Augustin Jean Fresnel
Augustin-Jean Fresnel foi um engenheiro civil e físico francês cujas pesquisas em óptica levaram à aceitação quase unânime da teoria ondulatória da luz, suplantando totalmente a teoria corpuscular da luz de Newton, desde o final da década de 1830 até o fim do século XIX. Ele é talvez mais conhecido por inventar a lente de Fresnel catadióptrica (reflexiva/refrativa) e por ser pioneiro no uso de lentes "escalonadas" para estender a visibilidade dos faróis, salvando inúmeras vidas no mar. A lente escalonada dióptrica mais simples, proposta pela primeira vez pelo Conde Buffon e reinventada independentemente por Fresnel, é usada em telas de lupa e em lentes condensadoras para retroprojetores.
Família
Augustin-Jean Fresnel (também chamado de Augustin Jean ou simplesmente Augustin), nascido em Broglie, Normandia, em 10 de maio de 1788, foi o segundo dos quatro filhos do arquiteto Jacques Fresnel e sua esposa Augustine, nascida Mérimée. A família mudou-se duas vezes — em 1789/90 para Cherbourg, e em 1794 para a cidade natal de Jacques, Mathieu, onde Augustine passaria 25 anos como viúva. O primeiro filho, Louis, foi admitido na École Polytechnique, tornou-se tenente na artilharia e foi morto em combate em Jaca, Espanha. O terceiro, Léonor, seguiu Augustin na engenharia civil, sucedeu-o como secretário da Comissão de Faróis e ajudou a editar suas obras completas. O quarto, Fulgence Fresnel, tornou-se linguista, diplomata e orientalista, e ocasionalmente ajudava Augustin em negociações. Fulgence morreu em Bagdá em 1855, após liderar uma missão para explorar a Babilônia.
Educação
Os irmãos Fresnel foram inicialmente educados em casa por sua mãe. O doentio Augustin era considerado o mais lento, pouco inclinado à memorização; mas a história popular de que ele mal começou a ler até os oito anos é contestada. Aos nove ou dez anos, ele não se destacava, exceto por sua habilidade em transformar galhos de árvores em arcos e armas de brinquedo que funcionavam bem demais, rendendo-lhe o título de l'homme de génie (o homem de gênio) por seus cúmplices, e uma repressão conjunta de seus mais velhos. Em 1801, Augustin foi enviado para a École Centrale em Caen, para acompanhar Louis. Mas Augustin melhorou seu desempenho: no final de 1804 foi aceito na École Polytechnique, ficando em 17º lugar no exame de admissão. Como os registros detalhados da École Polytechnique começam em 1808, sabemos pouco sobre o tempo de Augustin lá, exceto que ele fez poucos ou nenhum amigo e — apesar da saúde continuamente precária — destacou-se em desenho e geometria: em seu primeiro ano recebeu um prêmio por sua solução para um problema de geometria proposto por Adrien-Marie Legendre. Formando-se em 1806, matriculou-se então na École Nationale des Ponts et Chaussées (Escola Nacional de Pontes e Estradas, também conhecida como "ENPC" ou "École des Ponts"), onde se formou em 1809, ingressando no serviço do Corps des Ponts et Chaussées como um ingénieur ordinaire aspirant (engenheiro comum estagiário). Direta ou indiretamente, ele permaneceria empregado no "Corps des Ponts" pelo resto de sua vida.
Formação religiosa
Os pais de Fresnel eram Católicos Romanos da seita jansenista, caracterizada por uma visão agostiniana extrema do pecado original. A religião ocupava o primeiro lugar na educação doméstica dos meninos. Em 1802, sua mãe disse: Citação: Rogo a Deus que dê ao meu filho a graça de empregar os grandes talentos, que recebeu, para seu próprio benefício e para o Deus de todos. Muito será pedido daquele a quem muito foi dado, e mais será exigido daquele que mais recebeu. Augustin permaneceu jansenista. Ele considerava seus talentos intelectuais como dons de Deus e considerava seu dever usá-los para o benefício dos outros. De acordo com seu colega engenheiro Alphonse Duleau, que ajudou a cuidar dele durante sua doença final, Fresnel via o estudo da natureza como parte do estudo do poder e da bondade de Deus. Ele colocava a virtude acima da ciência e do gênio. Em seus últimos dias, rezou por "força de alma", não apenas contra a morte, mas contra "a interrupção das descobertas... das quais ele esperava derivar aplicações úteis".
Fresnel foi inicialmente destacado para o departamento ocidental de Vendeia. Lá, em 1811, ele antecipou o que ficou conhecido como o Processo Solvay para produzir barrilha, exceto que a reciclagem da amônia não foi considerada. Essa diferença pode explicar por que químicos proeminentes, que souberam de sua descoberta por meio de seu tio Léonor, acabaram considerando-a antieconômica. Por volta de 1812, Fresnel foi enviado para Nyons, no departamento sul de Drôme, para auxiliar na rodovia imperial que ligaria a Espanha e a Itália. É de Nyons que temos a primeira evidência de seu interesse pela óptica. Em 15 de maio de 1814, enquanto o trabalho estava parado devido à derrota de Napoleão, Fresnel escreveu um posfácio ao seu irmão Léonor, dizendo em parte: Citação: Eu também gostaria de ter artigos que pudessem me falar sobre as descobertas de físicos franceses sobre a polarização da luz. Vi no Moniteur de alguns meses atrás que Biot havia lido no Instituto um memorial muito interessante sobre a polarização da luz. Embora eu quebre minha cabeça, não consigo adivinhar o que é isso.
