FRESNEL AUGUSTIN (1788-1827)

La physique du xviiie siècle était restée fidèle à l'hypothèse newtonienne de l'émission : la lumière est due à des corpuscules émis par la source, leurs trajectoires constituant les rayons lumineux. En introduisant l'hypothèse ondulatoire dans l'interprétation de la diffraction, le physicien français Fresnel provoque l'effondrement de cette théorie, malgré de vigoureuses résistances (celle de J.-B. Biot, en particulier), qui se prolongeront au cours du xixe siècle, et ouvre la voie à l'unification de l'optique.

Augustin Fresnel

Augustin Fresnel

photographie

Le physicien français Augustin Fresnel (1788-1827) se consacra essentiellement à l'étude de l'optique. Sculpture de Pierre-Jean David d'Angers, 1828. Galerie David d'Angers, Angers. 

Crédits : E. Lessing/ AKG

Afficher

Si l'histoire des sciences considère, à juste titre, Fresnel comme le fondateur de l'optique moderne, elle retient aussi ses travaux en vue d'une interprétation mécaniste de la lumière, ses études sur l'optique des corps en mouvement, ses travaux en optique cristalline. Mais on oublie parfois sa contribution remarquable à l'équipement des phares, par la mise au point de la lentille à échelons. Recherches spéculatives et applications pratiques se partagent en effet la brève carrière de Fresnel.

Un ingénieur passionné de recherche

Né à Chambrais, aujourd'hui Broglie, en Normandie, Augustin Fresnel, après des études à l'École centrale de Caen, entre en 1804 à l'École polytechnique (un an après François Arago, un an avant Augustin Cauchy). Confié à M. Hassenfratz, l'enseignement de la physique que Fresnel y reçoit n'a malheureusement ni l'ampleur ni la qualité de celui qui est donné en mathématiques, en particulier par Sylvestre Lacroix, Gaspard Monge et Denis Poisson.

En 1806, il est affecté au corps des Ponts et Chaussées ; il occupe successivement plusieurs postes (en Vendée, à Nyons dans la Drôme), où, en dépit de la solitude intellectuelle dans laquelle il vit, Fresnel entreprend des travaux scientifiques, notamment en optique. Contraint, pendant les Cent-Jours, à résider dans la propriété familiale de Mathieu, en Normandie – Fresnel s'était joint à une petite armée qui devait s'opposer au retour de Napoléon – il est ensuite réintégré dans le corps des Ponts et Chaussées, et, dès 1818, définitivement affecté à Paris. En 1819, il reçoit le prix décerné par l'Académie des sciences pour un mémoire sur la diffraction qu'il venait de déposer ; la même année, il entre dans le Service des phares.

Sans renoncer à ses activités professionnelles, toujours soutenu par l'amitié d'Arago, Fresnel, devenu membre, en 1823, de l'Académie des sciences, poursuit, jusqu'à sa mort, à Paris, à l'âge de trente-neuf ans, de très nombreuses recherches dans plusieurs domaines de l'optique.

De l'optique ondulatoire à l'hypothèse des vibrations transversales

Dans les premières années du xixe siècle, Thomas Young (1773-1829) est encore à peu près le seul à se livrer à une critique pénétrante, quoique assez brouillonne, des idées newtoniennes qui avaient dominé l'histoire de l'optique du xviiie siècle et à suggérer un retour à l'hypothèse des ondulations, brillamment mise en valeur, au xviie siècle, par Christiaan Huygens.

Fresnel, sans connaître les derniers travaux de Young, entreprend, à partir de 1814, une série d'expériences sur la diffraction de la lumière. Sceptique à l'égard de la théorie newtonienne, il fait appel, avec une belle hardiesse, à la notion de « longueur d'ondulations » – appelée aujourd'hui « longueur d'onde » – et applique le principe des « intersections de ces ondulations » – nous dirions « vibrations » – se propageant suivant les rayons lumineux.

Des points de l'onde sphérique lumineuse, émise par une source ponctuelle et arrêtée par le bord d'un écran, sont issus les rayons diffractés ; en un point de rencontre de deux rayons diffractés, on peut évaluer la différence des longueurs parcourues par la lumière, sur chacun de ces rayons, depuis leurs origines respectives prises sur l'onde : suivant que cette différence est égale à un nombre pair ou impair de demi-longueurs d'onde, les effets des deux rayons se cumulent ou s'annulent. Par le calcul, Fresnel parvient, après division de l'onde lumineuse incidente en ondes élémentaires, à évaluer, en un point pris dans la zone de diffraction, la somme des contributions de ces ondes partielles, c'est-à-dire l'intensité de la vibration résultante : ce sont les célèbres intégrales de Fresnel. Le mathématicien Denis Poisson (1781-1840) ayant déduit de ces calculs que le centre de l'ombre d'un petit disque circulaire doit être un point brillant, Fresnel lui apporte la confirmation expérimentale de cette prévision.

En montrant que le mouvement transmis par une onde sphérique se détruit partiellement par interférences, il a également su écarter l'objection déjà faite à Huygens, à savoir que la théorie ondulatoire ne permettait pas d'expliquer la propagation rectiligne de la lumière ; l'optique ondulatoire était vraiment née.

