheorie in Frage zu stellen, erwies sich jedoch letztendlich als starker Beweis zur Unterstützung dieser Theorie. Der helle Fleck im Zentrum des Beugungsschattens der Scheibe wurde später fälschlicherweise als Poisson-Fleck bezeichnet, was die Dramatik des Ereignisses noch verstärkte.

Poisson-Lichtblick

Im selben Jahr erfand Fresnel auch die Fresnel-Linse. Im Vergleich zur ursprünglichen Linse weist die Fresnel-Linse an allen entsprechenden Stellen die gleiche Krümmung auf und kann immer noch die Rolle einer Linse spielen, ihre Brennweite ist jedoch kürzer.

Dieses Design verwendet weniger Material als herkömmliche Linsen, ist kleiner und hat dünnere Linsen, sodass mehr Licht durchgelassen wird. Außerdem wird dadurch der Bau von Objektiven mit größeren Blendenöffnungen erleichtert. Es wurde zuerst in Leuchttürmen verwendet und wird auch in der Produktion und im Leben häufig verwendet. Fresnel-Linsen finden sich beispielsweise in Autoscheinwerfern, Taschenlampen von Mobiltelefonen und optischen Fresnel-Landehilfesystemen von Flugzeugträgern.

Fresnel-Linse

Fresnels Theorie, die auf der Wellentheorie basiert, erklärte das Beugungsphänomen gut und versetzte der Teilchentheorie des Lichts einen schweren Schlag, konnte das Polarisationsphänomen des Lichts jedoch nicht gut erklären.

Zu diesem Zweck revolutionierte Fresnel die Hypothese, dass Licht eine Transversalwelle ist, und untersuchte zusammen mit dem oben erwähnten Arago die Interferenz von polarisiertem Licht. Im Jahr 1821 veröffentlichte er eine Abhandlung mit dem Titel „Über die Wechselwirkung polarisierten Lichts“, in der er das Polarisationsphänomen mithilfe der Transversalwellentheorie erfolgreich erklärte.

Fresnel entdeckte und erklärte auch zirkular polarisiertes und elliptisch polarisiertes Licht; leitete die berühmte Fresnel-Formel ab; und erklärte die Phänomene der Doppelbrechung und Polarisation von reflektiertem Licht.

1823 wurde Fresnel zum Mitglied der Französischen Akademie der Wissenschaften und 1825 zum Mitglied der Royal Society of London gewählt. Er starb 1827 im Alter von 39 Jahren an Tuberkulose.

Fresnel konnte sich trotz seiner langwierigen Krankheit nicht unterkriegen lassen. Er kletterte unermüdlich die Spitze der Wissenschaft hinauf, leistete herausragende Beiträge auf dem Gebiet der Beugung und Polarisation und wurde später als „Begründer der physikalischen Optik“ gefeiert.

【Referenzen】

1Buch: University Physics Volume 2, Autoren Xu Sannan, Lu Jian, Xu Pu, veröffentlicht von Machinery Industry Press im August 2005.

2 Bücher „Würfelt Gott?“ „Geschichte der Quantenmechanik“, Autor Cao Tianyuan, Liaoning Education Press, Januar 2006.

【Wissenschaftlerprofil】

Augustin Fresnel (10. Mai 1788 – 14. Juli 1827) war ein berühmter französischer Physiker und einer der Hauptbegründer der Theorie der Wellenoptik.

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Herausgeber/Xiao Xitushuo