(1791-1867)
I 1800 opfandt Alessandro Volta det elektriske batteri (kendt som den voltaiske bunke) og forbedrede dermed den måde, hvorpå man også kunne studere elektriske strømme. Et år senere påviste Thomas Young lysets bølgenatur – som fik stærk eksperimentel støtte fra Augustin-Jean Fresnels arbejde – og princippet om interferens. I 1813 støttede Peter Ewart ideen om energiens bevarelse i sin afhandling On the measure of moving force. I 1820 fandt Hans Christian Ørsted ud af, at en strømførende leder giver anledning til en magnetisk kraft omkring den, og inden for en uge efter at Ørsteds opdagelse nåede Frankrig, opdagede André-Marie Ampère, at to parallelle elektriske strømme udøver kræfter på hinanden. I 1821 påbegyndte William Hamilton sin analyse af Hamiltons karakteristiske funktion. I 1821 byggede Michael Faraday en elektrisk drevet motor, mens Georg Ohm i 1826 fremsatte sin lov om elektrisk modstand, som udtrykker forholdet mellem spænding, strøm og modstand i et elektrisk kredsløb. Et år senere opdagede botanikeren Robert Brown Brownian-bevægelsen: pollenkorn i vand, der bevæger sig som følge af, at de bombarderes af de hurtigt bevægende atomer eller molekyler i væsken. I 1829 introducerede Gaspard Coriolis begreberne arbejde (kraft gange afstand) og kinetisk energi med den betydning, de har i dag.
I 1831 opdagede Faraday (og uafhængigt af ham Joseph Henry) den omvendte effekt, nemlig frembringelse af et elektrisk potentiale eller en elektrisk strøm gennem magnetisme – kendt som elektromagnetisk induktion; disse to opdagelser ligger til grund for henholdsvis elmotoren og elgeneratoren. I 1834 opdagede Carl Jacobi sine ensartet roterende selvgravitationsellipsoider (Jacobi-ellipsoiden). I 1834 observerede John Russell en ikke-solitær vandbølge (soliton) i Union Canal nær Edinburgh og brugte en vandtank til at undersøge afhængigheden af solitære vandbølgers hastighed af bølgeamplitude og vanddybde. I 1835 opstillede William Hamilton Hamiltons kanoniske bevægelsesligninger. Samme år undersøgte Gaspard Coriolis teoretisk den mekaniske effektivitet af vandhjul og udledte Coriolis-effekten. I 1841 skrev Julius Robert von Mayer, en amatørforsker, en artikel om energiens bevarelse, men hans manglende akademiske uddannelse førte til, at den blev forkastet. I 1842 foreslog Christian Doppler den såkaldte Doppler-effekt. I 1847 fastslog Hermann von Helmholtz formelt loven om bevarelse af energi. I 1851 viste Léon Foucault jordens rotation med et stort pendul (Foucault-pendulet).
Der var vigtige fremskridt inden for kontinuumsmekanikken i første halvdel af århundredet, nemlig formuleringen af elasticitetslove for faste stoffer og opdagelsen af Navier-Stokes-ligningerne for væsker.
TermodynamikloveRediger
(1824-1907)
I det 19. århundrede blev sammenhængen mellem varme og mekanisk energi fastslået kvantitativt af Julius Robert von Mayer og James Prescott Joule, som målte den mekaniske ækvivalent af varme i 1840’erne. I 1849 offentliggjorde Joule resultaterne af sin række af eksperimenter (bl.a. eksperimentet med skovlhjulet), som viser, at varme er en form for energi, hvilket blev accepteret i 1850’erne. Forholdet mellem varme og energi var vigtigt for udviklingen af dampmaskiner, og i 1824 blev Sadi Carnots eksperimentelle og teoretiske arbejde offentliggjort. Carnot indfangede nogle af termodynamikkens idéer i sin diskussion af effektiviteten af en idealiseret motor. Sadi Carnots arbejde dannede grundlag for formuleringen af den første termodynamiske lov – en omformulering af loven om bevarelse af energi – som blev formuleret omkring 1850 af William Thomson, senere kendt som Lord Kelvin, og Rudolf Clausius. Lord Kelvin, der i 1848 havde udvidet begrebet absolut nulpunkt fra gasser til at omfatte alle stoffer, byggede på Lazare Carnots, Sadi Carnots og Émile Clapeyrons tekniske teori – samt James Prescott Joules eksperimenter om udskifteligheden af mekaniske, kemiske, termiske og elektriske arbejdsformer – for at formulere den første lov.