Mais déjà Fresnel songe à étendre au phénomène de la polarisation le champ d'application de ces conceptions ; l'étude des couleurs des lames cristallines lui permettra de poser l'hypothèse des vibrations transversales ; jusqu'alors, il a seulement envisagé des vibrations longitudinales se produisant suivant la direction des rayons lumineux. En 1811, Arago a découvert la polarisation chromatique : des teintes complémentaires apparaissent quand la lumière, transmise par une lame cristalline éclairée avec de la lumière polarisée, traverse ensuite un analyseur.

Pour Fresnel, il existe une profonde analogie entre les couleurs des lames minces et les teintes des lames cristallines : dans le premier cas, il s'agit d'interférences en lumière naturelle, dans le second cas, d'interférences en lumière polarisée. Il est donc nécessaire de déterminer, d'abord, à l'aide d'une expérience « directe », les conditions d'interférences en lumière polarisée : deux fentes voisines et parallèles, F1 et F2, sont percées dans un petit écran ; en éclairant la fente F1 par un premier faisceau polarisé, la fente F2 par un second faisceau polarisé, dont le plan d'incidence est à l'angle droit du premier, Arago et Fresnel s'assurent qu'aucune frange n'est observée ; si les deux faisceaux sont polarisés dans le même sens, les franges apparaissent.

Fresnel – non sans hésitation – substitue alors aux vibrations longitudinales des vibrations transversales, qui, sans remettre en cause l'explication qu'il a déjà donnée de la diffraction, lui permettront une interprétation cohérente et complète de tous les phénomènes observés en lumière polarisée.

La théorie de l'éther et l'interprétation mécaniste de la lumière

Fresnel doit alors expliquer la propagation des vibrations transversales ; l'éther en sera le support nécessaire puisque, selon les conceptions de son époque, aucune vibration ne peut se propager sans un support matériel. Le problème de l'influence du mouvement des corps matériels sur l'éther, celui de l'aberration des étoiles ne suffisent pas à faire douter de l'existence d'un tel support. Il faudra attendre la théorie électromagnétique de J. C. Maxwell pour que se forme la conviction que les vibrations lumineuses ne sont pas de nature mécanique et n'exigent donc pas l'existence d'un milieu élastique pour se propager.

Cependant l'interprétation strictement mécaniste permet à Fresnel d'exprimer les amplitudes de l'onde réfléchie et de l'onde transmise, qui correspondent à une onde incidente polarisée : ce sont les formules de Fresnel, dites des sinus et des tangentes, qui ont gardé toute leur valeur, malgré l'abandon de l'éther en tant que substance vibrante.

À la suite d'une expérience d'Arago, destinée à mettre en évidence l'influence du déplacement de la Terre sur la réfraction de la lumière émise par une étoile et reçue dans un prisme, et qui s'était révélée négative, Fresnel émet la théorie que « notre globe imprime son mouvement à l'éther dont il est enveloppé ». Mais, selon cette hypothèse, l'aberration des étoiles demeure inexplicable.

Faut-il alors en revenir à l'hypothèse d'un éther immobile ? Fresnel adopte une solution de compromis et suppose que « l'éther passe librement au travers du globe et que la vitesse communiquée à ce fluide subtil n'est qu'une petite partie de celle de la Terre » ; il calcule – d'une manière assez obscure – que, si un milieu transparent d'indice de réfraction n est en mouvement, les ondes lumineuses sont affectées d'un coefficient d'entraînement égal à 1−(1/n2) ; résultat qui sera vérifié plus tard par les expériences de Hippolyte Fizeau (1819-1896), sur la mesure de la vitesse de la lumière dans un courant d'eau. La relativité marquera l'abandon des théories de l'éther.

La surface d'onde des cristaux bi-axes

La découverte de la biréfringence du verre comprimé, l'interprétation cinématique de la polarisation rotatoire, la généralisation de la construction de Huygens, établie dans le cas des cristaux uni-axes (la surface d'onde se compose alors d'une sphère et d'un ellipsoïde de révolution) figurent parmi les derniers travaux de Fresnel. Suivant une démarche plus intuitive que rigoureuse, il avance l'idée que, pour les cristaux bi-axes, l'équation de la surface d'onde est du quatrième degré.

D'abord discutée, l'intuition de Fresnel trouvera sa première justification dans le résultat établi par les calculs de sir William Rowan Hamilton (1805-1865), à savoir que la surface d'onde, telle qu'elle avait été proposée par Fresnel, devait présenter quatre points coniques ; le physicien irlandais H. Lloyd, peu après (1833), observait, effectivement, les phénomènes de réfraction correspondant à ces points singuliers.

—  André CHAPPERT

Bibliographie

A. Fresnel, Œuvres complètes, publ. H. de Senarmont, É. Verdet et L. Fresnel, 3 vol., Imprimerie impériale, Paris, 1866-1870 ; Œuvres complètes, Johnson, New York, 1965.

