(1791-1867)
1800-ban Alessandro Volta feltalálta az elektromos elemet (a voltaikus cölöpről ismert), és ezzel javította az elektromos áram tanulmányozásának módját is. Egy évvel később Thomas Young kimutatta a fény hullámtermészetét – ami Augustin-Jean Fresnel munkája révén komoly kísérleti támogatást kapott -, valamint az interferencia elvét. 1813-ban Peter Ewart az On the measure of moving force (A mozgó erő mértékéről) című munkájában alátámasztotta az energia megmaradásának gondolatát. 1820-ban Hans Christian Ørsted megállapította, hogy egy áramot vezető vezeték körül mágneses erő keletkezik, és egy héttel azután, hogy Ørsted felfedezése eljutott Franciaországba, André-Marie Ampère felfedezte, hogy két párhuzamos elektromos áram erőhatást fejt ki egymásra. 1821-ben William Hamilton megkezdte a Hamilton-féle karakterisztikus függvény elemzését. 1821-ben Michael Faraday elektromos meghajtású motort épített, Georg Ohm pedig 1826-ban fogalmazta meg az elektromos ellenállás törvényét, amely kifejezi a feszültség, az áram és az ellenállás közötti kapcsolatot egy elektromos áramkörben. Egy évvel később Robert Brown botanikus felfedezte a Brown-mozgást: a vízben lévő virágporszemek a folyadékban lévő gyorsan mozgó atomok vagy molekulák bombázása következtében mozgásnak vannak kitéve. 1829-ben Gaspard Coriolis vezette be a munka (erő szorozva a távolsággal) és a mozgási energia fogalmát mai jelentésükkel.
1831-ben Faraday (és tőle függetlenül Joseph Henry) felfedezte a fordított hatást, az elektromos potenciál vagy áram mágnesességen keresztül történő előállítását, amelyet elektromágneses indukciónak nevezünk; ez a két felfedezés képezi az elektromotor, illetve az elektromos generátor alapját. 1834-ben Carl Jacobi felfedezte az egyenletesen forgó, öngravitáló ellipszoidot (a Jacobi-ellipszoidot). 1834-ben John Russell az Edinburgh melletti Union-csatornában nem bomló magányos vízhullámot (szolitont) figyelt meg, és egy víztartály segítségével tanulmányozta a magányos vízhullámok sebességének a hullám amplitúdójától és a vízmélységtől való függését. 1835-ben William Hamilton megfogalmazta Hamilton kanonikus mozgásegyenleteit. Ugyanebben az évben Gaspard Coriolis elméletileg megvizsgálta a vízkerekek mechanikai hatásfokát, és levezette a Coriolis-hatást. 1841-ben Julius Robert von Mayer, egy amatőr tudós dolgozatot írt az energia megmaradásáról, de tudományos képzettségének hiánya miatt a dolgozatot elutasították. 1842-ben Christian Doppler felvetette a Doppler-hatást. 1847-ben Hermann von Helmholtz hivatalosan is megfogalmazta az energia megmaradásának törvényét. 1851-ben Léon Foucault egy hatalmas ingával (Foucault-ingával) mutatta ki a Föld forgását.
A század első felében fontos előrelépések történtek a kontinuummechanikában, nevezetesen a szilárd testekre vonatkozó rugalmassági törvények megfogalmazása és a folyadékokra vonatkozó Navier-Stokes-egyenletek felfedezése.
A termodinamika törvényeiSzerkesztés
(1824-1907)
A 19. században a hő és a mechanikai energia közötti kapcsolatot mennyiségileg Julius Robert von Mayer és James Prescott Joule állapította meg, akik az 1840-es években mérték a hő mechanikai egyenértékét. Joule 1849-ben publikálta kísérletsorozatának eredményeit (köztük a lapátkerék-kísérletet), amelyekből kiderült, hogy a hő az energia egyik formája, és ezt a tényt az 1850-es években elfogadták. A hő és az energia közötti kapcsolat fontos volt a gőzgépek fejlesztése szempontjából. 1824-ben jelent meg Sadi Carnot kísérleti és elméleti munkája. Carnot egy idealizált motor hatásfokáról szóló értekezésében megragadta a termodinamika néhány gondolatát. Sadi Carnot munkája szolgáltatta az alapot a termodinamika első törvényének megfogalmazásához – az energia megmaradásának törvényének újrafogalmazásához -, amelyet 1850 körül William Thomson, a későbbi Lord Kelvin és Rudolf Clausius fogalmazott meg. Lord Kelvin, aki 1848-ban kiterjesztette az abszolút nulla fogalmát a gázokról az összes anyagra, Lazare Carnot, Sadi Carnot és Émile Clapeyron műszaki elméletére – valamint James Prescott Joule-nak a mechanikai, kémiai, termikus és elektromos munkaformák felcserélhetőségére vonatkozó kísérleteire – támaszkodva fogalmazta meg az első törvényt.
