IMPRIMERIE IMPÉRIALE

H DCCC LXVl

X INTRODUCTION

de l'auteur ne lui a pas permis de faire imprimer lui-même, et que la pieté d'un frère a scrupuleusement recueillies et conservées, jusqu'au jour où le Gouvernement impérial a décidé que les Œuvres de Fresnel seraient comprises dans la grande collection d'histoire scientifique nationale qui s'est ouverte par les Œuvres de Laplace et continuée par celles de Lavoisier ^""K

On peut être surpris de l'étendue de ces œuvres inédites, qui forment plus de la moitié de la présente édition; mais si l'on réfléchit aux principales circonstances de la vie de Fresnel, à la prodigieuse activité scientifique qu'il a déployée de 1810 à 1828, aux travaux d'ingénieur et aux maladies qui ont rempli les quatre années suivantes, les dernières de sa vie, on comprendra que le temps lui ait manqué pour s'occuper de la publication de ses écrits, et qu'en dehors du Mémoire couronné en 1819 par l'Académie des sciences, et de l'article Lumière du Supplément à la Chimie de Thomson, il n'ait jamais fait imprimer lui-njême que de courts extraits des Mémoires qu'il présentait à l'Académie des sciences, ou des éclaircissements, sur certains points de ces Mémoires, rendus nécessaires par les objections des partisans de l'ancienne doctrine. Quant aux Mémoires eux-mêmes qui contenaient l'exposé détaillé de ses découvertes, un très-petit nombre seulement a été mis au jour depuis sa mort, principalement par les soins d'Arago et de Biot : ce sont le Mémoire sur la double réfraction, inséré au tome VII des Mémoires de l'Académie des sciences; le Mémoire sur les modifications que la réflexion imprime à la lumière polarisée, retrouvé en i83o dans les papiers de Fourrier, et publié à la fois dans les Mémoires de l'Académie et dans les Annales de chimie et de physique; le Mémoire sur la réflexion de la lumière et le Mémoire sur la coloration des fluides homogènes, publiés

^"' Voyez i' Avertissement ci-dessus.

SI

INTRODUCTION

ea i846 dans les mêmes recueils par les soins de Biot, qui en avait emprunte les inaBiiscrits à M. L^onur Fresnel ''^

Ce sont là, à vrai dire, les plus imporlantes des œuvres de Fresnel, el quiconque les a sérieusement étudiées ne trouvera aucune nouveauté essentielle dans les nombreux écrits qui paraissent ici pour la première fois. C est au contraire dans ces pièces inédites seulement qu'on rencontre rindication exacte du développemeni progressif des conceptions théoriques et des découvertes expérimentales rfqui forment aujourd'hui les bases fondamentales de (optique '^\^ Elles^ rectifient en bien des points les opinions qu'on s était formées sur la marche des travauît de Fresnel; elles éclair^ rissent tout ce qui a rapport à rinfluenee directe et indirecte des travaux de Young et à la collaboration d'Arago; quelquefcis même elles modifient la signification quV>n doit attacher à certaines re* cherches théoriques et en font mieux comprendre la véritable portée et le degré de certitude ^^K Aussi croît-on ne pas faire une chose

^*^ Le passage suivant de la Note que BîqI lut a coUe occiision devant FAca- (K%iie des sciences, dans la séance du i^ itiars t8&6» fait eonnaitre sutEsammeot rhistoire de ces maouscrils et en gibéral d<2 tous ceux qui sont aujour- (Tlmi [iiibliéâ pour la première fois:

ttFresoeh dit Biot, était un inventeur mlatigalitt^* Dans la voie quil s était «luverle, un mémoire terminé dévouait pour lui tlnstrument iodispensabit* de imuveiles recherches et de travaux ultérieurs, ti est naturel qu'il sentît le besoin de h en conserver iongtt*mps la |ioisseâsioa, se bornant à prendre date |)ar des extraits publiés. Lorsque la mort vint le saisir dans sa trop courte carriM*. <îon IVère, alors absorbé dans

te service des phares, auquel il venait d*étre attaché, confia tous ses papier*; scientifiques, eJ jusqu'à ses moindres notes, s Savary, leur ami commun, qui conserva ce précieux dépôt avec toute la fidélité tie ralTuction. Après le décès de Savary, ils furent recueillis encore , avec des soins non moins scrupuleui, et remis aux mains de M, Léonor Fresnel, désormais fixé dans la capitale, tresl ainsi qu'ils se sont conservés complets , intacts, sans que la science ait rien à en regretter. ^

m Voyeas la lettre de M, de Senarmont insérée dans T Avertissement

'^'^ Voyeîs en particulier ce qui L*Bt dit ci -a pris à Tarticle X de la théorie de la double réCraction.

