(1791-1867)
En 1800, Alessandro Volta invente la pile électrique (connue sous le nom de pile voltaïque) et améliore ainsi la façon dont on peut aussi étudier les courants électriques. Un an plus tard, Thomas Young démontre la nature ondulatoire de la lumière – qui reçoit un fort soutien expérimental grâce aux travaux d’Augustin-Jean Fresnel – et le principe d’interférence. En 1813, Peter Ewart soutient l’idée de la conservation de l’énergie dans son article intitulé On the measure of moving force. En 1820, Hans Christian Ørsted a découvert qu’un conducteur parcouru par un courant génère une force magnétique qui l’entoure. Une semaine après que la découverte d’Ørsted a atteint la France, André-Marie Ampère a découvert que deux courants électriques parallèles exercent des forces l’un sur l’autre. En 1821, William Hamilton commence son analyse de la fonction caractéristique de Hamilton. En 1821, Michael Faraday a construit un moteur fonctionnant à l’électricité, tandis que Georg Ohm a énoncé sa loi de la résistance électrique en 1826, exprimant la relation entre la tension, le courant et la résistance dans un circuit électrique. Un an plus tard, le botaniste Robert Brown découvre le mouvement brownien : les grains de pollen dans l’eau subissent un mouvement résultant de leur bombardement par les atomes ou molécules en mouvement rapide dans le liquide. En 1829, Gaspard Coriolis introduit les termes de travail (force fois distance) et d’énergie cinétique avec les significations qu’ils ont aujourd’hui.
En 1831, Faraday (et indépendamment Joseph Henry) découvre l’effet inverse, la production d’un potentiel ou d’un courant électrique par le magnétisme – connu sous le nom d’induction électromagnétique ; ces deux découvertes sont à la base du moteur électrique et du générateur électrique, respectivement. En 1834, Carl Jacobi a découvert ses ellipsoïdes autogravitants à rotation uniforme (l’ellipsoïde de Jacobi). En 1834, John Russell observe une vague d’eau solitaire non décomposée (soliton) dans le canal Union près d’Édimbourg et utilise un réservoir d’eau pour étudier la dépendance de la vitesse des vagues d’eau solitaires par rapport à l’amplitude de la vague et à la profondeur de l’eau. En 1835, William Hamilton a énoncé les équations canoniques du mouvement de Hamilton. La même année, Gaspard Coriolis examine théoriquement l’efficacité mécanique des roues à aubes et en déduit l’effet Coriolis. En 1841, Julius Robert von Mayer, un scientifique amateur, a écrit un article sur la conservation de l’énergie, mais son manque de formation académique a conduit à son rejet. En 1842, Christian Doppler propose l’effet Doppler. En 1847, Hermann von Helmholtz énonce formellement la loi de la conservation de l’énergie. En 1851, Léon Foucault montre la rotation de la Terre à l’aide d’un énorme pendule (pendule de Foucault).
Il y a eu des avancées importantes en mécanique des milieux continus dans la première moitié du siècle, à savoir la formulation des lois de l’élasticité pour les solides et la découverte des équations de Navier-Stokes pour les fluides.
Les lois de la thermodynamiqueEdit
(1824-1907)
Au XIXe siècle, le lien entre la chaleur et l’énergie mécanique est établi quantitativement par Julius Robert von Mayer et James Prescott Joule, qui mesurent l’équivalent mécanique de la chaleur dans les années 1840. En 1849, Joule a publié les résultats de sa série d’expériences (dont l’expérience de la roue à aubes) qui montrent que la chaleur est une forme d’énergie, un fait qui a été accepté dans les années 1850. La relation entre la chaleur et l’énergie était importante pour le développement des moteurs à vapeur, et en 1824, les travaux expérimentaux et théoriques de Sadi Carnot ont été publiés. Carnot a repris certaines des idées de la thermodynamique dans sa discussion sur l’efficacité d’un moteur idéalisé. Les travaux de Sadi Carnot ont servi de base à la formulation de la première loi de la thermodynamique – une réaffirmation de la loi de la conservation de l’énergie – qui a été énoncée vers 1850 par William Thomson, plus tard connu sous le nom de Lord Kelvin, et Rudolf Clausius. Lord Kelvin, qui avait étendu le concept du zéro absolu des gaz à toutes les substances en 1848, s’est inspiré de la théorie de l’ingénierie de Lazare Carnot, Sadi Carnot et Émile Clapeyron – ainsi que de l’expérimentation de James Prescott Joule sur l’interchangeabilité des formes de travail mécanique, chimique, thermique et électrique – pour formuler la première loi.
