(1791-1867)
Nel 1800, Alessandro Volta inventò la pila elettrica (nota come pila voltaica) e migliorò così il modo di studiare le correnti elettriche. Un anno dopo, Thomas Young dimostrò la natura ondulatoria della luce – che ricevette un forte sostegno sperimentale dal lavoro di Augustin-Jean Fresnel – e il principio di interferenza. Nel 1813, Peter Ewart sostenne l’idea della conservazione dell’energia nel suo articolo Sulla misura della forza in movimento. Nel 1820, Hans Christian Ørsted scoprì che un conduttore che trasporta corrente genera una forza magnetica che lo circonda, ed entro una settimana dalla scoperta di Ørsted, André-Marie Ampère scoprì che due correnti elettriche parallele esercitano forze l’una sull’altra. Nel 1821, William Hamilton iniziò la sua analisi della funzione caratteristica di Hamilton. Nel 1821, Michael Faraday costruì un motore alimentato a elettricità, mentre Georg Ohm dichiarò la sua legge della resistenza elettrica nel 1826, esprimendo la relazione tra tensione, corrente e resistenza in un circuito elettrico. Un anno dopo, il botanico Robert Brown scoprì il moto browniano: granelli di polline in acqua che si muovono a causa del loro bombardamento da parte di atomi o molecole in rapido movimento nel liquido. Nel 1829, Gaspard Coriolis introdusse i termini di lavoro (forza per la distanza) e di energia cinetica con i significati che hanno oggi.
Nel 1831, Faraday (e indipendentemente Joseph Henry) scoprì l’effetto inverso, la produzione di un potenziale elettrico o di una corrente attraverso il magnetismo – noto come induzione elettromagnetica; queste due scoperte sono la base del motore elettrico e del generatore elettrico, rispettivamente. Nel 1834, Carl Jacobi scoprì i suoi ellissoidi autogravitanti a rotazione uniforme (l’ellissoide di Jacobi). Nel 1834, John Russell osservò un’onda d’acqua solitaria non decadente (solitone) nell’Union Canal vicino a Edimburgo e usò un serbatoio d’acqua per studiare la dipendenza delle velocità delle onde d’acqua solitarie dall’ampiezza dell’onda e dalla profondità dell’acqua. Nel 1835, William Hamilton enunciò le equazioni canoniche del moto di Hamilton. Nello stesso anno, Gaspard Coriolis esaminò teoricamente l’efficienza meccanica delle ruote idrauliche e dedusse l’effetto Coriolis. Nel 1841, Julius Robert von Mayer, uno scienziato dilettante, scrisse un documento sulla conservazione dell’energia, ma la sua mancanza di formazione accademica portò al suo rifiuto. Nel 1842, Christian Doppler propose l’effetto Doppler. Nel 1847, Hermann von Helmholtz dichiarò formalmente la legge di conservazione dell’energia. Nel 1851, Léon Foucault mostrò la rotazione della Terra con un enorme pendolo (pendolo di Foucault).
Ci furono importanti progressi nella meccanica dei continui nella prima metà del secolo, in particolare la formulazione delle leggi di elasticità per i solidi e la scoperta delle equazioni di Navier-Stokes per i fluidi.
Leggi della termodinamicaModifica
(1824-1907)
Nel XIX secolo, la connessione tra calore ed energia meccanica fu stabilita quantitativamente da Julius Robert von Mayer e James Prescott Joule, che misurarono l’equivalente meccanico del calore negli anni 1840. Nel 1849, Joule pubblicò i risultati della sua serie di esperimenti (incluso l’esperimento della ruota a pale) che mostrano che il calore è una forma di energia, un fatto che fu accettato negli anni 1850. La relazione tra calore ed energia fu importante per lo sviluppo delle macchine a vapore, e nel 1824 fu pubblicato il lavoro sperimentale e teorico di Sadi Carnot. Carnot catturò alcune delle idee della termodinamica nella sua discussione sull’efficienza di un motore idealizzato. Il lavoro di Sadi Carnot fornì una base per la formulazione della prima legge della termodinamica – una riaffermazione della legge di conservazione dell’energia – che fu dichiarata intorno al 1850 da William Thomson, più tardi conosciuto come Lord Kelvin, e Rudolf Clausius. Lord Kelvin, che aveva esteso il concetto di zero assoluto dai gas a tutte le sostanze nel 1848, si basò sulla teoria ingegneristica di Lazare Carnot, Sadi Carnot e Émile Clapeyron, nonché sulla sperimentazione di James Prescott Joule sull’intercambiabilità delle forme di lavoro meccanico, chimico, termico ed elettrico per formulare la prima legge.