XII INTRODUCTION

inutile ea essayant de raconter, d'après ces précieux documents, l'histoire d'un des progrès les plus mëmorables que la philosophie naturelle ait accomplis.

On établit facilement dans l'œuvre scientifique de Fresnel trois divisions principales, liées ensemble par une évidente dépendance logique, et correspondant assez exactement à l'ordre chronologique de ses divers travaux.

Dans une première série de recherches, Fresnel suppose simplement que la lumière est produite par des vibrations périodiques de durée très-courte, se propageant avec une vitesse immense qui varie d'un milieu à l'autre , et capables d'interférer, c'est-à-dire décomposables d'une infinité de manières en demi-vibrations exactement contraires l'une à l'autre : sans rien spécifier sur la forme et l'orientation de ces vibrations, il épuise la suite des conséquences qui peuvent se déduire de ce postulatum fondamental , et c'est ainsi qu'il rend compte des lois de la diffraction et de la formation des ombres, de celles de la réflexion et de la réfraction, les ramenant toutes à dépendre du fécond principe des interférences. Ses raisonnements, en apparence restreints aux milieux uniréfringents, ont, pour qui sait les comprendre, une portée plus générale et sont applicables, sauf d'évidentes modifications dans les calculs, aux milieux où la vitesse de propagation n'est pas la même en tous sens, pourvu que la loi de cette vitesse soit connue. Ils ne sont pas moins indépendants d'une hypothèse sur la nature des vibrations lumineuses, dont Fresnel adopte le langage dans ses premiers écrits; comme tous ses devanciers et tous ses contemporains ^^\ il admet qu'il n'y a dans ces milieux élastiques

î'^ On verra plus loin jusqu'à quel point il y aurait lieu d'excepter Young de cette assertion générale.

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ilaiilres vibralious que des vibrations normales à la surface des ondes, acconipagiiées de dilatations el de condensalions alternatives; mais le fond de sa théorie est si peu li*^ avec celte manière de s'exprimer, qu il n a pas eu dans la suite u!i seul détail à y changer, lorsqu'il leS a reproduits dans ^article LuMiÈfŒ du Supplément a la Chimie de Thomson, après avoir reconnu la différence essentielle qui existe entre les vibrations du mu et celles delà lumière.

Letal)lissement de cette dilïérence, la di^monstration du principe des vibrations transversales, Tétude des phénomènes qu il suffit à expliquer, les conditions de rintorfeTence des rayons polarises sont dabord détermines par des expériences aussi variées que rigoureuses; de ces conditions Fresnei déduit que. dans la lumière polarisée, les vibrations sont parallèles à la surface des ondes, recti lignes et parallèles ou perpendiculaires au plan de polarisation. Comme toute espèce de lumière peut être obtenue par la combinaison de lumières polarisées dans divers plans, la généralité dn principe des vibrations transversales est complète. et, par une conséquence facile à apercevoir, tous les phénouièneH ipii dépendent dn partage de la lumière entre les rayons réiléchis et les rayons réfractés el entre deu\ rayons réfractés différemment, et de la réunion ultérieure de ces rayons, sont ramenés aux lois mécaniques de la décomposition et de la composition des mouvements. La simplicité de cette théorie nouvelle contraste étrangement avec la complexité des hypothèses où les partisans du système do rémission avaient à peine trouvé un semblant d explication des phénomènes; la confirmation expérimentale de Tin finie variété de ses conséquences est une seconde démonstration du principe de la transversalité des vibrations.