Kelvin és Clausius fogalmazták meg a termodinamika második törvényét is, amelyet eredetileg úgy fogalmaztak meg, hogy a hő nem áramlik spontán módon egy hidegebb testből egy melegebbbe. Hamarosan más megfogalmazások is követték (a második törvényt például Thomson és Peter Guthrie Tait nagy hatású Treatise on Natural Philosophy című művében fejtette ki), és különösen Kelvin értette meg a törvény néhány általános következményét. A második törvényt, azt az elképzelést, hogy a gázok mozgásban lévő molekulákból állnak, Daniel Bernoulli már 1738-ban részletesen tárgyalta, de kiesett a népszerűségből, és 1857-ben Clausius elevenítette fel. 1850-ben Hippolyte Fizeau és Léon Foucault megmérte a fény sebességét vízben, és azt találta, hogy az lassabb, mint a levegőben, ami a fény hullámmodelljét támasztja alá. 1852-ben Joule és Thomson kimutatták, hogy a gyorsan táguló gáz lehűl, amit később Joule-Thomson-hatásnak vagy Joule-Kelvin-hatásnak neveztek el. Hermann von Helmholtz 1854-ben, ugyanabban az évben, amikor Clausius megállapította a dQ/T (Clausius-tétel) jelentőségét (bár a mennyiséget még nem nevezte meg), előáll a világegyetem hőhalálának gondolatával.
James Clerk MaxwellSzerkesztés
(1831-1879)
1859-ben James Clerk Maxwell felfedezte a molekuláris sebességek eloszlási törvényét. Maxwell kimutatta, hogy az elektromos és mágneses mezők a fény sebességével megegyező sebességgel terjednek a forrásuktól kifelé, és hogy a fény az elektromágneses sugárzás egyik fajtája, amely csak frekvenciájában és hullámhosszában különbözik a többitől. 1859-ben Maxwell kidolgozta a gázmolekulák sebességeloszlásának matematikáját. A fény hullámelmélete Maxwell elektromágneses mezőre vonatkozó munkájának idejére már széles körben elfogadottá vált, és ezután a fény, valamint az elektromosság és a mágnesesség tanulmányozása szorosan összekapcsolódott. James Maxwell 1864-ben publikálta az elektromágneses mező dinamikai elméletéről szóló munkáit, és az 1873-ban megjelent Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism (Maxwell értekezése az elektromosságról és a mágnesességről) című művében kijelentette, hogy a fény elektromágneses jelenség. Ez a munka olyan német elméleti szakemberek elméleti munkáira támaszkodott, mint Carl Friedrich Gauss és Wilhelm Weber. A hőnek a részecskemozgásba zárása és az elektromágneses erők hozzáadása a newtoni dinamikához rendkívül szilárd elméleti alapot teremtett a fizikai megfigyelésekhez.
A jóslat, hogy a fény az energia hullámformájú átvitelét jelenti egy “világító éteren” keresztül, és e jóslat látszólagos megerősítése a Helmholtz-tanítvány Heinrich Hertz 1888-as elektromágneses sugárzás észlelésével a fizikai elmélet nagy diadala volt, és felvetette annak lehetőségét, hogy hamarosan még alaposabb, a mezőn alapuló elméleteket lehet kidolgozni. Maxwell elméletének kísérleti megerősítését Hertz szolgáltatta, aki 1886-ban elektromos hullámokat generált és észlelt, és igazolta azok tulajdonságait, egyúttal előrevetítette azok alkalmazását a rádióban, a televízióban és más eszközökben. 1887-ben Heinrich Hertz felfedezte a fotoelektromos hatást. Az elektromágneses hullámok kutatása hamarosan megkezdődött, számos tudós és feltaláló végzett kísérleteket a tulajdonságaikkal kapcsolatban. Az 1890-es évek közepén-végén Guglielmo Marconi kifejlesztett egy rádióhullámokon alapuló vezeték nélküli távírórendszert (lásd a rádió feltalálása).
Az anyag atomelméletét a 19. század elején John Dalton kémikus vetette fel újra, és a Clausius és James Clerk Maxwell által a termodinamika törvényeinek magyarázatára kidolgozott kinetikus-molekuláris gázelmélet egyik hipotézise lett. A kinetikus elmélet viszont Ludwig Boltzmann (1844-1906) és Josiah Willard Gibbs (1839-1903) statisztikai mechanikájához vezetett, amely szerint az energia (beleértve a hőt is) a részecskék sebességének mértékegysége. Összefüggésbe hozva e részecskék bizonyos szerveződési állapotainak statisztikai valószínűségét ezen állapotok energiájával, Clausius az energia disszipációját úgy értelmezte újra, hogy az a molekuláris konfigurációk statisztikai tendenciája, hogy egyre valószínűbb, egyre szervezetlenebb állapotok felé haladnak (az állapot szervezetlenségének leírására alkotta meg az “entrópia” kifejezést). A termodinamika második törvényének statisztikai versus abszolút értelmezése olyan vitát indított el, amely több évtizedig tartott (és olyan vitákat eredményezett, mint a “Maxwell-démon”), és amelyet nem lehetett véglegesen eldöntöttnek tekinteni, amíg a 20. század elején az atomok viselkedését szilárdan meg nem állapították. 1902-ben James Jeans megtalálta a gravitációs perturbációk növekedéséhez szükséges hosszskálát egy statikus, majdnem homogén közegben.