(1791-1867)
In 1800 vond Alessandro Volta de elektrische batterij uit (bekend van de voltaïsche paal) en verbeterde daarmee de manier waarop ook elektrische stromen konden worden bestudeerd. Een jaar later toonde Thomas Young het golfkarakter van licht aan – dat sterke experimentele steun kreeg van het werk van Augustin-Jean Fresnel – en het principe van interferentie. In 1813 ondersteunde Peter Ewart het idee van behoud van energie in zijn artikel On the measure of moving force. In 1820 ontdekte Hans Christian Ørsted dat een stroomvoerende geleider een magnetische kracht rondom zich veroorzaakt, en binnen een week nadat de ontdekking van Ørsted Frankrijk had bereikt, ontdekte André-Marie Ampère dat twee parallelle elektrische stromen krachten op elkaar uitoefenen. In 1821 begon William Hamilton met zijn analyse van Hamilton’s karakteristieke functie. In 1821 bouwde Michael Faraday een door elektriciteit aangedreven motor, terwijl Georg Ohm in 1826 zijn wet van de elektrische weerstand verklaarde, waarin hij de relatie tussen spanning, stroom en weerstand in een elektrisch circuit uitdrukt. Een jaar later ontdekte de botanicus Robert Brown de Brownse beweging: stuifmeelkorrels in water die in beweging komen als gevolg van het bombardement door de snel bewegende atomen of moleculen in de vloeistof. In 1829 introduceerde Gaspard Coriolis de termen arbeid (kracht maal afstand) en kinetische energie met de betekenissen die zij vandaag hebben.
In 1831 ontdekte Faraday (en onafhankelijk daarvan Joseph Henry) het omgekeerde effect, de productie van een elektrische potentiaal of stroom door magnetisme – bekend als elektromagnetische inductie; deze twee ontdekkingen liggen aan de basis van respectievelijk de elektrische motor en de elektrische generator. In 1834 ontdekte Carl Jacobi zijn gelijkmatig roterende zelfzwakkende ellipsoïden (de Jacobi-ellipsoïde). In 1834 observeerde John Russell een niet-verdervende solitaire watergolf (soliton) in het Union Canal bij Edinburgh en gebruikte hij een waterreservoir om de afhankelijkheid van de snelheid van solitaire watergolven van de golfamplitude en de waterdiepte te bestuderen. In 1835 stelde William Hamilton de canonieke bewegingsvergelijkingen van Hamilton op. In hetzelfde jaar onderzocht Gaspard Coriolis theoretisch de mechanische efficiëntie van waterraderen en leidde hij het Coriolis-effect af. In 1841 schreef Julius Robert von Mayer, een amateur-wetenschapper, een verhandeling over het behoud van energie, maar zijn gebrek aan academische vorming leidde tot de verwerping ervan. In 1842 stelde Christian Doppler het Doppler-effect voor. In 1847 verklaarde Hermann von Helmholtz formeel de wet van behoud van energie. In 1851 toonde Léon Foucault de draaiing van de aarde aan met een reusachtige slinger (slinger van Foucault).
Er waren belangrijke vorderingen in de continuummechanica in de eerste helft van de eeuw, namelijk de formulering van elasticiteitswetten voor vaste stoffen en de ontdekking van Navier-Stokes vergelijkingen voor vloeistoffen.
Wetten van de thermodynamicaEdit
(1824-1907)
In de 19e eeuw werd het verband tussen warmte en mechanische energie kwantitatief vastgesteld door Julius Robert von Mayer en James Prescott Joule, die in de jaren 1840 het mechanische equivalent van warmte maten. In 1849 publiceerde Joule de resultaten van zijn reeks experimenten (waaronder het schoepenradexperiment) waaruit blijkt dat warmte een vorm van energie is, een feit dat in de jaren 1850 werd aanvaard. Het verband tussen warmte en energie was belangrijk voor de ontwikkeling van stoommachines, en in 1824 werd het experimentele en theoretische werk van Sadi Carnot gepubliceerd. Carnot vatte enkele van de ideeën van de thermodynamica in zijn bespreking van het rendement van een geïdealiseerde machine. Het werk van Sadi Carnot vormde de basis voor de formulering van de eerste wet van de thermodynamica – een herformulering van de wet van behoud van energie – die rond 1850 werd vastgesteld door William Thomson, later bekend als Lord Kelvin, en Rudolf Clausius. Lord Kelvin, die in 1848 het concept van het absolute nulpunt van gassen tot alle stoffen had uitgebreid, baseerde zich op de ingenieurstheorie van Lazare Carnot, Sadi Carnot en Émile Clapeyron – alsook op de experimenten van James Prescott Joule over de inwisselbaarheid van mechanische, chemische, thermische en elektrische vormen van arbeid – om de eerste wet te formuleren.
