(1791-1867)
Alessandro Volta keksi 1800-luvulla sähköpariston (tunnettu voltasta) ja paransi siten tapaa, jolla sähkövirtoja voitiin myös tutkia. Vuotta myöhemmin Thomas Young osoitti valon aaltoluonteen – joka sai vahvaa kokeellista tukea Augustin-Jean Fresnelin työstä – ja interferenssiperiaatteen. Vuonna 1813 Peter Ewart tuki ajatusta energian säilymisestä kirjoituksessaan On the measure of moving force. Vuonna 1820 Hans Christian Ørsted havaitsi, että virtaa johtava johdin synnyttää sitä ympäröivän magneettisen voiman, ja viikon kuluttua siitä, kun Ørstedin löytö oli saapunut Ranskaan, André-Marie Ampère havaitsi, että kaksi samansuuntaista sähkövirtaa kohdistavat voimia toisiinsa. Vuonna 1821 William Hamilton aloitti Hamiltonin ominaisfunktion analyysin. Vuonna 1821 Michael Faraday rakensi sähköllä toimivan moottorin, ja Georg Ohm esitti vuonna 1826 sähkövastuksen lain, jossa hän ilmaisi jännitteen, virran ja vastuksen välisen suhteen sähköpiirissä. Vuotta myöhemmin kasvitieteilijä Robert Brown löysi Brownin liikkeen: vedessä olevat siitepölyhiukkaset liikkuvat nesteen nopeasti liikkuvien atomien tai molekyylien pommittamina. Vuonna 1829 Gaspard Coriolis otti käyttöön termit työ (voima kertaa etäisyys) ja liike-energia, joilla on nykyiset merkityksensä.
Vuonna 1831 Faraday (ja itsenäisesti Joseph Henry) löysi käänteisilmiön, sähköpotentiaalin tai -virran synnyttämisen magneettisuuden avulla, joka tunnetaan nimellä ”sähkömagneettinen induktio”; nämä kaksi keksintöä ovat sähkömoottorin ja generaattorin perusta. Vuonna 1834 Carl Jacobi löysi tasaisesti pyörivät, itseään painovoimaiset ellipsoidit (Jacobi-ellipsoidi). John Russell havaitsi vuonna 1834 hajoamattoman yksinäisen vesiaallon (soliton) Unionin kanavassa lähellä Edinburghia ja tutki vesisäiliön avulla yksinäisten vesiaaltojen nopeuksien riippuvuutta aallon amplitudista ja veden syvyydestä. Vuonna 1835 William Hamilton esitti Hamiltonin kanoniset liikeyhtälöt. Samana vuonna Gaspard Coriolis tutki teoreettisesti vesipyörien mekaanista tehokkuutta ja päätteli Coriolis-ilmiön. Vuonna 1841 Julius Robert von Mayer, amatööritieteilijä, kirjoitti tutkielman energian säilymisestä, mutta hänen akateemisen koulutuksensa puute johti tutkielman hylkäämiseen. Vuonna 1842 Christian Doppler esitti Doppler-ilmiön. Vuonna 1847 Hermann von Helmholtz esitti virallisesti energian säilymislain. Vuonna 1851 Léon Foucault osoitti maapallon pyörimisen valtavan heilurin avulla (Foucault’n heiluri).
Jatkuvuusmekaniikassa tapahtui vuosisadan alkupuoliskolla merkittäviä edistysaskeleita, nimittäin kimmoisuuslakien muotoilu kiinteille aineille ja Navier-Stokesin yhtälöiden keksiminen nesteille.
Termodynamiikan laitMuokkaa
(1824-1907)
Lämmön ja mekaanisen energian välisen yhteyden kvantitatiivisesti selvittivät 1800-luvulla Julius Robert von Mayer ja James Prescott Joule, jotka mittasivat lämmön mekaanisen ekvivalentin 1840-luvulla. Vuonna 1849 Joule julkaisi koesarjansa tulokset (muun muassa melapyöräkokeen), jotka osoittivat, että lämpö on eräs energian muoto, ja tämä tosiasia hyväksyttiin 1850-luvulla. Lämmön ja energian välinen suhde oli tärkeä höyrykoneiden kehittämisen kannalta, ja vuonna 1824 julkaistiin Sadi Carnot’n kokeellinen ja teoreettinen työ. Carnot omaksui joitakin termodynamiikan ajatuksia käsitellessään idealisoidun moottorin hyötysuhdetta. Sadi Carnot’n työ tarjosi pohjan termodynamiikan ensimmäisen lain – energian säilymislain uudelleenmuotoilun – muotoilulle, jonka William Thomson, joka myöhemmin tunnettiin nimellä lordi Kelvin, ja Rudolf Clausius esittivät noin vuonna 1850. Lordi Kelvin, joka oli laajentanut absoluuttisen nollapisteen käsitteen kaasuista kaikkiin aineisiin vuonna 1848, hyödynsi ensimmäisen lain muotoilussa Lazare Carnot’n, Sadi Carnot’n ja Émile Clapeyronin teknistä teoriaa sekä James Prescott Joulen kokeita mekaanisen, kemiallisen, lämpö- ja sähköisen työn muotojen vaihdettavuudesta.