Enfin, après avoir ainsi défini la nature des vibrations lumineuses, Fresnei cherche à pénétrer le secret de leur origine, et

INTRODUCTION

tente de découvrir comment est constitue le milieu qui les propage, non-seulement en lui-même, mais en tant qu'il est modifié par les corps pondérables à Tintërieur desquels il est engagé. Les Mémoires sur la double réfraction, dont la série complète parait ici pour la première fois, sont l'œuvre principale de cette nouvelle tendance; mais on y doit aussi rattacher les dernières recherches sur la loi des modifications que la réflexion (ou la réfraction) imprime à la lumière polarisée, les travaux relatifs à la double réfraction particulière du cristal de roche et de certains fluides homogènes, l'explication de l'influence du mouvement de la terre sur les phénomènes d'optique, et enfin quelques indications sommaires sur la théorie de la dispersion et de l'absorption, jetées comme en passant dans plusieurs de ces Mémoires ^^K

On étudiera séparément ces trois groupes de recherches, eik faisant précéder chaque étude d'une esquisse rapide des progrès \^ que la science avait pu accomplir avant Fresnel.

Les devanciers de Fresnel n'ont guère dépassé ce premier point de vue, où l'on considère la lumière comme un système d'ondes à

'^ Ces divisions correspondent à peu près, mais non tout à fait exactement, à la première, ia seconde et la quatrième section de cette édition. Pour la commodité du lecteur, on a placé dans la deuxième section tous les Mémoires relatifs à la polarisation chromatique et à la roflexion de la lumière , soit que Fresnel y développe simplement les conséquences du principe des vibrations transversales, soit qu'il essaye d'y re-

monter jusqu'aux causes mécaniques des phénomènes. L'article Lumière du Supplément à la Chimie de Thomson , qui est comme un résumé des deux premièreô sections, joint à quelques pièces de controverse, a formé une troisième section; dans une cinquième et dernière section on a réuni des écrits d'importance très-inégale, où Kresnel a traité des sujets qui ne paraissent l'avoir occupé que d'une manière incidente.

INTRODUCTIONS. WtÊÊ^ ^^

vibrations intl(^terniin<?es, ou plutôt ils ont admis comme évident (jue ces ondes ne différaient des ondes sonores que par la përiode des vibrations et la vitesse de propagation* L'idée même (fond ni a lions et de vibrations périodiques ne s est formée que par degrés. Le fondateur de la tbéorie, Huyghens *^\ n'a jamais

^*> Ni Iluyghensi, ni aucun des auteuf!^ qui. au \nf sièdt^, otitcoamdt^r^ la lumière rojniiic un mnitvomtiut , nu pn^sentent cette id& cotiitiie une invention personnelle; Um la traitent eomme uue de ces hypotliàses courauteH (jui n'ajipartiennent à personne, mais que chacun fjst tenu de discuter- Il serait lien diiïiciie d ailleurs d'asëigner le tnomeut où cette l)\(>otIiè*^e a été énoncée pour la première fois : on ta trouve , à ce q u'il parait, dans les manuscrite de Léouard de Vinci I loyex Libri , Histoire du nmthmmiùqm^H m liaUê^ L 111, p i3 en note), et il est k croire (ju'elle est beaucoup plus audenne; si ^ des Tonijine de la philosophie grecque^ le feu a été considéré tantôt conime une matière* tanlfVt comme un mouvement, ces deux explicatioug ne pouvaient manquer d'être étendues jusi|u'à ta lumière f qui e^t un des eU'etësenxifaleâ du feu. Mais le véritable fondateur lie la tliéorie des ondes n est pas Talchimiste ou le scolastique chez qui Ion parvieûdrË a en découvrir le premiei' aperçu plus ou moins explicite; ce titre devra toujours appadeuir à celui qui , le premier, a su tirer un corps de doctrine >^ientifi({ue de ce qui n'était avant lui qu une vague hypothèse» et personne, à notre avig, ne pourra le disputer à Huyghens*