Kelvin e Clausius enunciarono anche la seconda legge della termodinamica, che fu originariamente formulata in termini del fatto che il calore non passa spontaneamente da un corpo più freddo a uno più caldo. Altre formulazioni seguirono rapidamente (per esempio, la seconda legge fu esposta nell’influente opera di Thomson e Peter Guthrie Tait Treatise on Natural Philosophy) e Kelvin in particolare comprese alcune delle implicazioni generali della legge. La seconda legge era l’idea che i gas consistono di molecole in movimento ed era stata discussa in qualche dettaglio da Daniel Bernoulli nel 1738, ma era caduta in disgrazia, e fu ripresa da Clausius nel 1857. Nel 1850, Hippolyte Fizeau e Léon Foucault misurarono la velocità della luce in acqua e trovarono che è più lenta che in aria, a sostegno del modello ondulatorio della luce. Nel 1852, Joule e Thomson dimostrano che un gas in rapida espansione si raffredda, in seguito chiamato effetto Joule-Thomson o effetto Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz avanza l’idea della morte termica dell’universo nel 1854, lo stesso anno in cui Clausius stabilisce l’importanza di dQ/T (teorema di Clausius) (sebbene non abbia ancora dato un nome alla quantità).
James Clerk MaxwellModifica
(1831-1879)
Nel 1859, James Clerk Maxwell scoprì la legge di distribuzione delle velocità molecolari. Maxwell dimostrò che i campi elettrici e magnetici si propagano verso l’esterno della loro sorgente ad una velocità uguale a quella della luce e che la luce è uno dei vari tipi di radiazione elettromagnetica, che differisce dagli altri solo per la frequenza e la lunghezza d’onda. Nel 1859, Maxwell elaborò la matematica della distribuzione delle velocità delle molecole di un gas. La teoria delle onde della luce era ampiamente accettata al tempo del lavoro di Maxwell sul campo elettromagnetico, e in seguito lo studio della luce e quello dell’elettricità e del magnetismo furono strettamente collegati. Nel 1864 James Maxwell pubblicò i suoi articoli su una teoria dinamica del campo elettromagnetico, e affermò che la luce è un fenomeno elettromagnetico nella pubblicazione del 1873 del Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism. Questo lavoro si basava sul lavoro teorico di teorici tedeschi come Carl Friedrich Gauss e Wilhelm Weber. L’incapsulamento del calore nel movimento delle particelle e l’aggiunta delle forze elettromagnetiche alla dinamica newtoniana stabilirono un enormemente robusto sostegno teorico alle osservazioni fisiche.
La previsione che la luce rappresentasse una trasmissione di energia in forma d’onda attraverso un “etere luminifero”, e l’apparente conferma di quella previsione con il rilevamento della radiazione elettromagnetica da parte dello studente di Helmholtz Heinrich Hertz nel 1888, fu un grande trionfo per la teoria fisica e sollevò la possibilità che teorie ancora più fondamentali basate sul campo potessero essere presto sviluppate. La conferma sperimentale della teoria di Maxwell fu fornita da Hertz, che generò e rilevò le onde elettriche nel 1886 e verificò le loro proprietà, prefigurando allo stesso tempo la loro applicazione in radio, televisione e altri dispositivi. Nel 1887, Heinrich Hertz scoprì l’effetto fotoelettrico. La ricerca sulle onde elettromagnetiche iniziò subito dopo, con molti scienziati e inventori che conducevano esperimenti sulle loro proprietà. Tra la metà e la fine del 1890 Guglielmo Marconi sviluppò un sistema di telegrafia senza fili basato sulle onde radio (vedi invenzione della radio).
La teoria atomica della materia era stata proposta nuovamente all’inizio del XIX secolo dal chimico John Dalton e divenne una delle ipotesi della teoria cinetico-molecolare dei gas sviluppata da Clausius e James Clerk Maxwell per spiegare le leggi della termodinamica. La teoria cinetica portò a sua volta alla meccanica statistica di Ludwig Boltzmann (1844-1906) e Josiah Willard Gibbs (1839-1903), che riteneva che l’energia (compreso il calore) fosse una misura della velocità delle particelle. Interrelando la probabilità statistica di certi stati di organizzazione di queste particelle con l’energia di questi stati, Clausius reinterpretò la dissipazione di energia come la tendenza statistica delle configurazioni molecolari a passare verso stati sempre più probabili e sempre più disorganizzati (coniando il termine “entropia” per descrivere la disorganizzazione di uno stato). Le interpretazioni statistiche contro quelle assolute della seconda legge della termodinamica diedero vita a una disputa che sarebbe durata per diversi decenni (producendo argomenti come il “demone di Maxwell”), e che non sarebbe stata ritenuta definitivamente risolta fino a quando il comportamento degli atomi non fosse stato fermamente stabilito all’inizio del XX secolo. Nel 1902, James Jeans trovò la scala di lunghezza necessaria perché le perturbazioni gravitazionali crescano in un mezzo statico quasi omogeneo.