(1791-1867)
Im Jahr 1800 erfand Alessandro Volta die elektrische Batterie (bekannt als Voltasche) und verbesserte damit auch die Untersuchung elektrischer Ströme. Ein Jahr später wies Thomas Young die Wellennatur des Lichts – die durch die Arbeiten von Augustin-Jean Fresnel experimentell untermauert wurde – und das Prinzip der Interferenz nach. 1813 untermauerte Peter Ewart die Idee der Energieerhaltung in seinem Werk On the measure of moving force. 1820 stellte Hans Christian Ørsted fest, dass ein stromdurchflossener Leiter eine ihn umgebende magnetische Kraft erzeugt, und nur eine Woche nach Ørsteds Entdeckung entdeckte André-Marie Ampère in Frankreich, dass zwei parallele elektrische Ströme Kräfte aufeinander ausüben. 1821 begann William Hamilton mit seiner Analyse der Hamiltonschen Funktion. Im Jahr 1821 baute Michael Faraday einen elektrisch betriebenen Motor, während Georg Ohm 1826 sein Gesetz des elektrischen Widerstands formulierte, das die Beziehung zwischen Spannung, Strom und Widerstand in einem Stromkreis beschreibt. Ein Jahr später entdeckte der Botaniker Robert Brown die Brownsche Bewegung: Pollenkörner in Wasser bewegen sich, weil sie von den sich schnell bewegenden Atomen oder Molekülen in der Flüssigkeit beschossen werden. 1829 führte Gaspard Coriolis die Begriffe Arbeit (Kraft mal Weg) und kinetische Energie in ihrer heutigen Bedeutung ein.
1831 entdeckte Faraday (und unabhängig davon Joseph Henry) den umgekehrten Effekt, die Erzeugung eines elektrischen Potenzials oder Stroms durch Magnetismus – bekannt als elektromagnetische Induktion; diese beiden Entdeckungen bilden die Grundlage für den Elektromotor bzw. den elektrischen Generator. 1834 entdeckte Carl Jacobi seine gleichmäßig rotierenden selbstgravitierenden Ellipsoide (das Jacobi-Illipsoid). 1834 beobachtete John Russell eine nicht abklingende einsame Wasserwelle (Soliton) im Union Canal bei Edinburgh und untersuchte in einem Wassertank die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einsamer Wasserwellen von der Wellenamplitude und der Wassertiefe. Im Jahr 1835 stellte William Hamilton die kanonischen Bewegungsgleichungen von Hamilton auf. Im selben Jahr untersuchte Gaspard Coriolis theoretisch den mechanischen Wirkungsgrad von Wasserrädern und leitete daraus den Coriolis-Effekt ab. 1841 verfasste Julius Robert von Mayer, ein Amateurwissenschaftler, eine Arbeit über die Erhaltung der Energie, die jedoch aufgrund seiner mangelnden akademischen Ausbildung abgelehnt wurde. 1842 schlug Christian Doppler den Doppler-Effekt vor. 1847 formulierte Hermann von Helmholtz den Energieerhaltungssatz. 1851 zeigte Léon Foucault die Erdrotation mit einem riesigen Pendel (Foucault-Pendel).
In der ersten Hälfte des Jahrhunderts gab es wichtige Fortschritte in der Kontinuumsmechanik, nämlich die Formulierung der Elastizitätsgesetze für Festkörper und die Entdeckung der Navier-Stokes-Gleichungen für Flüssigkeiten.
Gesetze der ThermodynamikEdit
(1824-1907)
Im 19. Jahrhundert wurde der Zusammenhang zwischen Wärme und mechanischer Energie quantitativ von Julius Robert von Mayer und James Prescott Joule hergestellt, die in den 1840er Jahren das mechanische Äquivalent von Wärme maßen. Im Jahr 1849 veröffentlichte Joule die Ergebnisse seiner Versuchsreihe (einschließlich des Schaufelradexperiments), aus denen hervorging, dass Wärme eine Form von Energie ist, eine Tatsache, die in den 1850er Jahren anerkannt wurde. Die Beziehung zwischen Wärme und Energie war wichtig für die Entwicklung von Dampfmaschinen, und 1824 wurde die experimentelle und theoretische Arbeit von Sadi Carnot veröffentlicht. Carnot griff einige der Ideen der Thermodynamik auf, als er den Wirkungsgrad einer idealisierten Maschine diskutierte. Die Arbeit von Sadi Carnot bildete die Grundlage für die Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, einer Neuformulierung des Energieerhaltungssatzes, der um 1850 von William Thomson, später bekannt als Lord Kelvin, und Rudolf Clausius aufgestellt wurde. Lord Kelvin, der 1848 das Konzept des absoluten Nullpunkts von Gasen auf alle Stoffe ausgedehnt hatte, stützte sich bei der Formulierung des ersten Gesetzes auf die technischen Theorien von Lazare Carnot, Sadi Carnot und Émile Clapeyron sowie auf die Experimente von James Prescott Joule über die Austauschbarkeit mechanischer, chemischer, thermischer und elektrischer Formen von Arbeit.