Kelvin og Clausius formulerede også termodynamikkens anden lov, som oprindeligt blev formuleret ud fra den kendsgerning, at varme ikke spontant strømmer fra et koldere legeme til et varmere. Andre formuleringer fulgte hurtigt efter (f.eks. blev den anden lov uddybet i Thomson og Peter Guthrie Taits indflydelsesrige værk Treatise on Natural Philosophy), og især Kelvin forstod nogle af lovens generelle implikationer. Den anden lov var ideen om, at gasser består af molekyler i bevægelse, var blevet diskuteret i detaljer af Daniel Bernoulli i 1738, men var faldet i unåde, og blev genoplivet af Clausius i 1857. I 1850 målte Hippolyte Fizeau og Léon Foucault lysets hastighed i vand og fandt, at den er langsommere end i luft, hvilket understøtter bølgemodellen for lys. I 1852 påviste Joule og Thomson, at en hurtigt ekspanderende gas afkøles, hvilket senere fik navnet Joule-Thomson-effekten eller Joule-Kelvin-effekten. Hermann von Helmholtz fremsætter ideen om universets varmedød i 1854, samme år som Clausius fastslog betydningen af dQ/T (Clausius’ teorem) (selv om han endnu ikke havde navngivet størrelsen).
James Clerk MaxwellRediger
(1831-1879)
I 1859 opdagede James Clerk Maxwell fordelingsloven for molekylhastighederne. Maxwell viste, at elektriske og magnetiske felter udbreder sig udad fra deres kilde med en hastighed svarende til lysets, og at lys er en af flere former for elektromagnetisk stråling, som kun adskiller sig fra de andre i frekvens og bølgelængde. I 1859 udregnede Maxwell matematikken for fordelingen af molekylernes hastigheder i en gas. Bølgeteorien om lys var bredt accepteret på tidspunktet for Maxwells arbejde om det elektromagnetiske felt, og efterfølgende var studiet af lys og studiet af elektricitet og magnetisme tæt forbundet. I 1864 offentliggjorde James Maxwell sine artikler om en dynamisk teori om det elektromagnetiske felt og fastslog i 1873 i Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism, at lys er et elektromagnetisk fænomen. Dette arbejde byggede på teoretisk arbejde udført af tyske teoretikere som Carl Friedrich Gauss og Wilhelm Weber. Indkapslingen af varme i partikulær bevægelse og tilføjelsen af elektromagnetiske kræfter til Newtons dynamik etablerede et enormt robust teoretisk grundlag for fysiske observationer.
Forudsigelsen af, at lys repræsenterede en overførsel af energi i bølgeform gennem en “lysende æter”, og den tilsyneladende bekræftelse af denne forudsigelse med Helmholtz-eleven Heinrich Hertz’ opdagelse af elektromagnetisk stråling i 1888, var en stor triumf for den fysiske teori og gav mulighed for, at endnu mere fundamentale teorier baseret på feltet snart kunne udvikles. Den eksperimentelle bekræftelse af Maxwells teori blev leveret af Hertz, som genererede og påviste elektriske bølger i 1886 og verificerede deres egenskaber, hvilket samtidig gav en forsmag på deres anvendelse i radio, tv og andre apparater. I 1887 opdagede Heinrich Hertz den fotoelektriske effekt. Forskningen i elektromagnetiske bølger begyndte kort efter, og mange videnskabsmænd og opfindere foretog eksperimenter med deres egenskaber. I midten og slutningen af 1890’erne udviklede Guglielmo Marconi et radiobølgebaseret trådløst telegrafisystem (se opfindelse af radioen).
Atomteorien om stof var blevet foreslået igen i begyndelsen af det 19. århundrede af kemikeren John Dalton og blev en af hypoteserne i den kinetisk-molekylære teori om gasser, som Clausius og James Clerk Maxwell udviklede for at forklare termodynamikkens love. Den kinetiske teori førte igen til Ludwig Boltzmanns (1844-1906) og Josiah Willard Gibbs’ (1839-1903) statistiske mekanik, som gik ud på, at energi (herunder varme) var et mål for partiklernes hastighed. Ved at sammenholde den statistiske sandsynlighed for visse organisationstilstande for disse partikler med energien i disse tilstande omfortolkede Clausius energispildet til at være den statistiske tendens hos molekylære konfigurationer til at bevæge sig mod stadig mere sandsynlige, stadig mere uorganiserede tilstande (han opfandt udtrykket “entropi” for at beskrive uorganiseringen af en tilstand). De statistiske versus absolutte fortolkninger af termodynamikkens anden lov skabte en strid, der skulle vare i flere årtier (og som gav anledning til argumenter som “Maxwells dæmon”), og som ikke ville blive anset for at være endeligt løst, før atomernes opførsel blev fastslået på en sikker måde i begyndelsen af det 20. århundrede. I 1902 fandt James Jeans den længde skala, der kræves for at gravitationsforstyrrelser vokser i et statisk næsten homogent medium.