Augustin-Jean Fresnel (10 de maio de 1788 – 14 de julho de 1827) 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 (puramente refrativa), proposta pela primeira vez pelo Conde Buffon e reinventada independentemente por Fresnel, é usada em telas de lupa e em lentes condensadoras para retroprojetores.
Fresnel deu a primeira explicação satisfatória da difração por bordas retas, incluindo a primeira explicação satisfatória baseada em ondas para a propagação retilínea. Ao supor ainda que as ondas de luz são puramente transversais, Fresnel explicou a natureza da polarização. Ele então trabalhou na dupla refração.
Fresnel travou uma batalha vitalícia contra a tuberculose, à qual sucumbiu aos 39 anos. Viveu apenas o suficiente para receber o reconhecimento de seus pares, incluindo (em seu leito de morte) a Medalha Rumford da Royal Society, e seu nome é onipresente na terminologia moderna de óptica e ondas. Depois que a teoria ondulatória da luz foi incorporada pela teoria eletromagnética de Maxwell na década de 1860, parte da atenção foi desviada da magnitude da contribuição de Fresnel. No período entre a unificação da óptica física por Fresnel e a unificação mais ampla de Maxwell, uma autoridade contemporânea, Humphrey Lloyd, descreveu a teoria de ondas transversais de Fresnel como "a estrutura mais nobre que já adornou o domínio da ciência física, excetuando-se apenas o sistema do universo de Newton".
Primeiros anos
thumb|Monumento a Augustin Fresnel na fachada de sua casa natal na Rue Augustin Fresnel, 2, Broglie (de frente para a Rue Jean François Mérimée), inaugurado em 14 de setembro de 1884. A inscrição diz:"Augustin Fresnel, engenheiro de Pontes e Estradas, membro da Academia de Ciências, criador de faróis lenticulares, nasceu nesta casa em 10 de maio de 1788. A teoria da luz deve a este êmulo de Newton os mais altos conceitos e as aplicações mais úteis."
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, diz "em 1790". Silliman (1967, p. 7) diz "em 1790". diz que a família deixou Broglie em 1789. 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.Fresnel, 1866–70. 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.
O irmão mais novo de Madame Fresnel, Jean François "Léonor" Mérimée, pai do escritor Prosper Mérimée, era um pintor que voltou sua atenção para a química da pintura. Ele se tornou Secretário Permanente da École des Beaux-Arts e (até 1814) professor na École Polytechnique.
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.Essa idade foi dada por Arago em seu elogio (Arago, 1857, p. 402) e amplamente propagada (Encyclopædia Britannica, 1911; ; ; etc.). Mas a reimpressão do elogio ao final das obras coletadas de Fresnel traz uma nota de rodapé, presumivelmente de Léonor Fresnel, dizendo que "oito" deveria ser "cinco ou seis", e lamentando "a pressa com que tivemos que coletar as notas que foram solicitadas tardiamente para a parte biográfica deste discurso" (Fresnel, 1866–70, vol. 3, p. 477n). Silliman (1967, p. 9n) aceita a correção. 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.Arago, 1857, p. 402.
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.Arago, 1857, p. 403. A solução de Fresnel foi impressa na Correspondance sur l'École polytechnique, No. 4 (Junho–Julho 1805), pp. 78–80, e reimpressa em Fresnel, 1866–70, vol. 2, pp. 681–684. interpreta esta história como referindo-se ao exame de admissão. 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: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".; cf. Arago, 1857, p. 470.
O jansenismo é considerado herético pela Igreja Católica Romana, e Grattan-Guinness sugere que é por isso que Fresnel nunca obteve um posto de ensino acadêmico permanente; sua única nomeação de ensino foi no Athénée de Luxembourg no inverno de 1819–20.Fresnel, 1866–70, vol. 1, p. xcvii. O artigo sobre Fresnel na Catholic Encyclopedia não menciona seu jansenismo, mas o descreve como "um homem profundamente religioso e notável por seu agudo senso de dever".
Designações de engenharia
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.Cf. ; ; . A correspondência sobrevivente sobre a barrilha estende-se de Agosto de 1811 a Abril de 1812; veja Fresnel, 1866–70, vol. 2, pp. 810–817.
thumb|esquerda|Nyons, França, século XIX, desenhado por Alexandre Debelle (1805–1897)
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:Até 28 de dezembro ele ainda esperava por informações, mas em 10 de fevereiro de 1815 recebeu o memorial de Biot.Arago, 1857, pp. 407–408; Fresnel, 1815a. (O havia assumido as funções da francesa e de outras em 1795. Em 1816, a recuperou seu nome e autonomia, mas permaneceu parte do instituto.)
Em março de 1815, percebendo o retorno de Napoleão de Elba como "um ataque à civilização",Arago, 1857, p. 405; . Arago não usa aspas. Fresnel partiu sem licença, apressou-se para Toulouse e ofereceu seus serviços à resistência monarquista, mas logo se viu na lista de enfermos. Retornando a Nyons derrotado, foi ameaçado e teve suas janelas quebradas. Durante os Cem Dias foi suspenso, suspensão que eventualmente lhe foi permitido passar na casa de sua mãe em Mathieu. Lá ele usou seu lazer forçado para iniciar seus experimentos ópticos.Arago, 1857, pp. 405–406; Kipnis, 1991, p. 167.
Contribuições para a óptica física
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.
Faróis e a lente de Fresnel
thumb|upright|1: Corte transversal da lente de Buffon/Fresnel. 2: Corte transversal de uma lente plano-convexa convencional de potência equivalente. (A versão de Buffon era biconvexa.)
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.Fresnel, 1866–70, vol. 1, p. xcvii, e vol. 3, p. xxiv.
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.Fresnel, 1866–70, vol. 3, pp. 5–14; sobre a data, veja p. 6n. 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.Sobre as dimensões veja ; Fresnel, 1866–70, vol. 3, p. xxxiv; Fresnel, 1822b, tr. Tag, p. 7.
thumb|246px|Corte transversal de uma lente de farol de Fresnel de primeira geração, com espelhos inclinados m,n acima e abaixo do painel refrativo RC (com segmento central A). Se a seção transversal em cada plano vertical que passa pela lâmpada L for a mesma, a luz é espalhada uniformemente pelo horizonte.
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.Fresnel, 1822b, tr. Tag, pp. 13,25. 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 32km 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.