Kelvin et Clausius ont également énoncé la deuxième loi de la thermodynamique, qui a été formulée à l’origine en termes de fait que la chaleur ne passe pas spontanément d’un corps plus froid à un corps plus chaud. D’autres formulations ont rapidement suivi (par exemple, la deuxième loi a été exposée dans l’ouvrage influent de Thomson et Peter Guthrie Tait, Treatise on Natural Philosophy) et Kelvin en particulier a compris certaines des implications générales de la loi. La deuxième loi était l’idée que les gaz sont constitués de molécules en mouvement. Cette idée avait été discutée de manière assez détaillée par Daniel Bernoulli en 1738, mais était tombée en désuétude, et a été relancée par Clausius en 1857. En 1850, Hippolyte Fizeau et Léon Foucault mesurent la vitesse de la lumière dans l’eau et constatent qu’elle est plus lente que dans l’air, ce qui confirme le modèle ondulatoire de la lumière. En 1852, Joule et Thomson démontrent qu’un gaz en expansion rapide se refroidit, ce qui sera nommé plus tard l’effet Joule-Thomson ou effet Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz avance l’idée de la mort thermique de l’univers en 1854, la même année que Clausius établit l’importance de dQ/T (théorème de Clausius) (bien qu’il n’ait pas encore nommé la quantité).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
En 1859, James Clerk Maxwell découvre la loi de distribution des vitesses moléculaires. Maxwell a montré que les champs électriques et magnétiques se propagent vers l’extérieur à partir de leur source à une vitesse égale à celle de la lumière et que la lumière est l’un des nombreux types de rayonnement électromagnétique, ne différant des autres que par la fréquence et la longueur d’onde. En 1859, Maxwell a mis au point les mathématiques de la distribution des vitesses des molécules d’un gaz. La théorie ondulatoire de la lumière était largement acceptée à l’époque des travaux de Maxwell sur le champ électromagnétique, et par la suite, l’étude de la lumière et celle de l’électricité et du magnétisme ont été étroitement liées. En 1864, James Maxwell a publié ses articles sur une théorie dynamique du champ électromagnétique, et a affirmé que la lumière est un phénomène électromagnétique dans le Traité d’électricité et de magnétisme de Maxwell, publié en 1873. Ce travail s’inspirait des travaux théoriques de théoriciens allemands tels que Carl Friedrich Gauss et Wilhelm Weber. L’encapsulation de la chaleur dans le mouvement des particules et l’ajout des forces électromagnétiques à la dynamique newtonienne ont établi un fondement théorique extrêmement solide aux observations physiques.
La prédiction que la lumière représentait une transmission d’énergie sous forme d’onde à travers un « éther luminiferous », et la confirmation apparente de cette prédiction avec la détection du rayonnement électromagnétique par Heinrich Hertz, étudiant de Helmholtz, en 1888, a été un triomphe majeur pour la théorie physique et a soulevé la possibilité que des théories encore plus fondamentales basées sur le champ pourraient bientôt être développées. La confirmation expérimentale de la théorie de Maxwell a été fournie par Hertz, qui a généré et détecté des ondes électriques en 1886 et vérifié leurs propriétés, tout en annonçant leur application à la radio, à la télévision et à d’autres appareils. En 1887, Heinrich Hertz découvre l’effet photoélectrique. La recherche sur les ondes électromagnétiques a commencé peu après, et de nombreux scientifiques et inventeurs ont mené des expériences sur leurs propriétés. Au milieu ou à la fin des années 1890, Guglielmo Marconi a mis au point un système de télégraphie sans fil basé sur les ondes radio (voir invention de la radio).
La théorie atomique de la matière avait été proposée à nouveau au début du XIXe siècle par le chimiste John Dalton et est devenue l’une des hypothèses de la théorie cinétique-moléculaire des gaz développée par Clausius et James Clerk Maxwell pour expliquer les lois de la thermodynamique. La théorie cinétique a conduit à son tour à la mécanique statistique de Ludwig Boltzmann (1844-1906) et Josiah Willard Gibbs (1839-1903), selon laquelle l’énergie (y compris la chaleur) est une mesure de la vitesse des particules. Mettant en relation la probabilité statistique de certains états d’organisation de ces particules avec l’énergie de ces états, Clausius a réinterprété la dissipation d’énergie comme étant la tendance statistique des configurations moléculaires à évoluer vers des états de plus en plus probables et de plus en plus désorganisés (il a inventé le terme « entropie » pour décrire la désorganisation d’un état). Les interprétations statistiques et absolues de la deuxième loi de la thermodynamique ont donné lieu à un débat qui a duré plusieurs décennies (produisant des arguments tels que le « démon de Maxwell ») et qui n’a pas été considéré comme définitivement résolu avant que le comportement des atomes ne soit fermement établi au début du 20e siècle. En 1902, James Jeans a trouvé l’échelle de longueur nécessaire pour que les perturbations gravitationnelles croissent dans un milieu statique presque homogène.