※ Études

F. Arago, Œuvres complètes, t. I : Notices biographiques, pp. 107-185, Gide et Baudry, Paris, 1854

M. Brillouin, « Augustin Fresnel et son œuvre », in Annales de physique, Xe série, cahier janv.-févr., t. IX, Masson, Paris, 1928

« Fresnel : qu'est ce que la lumière ? », in les Cahiers de science et vie, no 5, Excelsior Publ. Paris, 1991

B. Maitte, « L'Œuvre de Fresnel », in La Lumière, Seuil, 1981

J. Rosmorduc, Histoire de la physique, t. I, Technique et documentation, Paris, 1987

E. Segré, Les Physiciens classiques et leurs découvertes, Fayard, 1987

R. H. Silliman, Augustin Fresnel (1788-1827) and the Establishment of the Wave Theory of Light, thèse, Princeton Univ., 1968 ; « Fresnel », in Dictionary of Scientific Biography, éd. C. C. Gillipsie, vol. V, Macmillan Publ., New York, 1981

R. Taton, Histoire générale des sciences, t. III : La Science contemporaine, vol. I : Le XIXe siècle, P.U.F., Paris, 1981.

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

Écrit par :

  • : agrégé de l'Université, maître assistant à l'université de Montpellier-III-Paul-Valéry (logique, histoire et philosophie des sciences)

Classification


Autres références

«  FRESNEL AUGUSTIN (1788-1827)  » est également traité dans :

OPTIQUE ONDULATOIRE

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 161 mots
  •  • 1 média

Augustin Fresnel (1788-1827) peut être considéré comme le fondateur de l'optique moderne. Dans son mémoire La Diffraction de la lumière, présenté en octobre 1815 à l'Académie des sciences, il écrit : « La théorie vibratoire se prête mieux à expliquer la marche complexe des phénomènes lumineux et comme alors réapparaît […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/optique-ondulatoire/#i_25092

ÉTHER

  • Écrit par 
  • Marie-Antoinette TONNELAT
  •  • 5 545 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « L'optique ondulatoire et l'éther au XIXe siècle »  : […] Une renaissance des théories de l'éther s'amorce au xixe siècle avec les travaux d'Étienne Louis Malus, de Thomas Young et, surtout, d'Augustin Fresnel […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/ether/#i_25092

FRESNEL LENTILLES DE

  • Écrit par 
  • Josette CACHELOU
  •  • 133 mots

Il serait impossible de fabriquer des lentilles de très grandes dimensions ou à très forte courbure à l'aide de techniques courantes. Fresnel proposa de remplacer le bloc de verre unique par une lentille centrale entourée d'anneaux et de segments d'anneaux de verre prismatiques, calculés et assemblés de manière à présenter un foyer optique commun. […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/lentilles-de-fresnel/#i_25092

INTERFÉRENCES LUMINEUSES

  • Écrit par 
  • Maurice FRANÇON, 
  • Michel HENRY
  •  • 8 006 mots
  •  • 29 médias

Dans le chapitre « Vibrations lumineuses »  : […] Augustin Fresnel a été le premier à expliquer les phénomènes de l'optique physique en admettant que la lumière est constituée par des vibrations transversales ; il assimilait les vibrations lumineuses aux vibrations élastiques transversales des solides. Cette dernière hypothèse aboutit à de nombreuses contradictions qui ont […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/interferences-lumineuses/#i_25092

MITSCHERLICH EILHARD (1794-1863)

  • Écrit par 
  • Jacqueline BROSSOLLET
  •  • 383 mots

Chimiste allemand, né à Neuende et mort à Berlin, qui est devenu célèbre à la suite de ses travaux sur l'isomorphisme. Eilhard Mitscherlich étudie les langues orientales à Nuremberg puis à Paris et espère participer à la mission que Napoléon doit envoyer en Perse en 1813. L'abandon de ce projet l'amène à étudier la médecine à Göttingen ; mais, dans […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/eilhard-mitscherlich/#i_25092

ONDES, physique

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 3 574 mots

Dans le chapitre « Caractéristiques générales d’une onde »  : […] e siècle, lorsque, dans son Mémoire sur la diffraction (1819), Augustin Fresnel propose de considérer l’addition des ondes comme une addition de vecteurs. Fresnel introduit – avant l’« invention » des nombres complexes par Carl Friedrich Gauss – l’amplitude d’une onde, qu’on représentera par la suite comme un nombre […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/ondes-physique/#i_25092

PHARES

  • Écrit par 
  • Ian C. CLINGAN
  •  • 8 879 mots

Dans le chapitre « Lentilles rectangulaires et lentilles de Fresnel »  : […] En 1828, le Français Augustin Fresnel (1788-1827) fabriqua le premier dispositif utilisant les propriétés de réfraction du verre, aujourd'hui appelé feu dioptrique. Sur un panneau de lentille, il entoura une lentille centrale convergente d'une série d'anneaux de verre prismatiques. Un foyer optique commun recueillait ainsi […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/phares/#i_25092

Voir aussi

Pour citer l’article

André CHAPPERT, « FRESNEL AUGUSTIN - (1788-1827) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/augustin-fresnel/