Kelvin ja Clausius esittivät myös termodynamiikan toisen lain, joka alun perin muotoiltiin sen perusteella, että lämpö ei virtaa spontaanisti kylmemmästä kappaleesta kuumempaan. Muut muotoilut seurasivat nopeasti (esimerkiksi toista lakia selostettiin Thomsonin ja Peter Guthrie Taitin vaikutusvaltaisessa teoksessa Treatise on Natural Philosophy), ja erityisesti Kelvin ymmärsi joitakin lain yleisiä vaikutuksia. Toinen laki oli ajatus siitä, että kaasut koostuvat liikkeessä olevista molekyyleistä, jota Daniel Bernoulli oli käsitellyt yksityiskohtaisesti vuonna 1738, mutta joka oli menettänyt suosionsa, ja jonka Clausius elvytti vuonna 1857. Vuonna 1850 Hippolyte Fizeau ja Léon Foucault mittasivat valon nopeuden vedessä ja havaitsivat sen olevan hitaampi kuin ilmassa, mikä tukee valon aaltomallia. Vuonna 1852 Joule ja Thomson osoittivat, että nopeasti laajeneva kaasu jäähtyy, mikä myöhemmin nimettiin Joule-Thomson-ilmiöksi tai Joule-Kelvin-ilmiöksi. Hermann von Helmholtz esittää ajatuksen maailmankaikkeuden lämpökuolemasta vuonna 1854, samana vuonna kuin Clausius vahvisti dQ/T:n merkityksen (Clausiuksen teoreema) (vaikkei hän vielä nimennyt suuretta).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
James Clerk Maxwell löysi vuonna 1859 molekyylien nopeuksien jakaantumislain. Maxwell osoitti, että sähkö- ja magneettikentät etenevät lähteestään ulospäin valon nopeutta vastaavalla nopeudella ja että valo on yksi monista sähkömagneettisen säteilyn lajeista, joka eroaa muista vain taajuuden ja aallonpituuden suhteen. Vuonna 1859 Maxwell selvitti kaasun molekyylien nopeusjakauman matematiikan. Valon aaltoteoria oli laajalti hyväksytty Maxwellin sähkömagneettista kenttää koskevan työn aikaan, ja sen jälkeen valon sekä sähkön ja magnetismin tutkimus liittyivät läheisesti toisiinsa. James Maxwell julkaisi vuonna 1864 artikkelinsa sähkömagneettisen kentän dynaamisesta teoriasta ja totesi, että valo on sähkömagneettinen ilmiö, vuonna 1873 julkaistussa Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism -teoksessa. Tämä teos perustui saksalaisten teoreetikoiden, kuten Carl Friedrich Gaussin ja Wilhelm Weberin, teoreettisiin töihin. Lämmön kotelointi hiukkasmaiseen liikkeeseen ja sähkömagneettisten voimien lisääminen newtonilaiseen dynamiikkaan loivat fysikaalisille havainnoille valtavan vankan teoreettisen perustan.
Ennustus, jonka mukaan valo edusti energian siirtymistä aaltomuodossa ”valoa säteilevän eetterin” välityksellä, ja tuon ennusteen näennäinen vahvistus, kun Helmholtz-opiskelija Heinrich Hertz havaitsi vuonna 1888 sähkömagneettisen säteilyn, oli fysikaaliselle teorialle suuri voitto, ja se herätti mahdollisuuden, että kenttään pohjautuvia perustavanlaatuisempia teorioita voitiin pian kehittää. Kokeellisen vahvistuksen Maxwellin teorialle antoi Hertz, joka synnytti ja havaitsi sähköaaltoja vuonna 1886 ja todisti niiden ominaisuudet ja ennakoi samalla niiden käyttöä radiossa, televisiossa ja muissa laitteissa. Vuonna 1887 Heinrich Hertz löysi valosähköisen ilmiön. Sähkömagneettisten aaltojen tutkimus alkoi pian sen jälkeen, ja monet tutkijat ja keksijät tekivät kokeita niiden ominaisuuksista. Guglielmo Marconi kehitti 1890-luvun puolivälissä tai lopussa radioaaltoihin perustuvan langattoman lennätinjärjestelmän (ks. radion keksiminen).
Aineen atomiteoriaa oli ehdottanut uudelleen 1800-luvun alussa kemisti John Dalton, ja siitä tuli yksi Clausiuksen ja James Clerk Maxwellin kehittämän kineettis-molekulaarisen kaasuteorian hypoteeseista, joilla selitettiin termodynamiikan lakeja. Kineettinen teoria puolestaan johti Ludwig Boltzmannin (1844-1906) ja Josiah Willard Gibbsin (1839-1903) tilastolliseen mekaniikkaan, jonka mukaan energia (mukaan lukien lämpö) on hiukkasten nopeuden mitta. Clausius suhteutti hiukkasten tiettyjen järjestäytymistilojen tilastollisen todennäköisyyden ja näiden tilojen energian toisiinsa ja tulkitsi energian haihtumisen uudelleen molekyylikonfiguraatioiden tilastolliseksi taipumukseksi siirtyä kohti yhä todennäköisempiä, yhä epäjärjestyneempiä tiloja (keksi termin ”entropia” kuvaamaan tilan epäjärjestyneisyyttä). Termodynamiikan toisen lain tilastolliset ja absoluuttiset tulkinnat synnyttivät kiistan, joka kesti useita vuosikymmeniä (ja johti ”Maxwellin demonin” kaltaisiin väitteisiin) ja jota ei pidetty lopullisesti ratkaistuna ennen kuin atomien käyttäytyminen oli vakiintunut 1900-luvun alussa. Vuonna 1902 James Jeans löysi pituusskaalan, joka vaaditaan, jotta gravitaatiohäiriöt kasvaisivat staattisessa lähes homogeenisessa väliaineessa.