Kelvin und Clausius formulierten auch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der sich ursprünglich auf die Tatsache bezog, dass Wärme nicht spontan von einem kälteren zu einem wärmeren Körper fließt. Andere Formulierungen folgten schnell (so wurde der zweite Hauptsatz beispielsweise in Thomsons und Peter Guthrie Taits einflussreichem Werk Treatise on Natural Philosophy erläutert), und insbesondere Kelvin verstand einige der allgemeinen Implikationen des Gesetzes. Das zweite Gesetz war die Idee, dass Gase aus sich bewegenden Molekülen bestehen, die 1738 von Daniel Bernoulli ausführlich erörtert worden war, dann aber in Ungnade gefallen war und 1857 von Clausius wiederbelebt wurde. 1850 maßen Hippolyte Fizeau und Léon Foucault die Lichtgeschwindigkeit in Wasser und stellten fest, dass sie langsamer ist als in Luft, was das Wellenmodell des Lichts stützt. 1852 wiesen Joule und Thomson nach, dass sich ein schnell expandierendes Gas abkühlt, was später als Joule-Thomson-Effekt oder Joule-Kelvin-Effekt bezeichnet wurde. Hermann von Helmholtz stellt 1854 die Idee des Wärmetods des Universums auf, im selben Jahr, in dem Clausius die Bedeutung von dQ/T (Clausius-Theorem) feststellt (obwohl er die Größe noch nicht benannt hat).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
Im Jahr 1859 entdeckte James Clerk Maxwell das Verteilungsgesetz der Molekulargeschwindigkeiten. Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder von ihrer Quelle aus mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Licht ausbreiten und dass Licht eine von mehreren Arten elektromagnetischer Strahlung ist, die sich nur in Frequenz und Wellenlänge von den anderen unterscheidet. 1859 erarbeitete Maxwell die mathematischen Grundlagen für die Geschwindigkeitsverteilung der Moleküle eines Gases. Die Wellentheorie des Lichts war zum Zeitpunkt von Maxwells Arbeiten über das elektromagnetische Feld weitgehend akzeptiert, und danach waren die Erforschung des Lichts und die der Elektrizität und des Magnetismus eng miteinander verbunden. Im Jahr 1864 veröffentlichte James Maxwell seine Arbeiten über eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes, und in der 1873 veröffentlichten Abhandlung Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism stellte er fest, dass Licht ein elektromagnetisches Phänomen ist. Dieses Werk stützte sich auf die theoretischen Arbeiten deutscher Theoretiker wie Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Weber. Die Einbettung der Wärme in die Teilchenbewegung und die Hinzufügung der elektromagnetischen Kräfte zur Newton’schen Dynamik schufen eine enorm robuste theoretische Grundlage für physikalische Beobachtungen.
Die Vorhersage, dass Licht eine Übertragung von Energie in Wellenform durch einen „leuchtenden Äther“ darstellt, und die scheinbare Bestätigung dieser Vorhersage durch die Entdeckung elektromagnetischer Strahlung durch den Helmholtz-Schüler Heinrich Hertz im Jahr 1888 waren ein großer Triumph für die physikalische Theorie und eröffneten die Möglichkeit, dass bald noch grundlegendere Theorien auf der Grundlage dieses Feldes entwickelt werden könnten. Eine experimentelle Bestätigung der Maxwellschen Theorie lieferte Hertz, der 1886 elektrische Wellen erzeugte und nachwies und ihre Eigenschaften überprüfte, wobei er gleichzeitig ihre Anwendung in Radio, Fernsehen und anderen Geräten vorwegnahm. Im Jahr 1887 entdeckte Heinrich Hertz den photoelektrischen Effekt. Bald darauf begann die Erforschung der elektromagnetischen Wellen, und viele Wissenschaftler und Erfinder führten Experimente zu deren Eigenschaften durch. Mitte bis Ende der 1890er Jahre entwickelte Guglielmo Marconi ein auf Radiowellen basierendes drahtloses Telegraphiesystem (siehe Erfindung des Radios).
Die Atomtheorie der Materie war Anfang des 19. Jahrhunderts von dem Chemiker John Dalton vorgeschlagen worden und wurde zu einer der Hypothesen der kinetisch-molekularen Gastheorie, die von Clausius und James Clerk Maxwell zur Erklärung der Gesetze der Thermodynamik entwickelt wurde. Die kinetische Theorie wiederum führte zur statistischen Mechanik von Ludwig Boltzmann (1844-1906) und Josiah Willard Gibbs (1839-1903), die davon ausging, dass Energie (einschließlich Wärme) ein Maß für die Geschwindigkeit von Teilchen ist. Indem er die statistische Wahrscheinlichkeit bestimmter Organisationszustände dieser Teilchen mit der Energie dieser Zustände in Beziehung setzte, deutete Clausius die Energieverschwendung als die statistische Tendenz molekularer Konfigurationen, in immer wahrscheinlichere, zunehmend desorganisierte Zustände überzugehen (er prägte den Begriff „Entropie“ zur Beschreibung der Desorganisation eines Zustands). Die statistische und die absolute Interpretation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik lösten einen Streit aus, der sich über mehrere Jahrzehnte hinzog (und Argumente wie den „Maxwellschen Dämon“ hervorbrachte) und der erst dann als endgültig gelöst galt, als das Verhalten von Atomen Anfang des 20. Im Jahr 1902 fand James Jeans die Längenskala, die erforderlich ist, damit Gravitationsstörungen in einem statischen, nahezu homogenen Medium wachsen können.