Kelvin en Clausius stelden ook de tweede wet van de thermodynamica op, die oorspronkelijk werd geformuleerd in termen van het feit dat warmte niet spontaan van een kouder lichaam naar een heter lichaam vloeit. Andere formuleringen volgden snel (de tweede wet werd bijvoorbeeld uiteengezet in Thomson en Peter Guthrie Tait’s invloedrijke werk Treatise on Natural Philosophy) en vooral Kelvin begreep enkele van de algemene implicaties van de wet. De tweede wet, het idee dat gassen bestaan uit moleculen in beweging, was in 1738 uitvoerig besproken door Daniel Bernoulli, maar was uit de gratie geraakt, en werd in 1857 door Clausius nieuw leven ingeblazen. In 1850 maten Hippolyte Fizeau en Léon Foucault de snelheid van het licht in water en ontdekten dat deze langzamer was dan in lucht, hetgeen het golfmodel van licht ondersteunde. In 1852 toonden Joule en Thomson aan dat een snel uitdijend gas afkoelt, later het Joule-Thomson effect of Joule-Kelvin effect genoemd. Hermann von Helmholtz komt met het idee van de hittedood van het heelal in 1854, hetzelfde jaar waarin Clausius het belang van dQ/T vaststelde (de stelling van Clausius) (hoewel hij de grootheid nog geen naam had gegeven).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
In 1859 ontdekte James Clerk Maxwell de distributiewet van moleculaire snelheden. Maxwell toonde aan dat elektrische en magnetische velden zich vanuit hun bron naar buiten voortplanten met een snelheid die gelijk is aan die van het licht en dat licht een van de verschillende soorten elektromagnetische straling is, die alleen in frequentie en golflengte van de andere verschillen. In 1859 werkte Maxwell de wiskunde uit van de verdeling van de snelheden van de moleculen van een gas. De golftheorie van het licht was algemeen aanvaard tegen de tijd van Maxwells werk aan het elektromagnetische veld, en nadien waren de studie van het licht en die van elektriciteit en magnetisme nauw met elkaar verbonden. In 1864 publiceerde James Maxwell zijn verhandelingen over een dynamische theorie van het elektromagnetische veld, en hij verklaarde dat licht een elektromagnetisch verschijnsel is in de publicatie van 1873 van Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism. Dit werk was gebaseerd op theoretisch werk van Duitse theoretici als Carl Friedrich Gauss en Wilhelm Weber. De inkapseling van warmte in deeltjesbeweging en de toevoeging van elektromagnetische krachten aan de Newtoniaanse dynamica vormden een enorm robuuste theoretische onderbouwing van natuurkundige waarnemingen.
De voorspelling dat licht een overdracht van energie in golfvorm door een “lichtgevende ether” vertegenwoordigde, en de schijnbare bevestiging van die voorspelling met de detectie van elektromagnetische straling door Helmholtz-student Heinrich Hertz in 1888, was een grote triomf voor de natuurkundige theorie en wekte de mogelijkheid dat spoedig nog fundamentelere theorieën op basis van het veld zouden kunnen worden ontwikkeld. De experimentele bevestiging van Maxwells theorie werd geleverd door Hertz, die in 1886 elektrische golven genereerde en detecteerde en hun eigenschappen verifieerde, waarbij hij tegelijkertijd de voorbode was van hun toepassing in radio, televisie en andere apparaten. In 1887 ontdekte Heinrich Hertz het foto-elektrisch effect. Het onderzoek naar de elektromagnetische golven begon spoedig daarna, met vele wetenschappers en uitvinders die experimenten uitvoerden naar hun eigenschappen. In het midden tot het einde van de jaren 1890 ontwikkelde Guglielmo Marconi een op radiogolven gebaseerd draadloos telegrafiesysteem (zie uitvinding van de radio).
De atoomtheorie van de materie was in het begin van de 19e eeuw opnieuw voorgesteld door de chemicus John Dalton en werd een van de hypothesen van de kinetisch-moleculaire theorie van de gassen, ontwikkeld door Clausius en James Clerk Maxwell om de wetten van de thermodynamica te verklaren. De kinetische theorie leidde op haar beurt tot de statistische mechanica van Ludwig Boltzmann (1844-1906) en Josiah Willard Gibbs (1839-1903), die stelde dat energie (inclusief warmte) een maat was voor de snelheid van deeltjes. Clausius legde een verband tussen de statistische waarschijnlijkheid van bepaalde organisatorische toestanden van deze deeltjes en de energie van die toestanden en herinterpreteerde het verlies van energie als de statistische neiging van moleculaire configuraties om over te gaan naar steeds waarschijnlijker, steeds ongeorganiseerder toestanden (hij bedacht de term “entropie” om de ongeorganiseerdheid van een toestand te beschrijven). De statistische versus absolute interpretaties van de tweede wet van de thermodynamica leidden tot een discussie die verscheidene decennia zou duren (en die argumenten als “de demon van Maxwell” voortbracht), en die pas definitief zou worden opgelost toen het gedrag van atomen in het begin van de 20e eeuw stevig werd verankerd. In 1902 vond James Jeans de lengteschaal die nodig is voor gravitationele verstoringen om te groeien in een statisch bijna homogeen medium.