Descartes, (fU*ona Thabitudede citer comme le premier inventeur avant Huyghens, ne considère pas la luniièr*' comme un mouvenieat |>ropagé |jai onde^ successivei, mais comme un« pression transmise imtantanémmt par l'intermédiaire du second élément ; il n<* peut d ailleurs de cette étrange notion déduira Texplication d'aucun phénctmène ; il ne sait que comparer la ré~ Ikîiion et ta réfraction à la réflexion d'une bille qui rencontre un plan solide et à la déviation d^Jn projectile qui » tra versant une surface résistante, comme celle d'une toile bien tendue, conserve ta même vitesse de propagation parai lelemeol à cette surface, tandis que la composante normale de la vitesse \*3\ modifiée* U est ditricile de concevoir ÈuEimeul Euler a pu trouver dans cette vaine doctrine une première esquisse de la théorie des ondes, et comment l'a?^sertiou d'Kuler a pu être répétée par Inul le monde; Huygbens, qui probablement avait lu Descartes avec plus d'attention que ses successeurs, présente lui-même son propre système comme entièrement opposé au système cartésieru (Voyeâ le Traité de la lumière, ch* i*'.)

Young et Araj|o ont souvent cité llooke a côté de Huyghens» comme un des tbnda leurs de la théorie des ondes.

INTRODUCTION

égard dans ses raisonnements qu'à l'onde produite par une impulsion unique des molécules du centre lumineux; il la conçoit bien précédée et suivie d'ondes pareilles se propageant avec la même vitesse et douées des mêmes propriétés, mais comme il ne suppose pas qu'il y ait aucune relation générale entre les mouvements de ces ondes successives ^^\ il n'en combine jamais les effets, et en particulier la notion de l'interférence constante de deux ondulations qui apporteraient sans cesse en un même point

et lui ont môme attribue la découverte du principe des interférences. H est bien vrai que Hooke définit la lumière comme k un mouvement rapide de vibrations de très-petite amplitude ,?) a movement quick , vibratik , of extrême shortnesa, {Micrographia , p. 55.) Mais ce mouvement aurait, suivant lui,rinconcevable propriété de se propager instantanément à toute distance et ne différerait guère par conséquent de la pression de Descartes. Hooke revient sans cesse sur cette notion d'une propagation instantanée; il essaye même dans ses Lectures on Light (p. 76 des Œuvres posthumes) de réfuter, par des objections aussi vagues que peu concluantes, les conséquences que Rœmer a tirées de l'observation des satellites de Jupiter. Il est bien évident que Tidée d'une propagation instantanée est incompatible avec celle des interférences, et en effet, si on lit avec attention l'explication des anneaux colorés, où l'on a voulu trouver le germe de la grande découverte de Young (Micrographia, p. 64), on n'y reconnaît que le développement d'une théorie des couleurs assez analogue

à celle que plus tard Goethe a vainement tenté de substituer à la théorie de Newton.

Le seul auteur qu'on puisse raisonnablement mentionner comme un devancier d'Huyghens est le jésuite Pardies , connu dans l'histoire de la philosophie par son Discours de la connaissance des beUs, où il réfute l'opinion cartésienne. Le P. Pardies n'a rien publié luimême sur la théorie de la lumière; mais Huyghens a vu ses manuscrits, et le jugement qu'il en porte dans son Traité de la lumière (p. 18) autorise à penser que les idées du P. Pardies ont été exactement reproduites par le P. Ango, dans son Optique, imprimée en 1682. Dans cet ouvrage, comme dans le Traité de la lumière, il n'est jamais question que d'ondes indépendantes, et les difficultés résultant de cette manière d'envisager les choses, que Huyghens n'a pas su résoudre entièrement, ne paraissent pas même être soupçonnées.