Fresnel fez grandes contribuições para várias áreas da óptica física. Estas incluíram estudos de difração (1815–1818), onde explicou as franjas coloridas vistas nas sombras de objetos iluminados por feixes estreitos, e realizou experimentos de espelho duplo. Ele estudou a polarização (1816–1823), descobrindo que as duas imagens produzidas por um cristal birrefringente não podiam ser combinadas para criar um padrão de difração. Uma terceira área que ele estudou foi a dupla refração (1821–1826), onde descobriu que nenhuma das duas refrações em um cristal de topázio poderia ter sido produzida por ondas secundárias esféricas comuns.
Em 21 de junho de 1819, Fresnel foi "temporariamente" destacado pela Commission des Phares (Comissão de Faróis) para revisar possíveis melhorias na iluminação de faróis. No final de agosto de 1819, Fresnel recomendou lentilles à échelons (lentes por degraus) para substituir os refletores então em uso, que refletiam apenas cerca de metade da luz incidente. Enquanto a versão de Buffon era biconvexa e em uma única peça, a de Fresnel era plano-convexa e feita de múltiplos prismas para facilitar a construção. Em um espetáculo público na noite de 13 de abril de 1821, seu projeto foi demonstrado em comparação com os refletores mais recentes, que ele subitamente tornou obsoletos. A lente seguinte de Fresnel foi um aparelho rotativo com oito painéis de "olho de boi", feitos em arcos anulares por Saint-Gobain, emitindo oito feixes rotativos — para serem vistos pelos marinheiros como um lampejo periódico. Acima e atrás de cada painel principal havia um painel de olho de boi menor e inclinado, de contorno trapezoidal com elementos trapezoidais. O teste oficial, realizado no inacabado Arco do Triunfo em 20 de agosto de 1822, foi testemunhado pela comissão — e por Luís XVIII e sua comitiva — a 32 km de distância. O aparelho foi remontado no Farol de Cordouan sob a supervisão de Fresnel. Em 25 de julho de 1823, a primeira lente de Fresnel de farol do mundo foi acesa.
Fresnel foi eleito para a Société Philomathique de Paris em abril de 1819, e em 1822 tornou-se um dos editores do Bulletin des Sciences da Sociedade. Já em maio de 1817, por sugestão de Arago, Fresnel candidatou-se à membresia da Académie des Sciences, mas recebeu apenas um voto. O candidato bem-sucedido naquela ocasião foi Joseph Fourier. Em novembro de 1822, a promoção de Fourier a Secretário Permanente da Académie criou uma vaga na seção de física, que foi preenchida em fevereiro de 1823 por Pierre Louis Dulong, com 36 votos contra 20 de Fresnel. Mas em maio de 1823, após outra vaga deixada pela morte de Jacques Charles,Predefinição:Tsp a eleição de Fresnel foi unânime. Em 1824, Fresnel foi nomeado chevalier de la Légion d'honneur (Cavaleiro da Legião de Honra). Enquanto isso, na Grã-Bretanha, a teoria ondulatória ainda não havia se consolidado; Fresnel escreveu a Thomas Young em novembro de 1824, dizendo em parte:
A saúde de Fresnel, que sempre fora precária, deteriorou-se no inverno de 1822–1823, aumentando a urgência de sua pesquisa original e (em parte) impedindo-o de contribuir com um artigo sobre polarização e dupla refração para a Encyclopædia Britannica. Os memoriais sobre polarização circular e elíptica e rotação óptica, e sobre a derivação detalhada das equações de Fresnel e sua aplicação à reflexão interna total, datam deste período. Na primavera, ele se recuperou o suficiente, em sua própria visão, para supervisionar a instalação da lente em Cordouan. Logo depois, ficou claro que sua condição era tuberculose. Em 1824, foi aconselhado que, se quisesse viver mais, precisava reduzir suas atividades. Percebendo seu trabalho nos faróis como seu dever mais importante, renunciou ao cargo de examinador na École Polytechnique e fechou seus cadernos científicos. Sua última nota à Académie, lida em 13 de junho de 1825, descreveu o primeiro radiômetro e atribuiu a força repulsiva observada a uma diferença de temperatura. Embora sua pesquisa fundamental tenha cessado, sua defesa não parou; até agosto ou setembro de 1826, ele encontrou tempo para responder às perguntas de John Herschel sobre a teoria ondulatória. Foi Herschel quem recomendou Fresnel para a Medalha Rumford da Royal Society.
