写真の中央にある明るい点が見えますか?この明るい点は単純ではありません!

ご存知のとおり、エッフェル塔はフランスのパリで最も有名なランドマーク的な建物です。パリを訪れる観光客はたいていこの場所を訪れますが、塔に刻まれた72の名前に注目する人はほとんどいません。

これらの名前はエッフェル塔の最初のプラットフォームの4つの壁に刻まれています。それぞれの文字の高さは50センチ以上あります。彼らは皆フランスの物理学者、化学者、数学者、エンジニア、そして他の分野で傑出した人物であり、オーギュスタン・フレネルもその一人です。

フレネル

1788年、フレネルはフランスのウール県ブロイエの建築家の家庭に生まれました。彼は子供の頃から病弱で、幼いころは母親から家庭で教育を受けていた。

アインシュタインと同様、フレネルも若い頃には天才性を発揮しませんでした。その代わりに、彼は学習が少し遅く、8歳になるまで読書に困難を抱えていました。

しかし、9歳の時、彼は突然正気を取り戻したようで、おもちゃの弓やおもちゃの銃を自力で作るなど、科学技術分野での才能を発揮し始めました。

1804年、フレネルは優秀な成績でパリの理工科学校に入学した。学生時代、彼はまだ体が弱く病弱でしたが、熱心に勉強し、特に絵画と幾何学で優秀な成績を収めました。

1806年に卒業後、フレネルは学業を続けるためにフランス国立橋梁道路学校に入学した。卒業後はエンジニアとなり、主に道路工事に従事した。

1815年、ナポレオンは王位に復帰した。ナポレオンに反対したフレネルは迫害され、職を解かれ、投獄された。ワーテルローの戦いの後、ナポレオンは敗北し、二度目の追放となった。百日天下は終わり、ブルボン王朝が復活し、フレネルは自由を取り戻した。

フレネルがいくつかの光学研究を始めたのは、この数か月の投獄期間中であり、その中で回折の研究は光学革命のきっかけにもなった。の

フレネルは以前、余暇に研究を行っていただけだったが、この投獄をきっかけに光学の研究に専念するようになった。この時期に、彼は恒星の光行差に関する論文も執筆した。この論文は出版されなかったものの、彼の研究における重要な成果であり、その後の研究の基礎を築きました。

1818年、第二次波粒子戦争が本格化した頃、フランス科学アカデミーは懸賞論文コンテストを開催した。コンテストのタイトルは「精密な実験を使用して光の回折効果を判定し、光が物体の近くを通過するときの動きを推測する」でした。

コンペの審査員は、粒子説を支持したラプラス、ポアソン、ビオ、波動説を支持したアラゴなど、多くの著名な科学者で構成されていました。この作文コンテストは第二次波動粒子戦争でも重要な戦場となった。

1819年、無名の若い技術者フレネルは、物理学者アラゴとアンペールの励ましを受けて、論文コンテストの組織委員会に論文を提出した。この論文の核心は、後にホイヘンス・フレネル原理として知られるようになった理論です。

ホイヘンスの原理とは、波面上のすべての点がサブ波を放射する波源であり、これらのサブ波のエンベロープが新しい波面であることを意味します。ホイヘンスの原理は、光の直線伝播、反射、屈折の現象をうまく説明でき、回折の原因も定性的に説明できます。

しかし、その欠陥も明らかです。まず、回折波の強度分布を定量的に計算することは不可能です。第二に、理論によれば逆行波が存在することになるが、これは明らかに現実と矛盾している。

フレネルはホイヘンスの原理に基づいて、サブ波の振幅と位相を定量的に記述し、同時にコヒーレント重ね合わせの概念を導入しました。つまり、空間内の任意の点の振動は、その点のすべてのサブ波のコヒーレント重ね合わせの結果であるということです。最終的に形成された理論は、有名なホイヘンス・フレネルの原理です。

この理論を解説したフレネルの論文は、その導出が厳密かつ完璧であり、多くの審査員に感銘を与えた。しかし、粒子理論を固く信じる裁判官ポアソンは、この理論に同意しませんでした。彼は論文を非常に注意深く検討し、論文に書かれた理論を使って計算を実行した。この理論を円盤の回折に適用すると、影の中心に明るい点が現れました。この計算結果は人々の直感に反するものでした。

ポアソンもこれはおかしいと考え、この計算結果を使ってフレネルの論文に疑問を投げかけました。ディスクの回折影の中心にある明るい点は確かに多少不可解であり、この疑問のせいでフレネルの論文は審査委員会を通過するのをほとんど妨げられた。

幸いなことに、波動理論を支持するアラゴ判事は、実験による検証を行うことを主張した。実験結果では、ディスク回折影の中心に確かに明るい点があり、その位置と明るさは理論計算結果と完全に一致していることが示されました。フレネルの理論が勝利した。

ポアソンが計算した輝点は、もともとフレネルの回折理論に疑問を投げかけるものでしたが、最終的にはこの理論を支持する強力な証拠となりました。ディスク回折影の中心にある明るい点は、後に誤解を招く形でポアソン明るい点と呼ばれるようになり、この出来事にドラマチックな要素を加えました。

ポアソン輝点

同年、フレネルはフレネルレンズも発明しました。フレネルレンズは、元のレンズと比較して、対応するすべての位置で曲率が等しく、レンズの役割を果たすことができますが、焦点距離は短くなります。

この設計では、従来のレンズよりも材料が少なく、サイズが小さく、レンズが薄いため、より多くの光が通過します。また、より大きな口径のレンズの製造も容易になります。灯台で最初に使用され、生産や生活にも広く使用されています。たとえば、フレネルレンズは、自動車のヘッドライト、携帯電話のフラッシュライト、航空母艦のフレネル光学着陸支援システムに使用されています。

フレネルレンズ

波動論に基づくフレネルの理論は回折現象をうまく説明し、光の粒子理論に大きな打撃を与えたが、光の偏光現象をうまく説明することはできなかった。

この目的のために、フレネルは光が横波であるという仮説に革命をもたらし、前述のアラゴとともに偏光の干渉を研究しました。 1821年に彼は「偏光の相互作用について」という論文を発表し、横波理論を用いて偏光現象をうまく説明した。

フレネルは円偏光と楕円偏光も発見し、説明しました。有名なフレネルの公式を導き出しました。反射光の複屈折と偏光の現象を説明しました。

1823年、フレネルはフランス科学アカデミーの会員に選出され、1825年にはロンドン王立協会の会員に選出されました。彼は1827年に39歳で結核で亡くなった。

長期にわたる病気もフレネルを倒すことはできなかった。彼は科学の頂点を精力的に登り続け、回折と偏光において顕著な貢献を果たし、後に「物理光学の創始者」として称賛されました。

【参考文献】

1書籍：University Physics Volume 2、著者：Xu Sannan、Lu Jian、Xu Pu、2005年8月にMachinery Industry Pressより出版。

2冊の本「神はサイコロを振るか？」「量子力学の歴史」、著者：曹天元、遼寧教育出版社、2006 年 1 月。

【研究者プロフィール】

オーギュスタン・フレネル（1788年5月10日 - 1827年7月14日）は、有名なフランスの物理学者であり、波動光学理論の主要な創始者の一人です。

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