^^^ Il dit même précisément le contraire à la page 1 5 du Traité de la lumière.

des mouvements opposés Y un à la u Ire, lui est absoliuneiU élratigère. De là une {jraijde lacune dans sa théorie. Lorsque, considéraot deux positions successives d'une même onde, il cherche à faire voir (|ue la deuxième onde résulte de la combinaison de toutes les ondes élémen (aires qui ont pour centre les divers poinls de la première, il na pas de [leine à établir que ces ondes élémentaires ont une enveloppe commune, qui est Tonde dont il s agit, et qu'au delà de cette enveloppe il ne saurait y avoir de mouvement, nuiîs il ne prouve pas d'une manière sufîisante t}u à I inlérieur de cette enveloppe le mouvement soit insensible. Le lecteur admet volonliers que les ondes élémentaires doivent être constituées de manière que cette cotidition soit satisfaite, parce r|u'il est impossible que deux modes de raisonnement égalemenl légitimes conduisent à des conséquences contradictoires; mais cette justilîcation indirecte lui fait défaut lorsque fîuyghens traite de la même manière la réflexion et la réfraction, prenant, sans autre démonstration, pour surfece de Fonde réfléchie ou réfractée, I enveloppe des ondes élémentaires quiontpour centres les divers points de la surlace réfléchissante ou réfringente *'l La formation

^'' HuygliLni^ se con lente de dire qu€ le iiiouvemcQl qui peut exister sur eliamnt des ondes LHénientuires ne peul èim qa'iaCninienl failjle par rapport à celui qui existe sur Toade enveloppe •a la com position de laquelle toutes les -autres contribuent par la partie de •leur surface qui est la plus éloignée *du centre* -n (Trttiié de lu /«wt/^^, p, 1 8.) A Irnspection de ta ligure jointe à ce pissage et des figures relatives à la rélleiion et à la réfraction , lassertion peut îiembler évidente, mais en réalité res figures ne représentent que la com-

binaison d'ondes circulaires situées dans un même plan, et gi à ces ondes circulaires on subslilue par la pensée les ondes sjiJièûqun par Icâquelles la lumière e«t propagée^ on voit, en approfondissant le sujet, qu'à une di&tance finie de Tonde enveloppe, l'intensité des mouvements est moindre que sur l'enveloppe,mais non pa^ infiniment moindre.

Les expériences sur la combinaison des ondes liquides décrite dans la Welieukhir des frères Weber, qu'on a quelquefois citées h l'appui durai^nnemeut incomplet de Huyghens,se rapportent à

FNTRODUCTÏOR

des ombres n'est pas expliquée d'une manière plus satisfaisante^ Néanmoins, malgré toutes ces dilTicullés non résolues, en stilïslltuant une onde au point lumineux qui en est !e centre et décomposant celte onde elle-même en une infinité d'éléments dont chacun agît à son tour comme un point lumineux, Huyghensa donné à ses successeurs la méthode l^conde qui devait les conduire aux plus importantes découvertes, lorsque la notion de la périodicité des vibrations lumineuses leur serait devenue familière.

C'est comme une conséquence nécessaire des découvertes de Newton que cette idée s est introduite dans la science ^^K La démonstration de rhétérogénéité de Fagent lumineux conduisait en effet à distinguer divers modes dontkilation caractéristiques des diverses couleurs, et le phénomène des anneaux colorés impliquait si évidemment le retour [lériodique de quelques affections des rayons lumineux, que Newton liu-milme a dû admettre quelque chose de semblable ^^K Le premier qui, moins sensible à lautorité de Newton qu'aux difficultés de son système, oserait revenir à la théorie des ondulations, ne pouvait manquer de considérer les ondes lumineuses comme se succédant périodiquement à des in^ tervalles réguliers, dépendant de la couleur, ou, ce qui revient au même, de la réfrangibilité de la lumière. Euler Ta fait, et, bien qu il ait considéré la durée des vibrations tantôt comme croissant

des ondes qu'on peut regarder comme circulaires, car elles n ébranlent le liquide que jusqu'à une bien petite profondeur.

t>î On en trouverait cependant quel* ques traces dans TOptique dWngOj mais sans aucune des conséquences qu*on en a dédiiiteK plus t^ird*

^^^ On sait mi^me que Newton avait ctierclié à rendre compte du pliënomène

pardes vibratious propagëe^* dans un milieu spi^cial appelé éther, qui contrariaient ou favorisaient la réiloxion des molécules lumineuses sur la deuxième surface de la lame mince , suivant qu elles tendaient à les pousser vers cette surface ou à les eu écarter. (Voyez rOptique de Newton , livre 11 , 3* partie, proposition xiij et les questions xvu, xxi et XTix à la suite de TOptique.)