O "segundo memorial" de Fresnel sobre dupla refração não foi impresso até o final de 1827, alguns meses após sua morte. Até então, a melhor fonte publicada sobre seu trabalho em dupla refração era um extrato daquele memorial, impresso em 1822. Seu tratamento final da reflexão parcial e reflexão interna total, lido na Académie em janeiro de 1823, foi dado como perdido até ser redescoberto entre os papéis do falecido Joseph Fourier (1768–1830), e foi impresso em 1831. Até então, era conhecido principalmente através de um extrato impresso em 1823 e 1825. O memorial introduzindo a forma de paralelepípedo do rombo de Fresnel, lido em março de 1818, foi extraviado até 1846, e então atraiu tanto interesse que foi logo republicado em inglês. A maioria dos escritos de Fresnel sobre luz polarizada antes de 1821 — incluindo sua primeira teoria de polarização cromática (apresentada em 7 de outubro de 1816) e o crucial "suplemento" de janeiro de 1818 — não foram publicados na íntegra até que suas Oeuvres complètes ("obras completas") começassem a aparecer em 1866. O "suplemento" de julho de 1816, propondo o "raio eficaz" e relatando o famoso experimento do espelho duplo, teve o mesmo destino, assim como o "primeiro memorial" sobre dupla refração.
Imagem: Tardieu, Ambroise; Unattributed · BY-NC-SA · Openverse
O ensaio Rêveries de 1814 de Fresnel não sobreviveu. O artigo "Sur les Différents Systèmes relatifs à la Théorie de la Lumière" ("Sobre os Diferentes Sistemas relativos à Teoria da Luz"), que Fresnel escreveu para a recém-lançada revista inglesa European Review, foi recebido pelo agente do editor em Paris em setembro de 1824. A revista faliu antes que a contribuição de Fresnel pudesse ser publicada. Fresnel tentou, sem sucesso, recuperar o manuscrito. Os editores de suas obras coletadas não conseguiram encontrá-lo e concluíram que provavelmente estava perdido.
Imagem: Tardieu, Ambroise; Unattributed · BY-NC-SA · Openverse
Arraste do éter e densidade do éter
Em 1810, Arago descobriu experimentalmente que o grau de refração da luz estelar não depende da direção do movimento da Terra em relação à linha de visão. Em 1818, Fresnel mostrou que este resultado poderia ser explicado pela teoria ondulatória, sob a hipótese de que, se um objeto com índice de refração $n$ se movesse com velocidade $v$ em relação ao éter externo (considerado estacionário), então a velocidade da luz dentro do objeto ganhava a componente adicional $v(1-1/n^2)$. Ele apoiou essa hipótese supondo que, se a densidade do éter externo fosse tomada como unidade, a densidade do éter interno seria $n^2$, da qual o excesso, a saber $n^2-1$, era arrastado na velocidade $v$, de onde a velocidade média do éter interno era $v(1-1/n^2)$. O fator entre parênteses, que Fresnel originalmente expressou em termos de comprimentos de onda, tornou-se conhecido como o coeficiente de arraste de Fresnel.
Dispersão
A analogia entre ondas de luz e ondas transversais em sólidos elásticos não prevê a dispersão — isto é, a dependência da velocidade de propagação em relação à frequência, que permite aos prismas produzir espectros e faz com que as lentes sofram de aberração cromática. Fresnel, em De la Lumière e no segundo suplemento ao seu primeiro memorial sobre dupla refração, sugeriu que a dispersão poderia ser explicada se as partículas do meio exercessem forças umas sobre as outras em distâncias que fossem frações significativas de um comprimento de onda. Mais tarde, mais de uma vez, Fresnel referiu-se à demonstração deste resultado como estando contida em uma nota anexada ao seu "segundo memorial" sobre dupla refração. Nenhuma dessas notas apareceu impressa, e os manuscritos relevantes encontrados após sua morte mostraram apenas que, por volta de 1824, ele estava comparando índices de refração (medidos por Fraunhofer) com uma fórmula teórica, cujo significado não foi totalmente explicado.
Refração cônica
A complexidade analítica da derivação de Fresnel da superfície de velocidade do raio foi um desafio implícito para encontrar um caminho mais curto para o resultado. Isso foi respondido por MacCullagh em 1830 e por William Rowan Hamilton em 1832.
Dentro de um século após a proposta inicial da lente escalonada de Fresnel, mais de 10 000 luzes com lentes de Fresnel protegiam vidas e propriedades em todo o mundo. Sobre os outros benefícios, a historiadora da ciência Theresa H. Levitt observou: Citação: Onde quer que eu olhasse, a história se repetia. O momento em que uma lente de Fresnel aparecia em um local era o momento em que aquela região se vinculava à economia mundial. Na história da óptica física, o bem-sucedido renascimento da teoria ondulatória por Fresnel o nomeia como a figura central entre Newton, que sustentava que a luz consistia de corpúsculos, e James Clerk Maxwell, que estabeleceu que as ondas de luz são eletromagnéticas. Enquanto Albert Einstein descreveu o trabalho de Maxwell como "o mais profundo e frutífero que a física experimentou desde o tempo de Newton", comentaristas da era entre Fresnel e Maxwell fizeram declarações igualmente fortes sobre Fresnel:
