(1791-1867)
În 1800, Alessandro Volta a inventat bateria electrică (cunoscută sub numele de pila voltaică) și a îmbunătățit astfel modul în care pot fi studiați și curenții electrici. Un an mai târziu, Thomas Young a demonstrat natura ondulatorie a luminii – care a primit un puternic sprijin experimental din lucrările lui Augustin-Jean Fresnel – și principiul interferenței. În 1813, Peter Ewart a susținut ideea conservării energiei în lucrarea sa „On the measure of moving force”. În 1820, Hans Christian Ørsted a descoperit că un conductor purtător de curent dă naștere unei forțe magnetice în jurul său, iar la o săptămână după ce descoperirea lui Ørsted a ajuns în Franța, André-Marie Ampère a descoperit că doi curenți electrici paraleli vor exercita forțe unul asupra celuilalt. În 1821, William Hamilton a început analiza funcției caracteristice a lui Hamilton. În 1821, Michael Faraday a construit un motor alimentat cu electricitate, în timp ce Georg Ohm și-a enunțat legea rezistenței electrice în 1826, exprimând relația dintre tensiune, curent și rezistență într-un circuit electric. Un an mai târziu, botanistul Robert Brown a descoperit mișcarea browniană: grăunțe de polen în apă care suferă o mișcare rezultată din bombardarea lor de către atomii sau moleculele în mișcare rapidă din lichid. În 1829, Gaspard Coriolis a introdus termenii de lucru (forță înmulțită cu distanța) și energie cinetică cu semnificațiile pe care le au astăzi.
În 1831, Faraday (și, independent, Joseph Henry) a descoperit efectul invers, producerea unui potențial sau curent electric prin magnetism – cunoscut sub numele de inducție electromagnetică; aceste două descoperiri stau la baza motorului electric și, respectiv, a generatorului electric. În 1834, Carl Jacobi a descoperit elipsoizii autogravitaționali cu rotație uniformă (elipsoidul lui Jacobi). În 1834, John Russell a observat o undă de apă solitară (soliton) nedecadentă în canalul Union de lângă Edinburgh și a folosit un rezervor de apă pentru a studia dependența vitezei undelor de apă solitare de amplitudinea valurilor și de adâncimea apei. În 1835, William Hamilton a enunțat ecuațiile canonice de mișcare ale lui Hamilton. În același an, Gaspard Coriolis a examinat teoretic eficiența mecanică a roților de apă și a dedus efectul Coriolis. În 1841, Julius Robert von Mayer, un om de știință amator, a scris o lucrare despre conservarea energiei, dar lipsa sa de pregătire academică a dus la respingerea acesteia. În 1842, Christian Doppler a propus efectul Doppler. În 1847, Hermann von Helmholtz a enunțat în mod oficial legea conservării energiei. În 1851, Léon Foucault a demonstrat rotația Pământului cu un pendul uriaș (pendulul Foucault).
Au existat progrese importante în mecanica continuumului în prima jumătate a secolului, și anume formularea legilor elasticității pentru solide și descoperirea ecuațiilor Navier-Stokes pentru fluide.
Legile termodinamiciiEdit
(1824-1907)
În secolul al XIX-lea, legătura dintre căldură și energie mecanică a fost stabilită cantitativ de Julius Robert von Mayer și James Prescott Joule, care au măsurat echivalentul mecanic al căldurii în anii 1840. În 1849, Joule a publicat rezultatele seriei sale de experimente (inclusiv experimentul cu roți cu palete) care arată că căldura este o formă de energie, fapt acceptat în anii 1850. Relația dintre căldură și energie a fost importantă pentru dezvoltarea motoarelor cu aburi, iar în 1824 au fost publicate lucrările experimentale și teoretice ale lui Sadi Carnot. Carnot a surprins unele dintre ideile termodinamicii în discuția sa despre eficiența unui motor idealizat. Lucrările lui Sadi Carnot au oferit o bază pentru formularea primei legi a termodinamicii – o reformulare a legii conservării energiei – care a fost enunțată în jurul anului 1850 de William Thomson, cunoscut mai târziu sub numele de Lord Kelvin, și Rudolf Clausius. Lordul Kelvin, care a extins conceptul de zero absolut de la gaze la toate substanțele în 1848, s-a bazat pe teoria inginerească a lui Lazare Carnot, Sadi Carnot și Émile Clapeyron, precum și pe experimentele lui James Prescott Joule privind interschimbabilitatea formelor de muncă mecanică, chimică, termică și electrică, pentru a formula prima lege.
Kelvin și Clausius au enunțat, de asemenea, a doua lege a termodinamicii, care a fost inițial formulată în termenii faptului că căldura nu curge spontan de la un corp mai rece la unul mai cald. Alte formulări au urmat rapid (de exemplu, cea de-a doua lege a fost expusă în influenta lucrare a lui Thomson și Peter Guthrie Tait, Treatise on Natural Philosophy), iar Kelvin, în special, a înțeles unele dintre implicațiile generale ale legii. A doua lege era ideea că gazele constau din molecule în mișcare fusese discutată în detaliu de Daniel Bernoulli în 1738, dar căzuse în dizgrație și a fost reluată de Clausius în 1857. În 1850, Hippolyte Fizeau și Léon Foucault au măsurat viteza luminii în apă și au constatat că aceasta este mai lentă decât în aer, în sprijinul modelului ondulatoriu al luminii. În 1852, Joule și Thomson au demonstrat că un gaz în expansiune rapidă se răcește, denumit ulterior efectul Joule-Thomson sau efectul Joule-Kelvin. Hermann von Helmholtz avansează ideea morții de căldură a universului în 1854, în același an în care Clausius a stabilit importanța lui dQ/T (teorema lui Clausius) (deși nu a numit încă această mărime).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
În 1859, James Clerk Maxwell a descoperit legea de distribuție a vitezelor moleculare. Maxwell a arătat că câmpurile electrice și magnetice se propagă spre exterior de la sursa lor cu o viteză egală cu cea a luminii și că lumina este unul dintre cele câteva tipuri de radiații electromagnetice, care diferă de celelalte doar prin frecvență și lungime de undă. În 1859, Maxwell a elaborat calculele matematice ale distribuției vitezelor moleculelor unui gaz. Teoria ondulatorie a luminii a fost acceptată pe scară largă în momentul în care Maxwell a lucrat la câmpul electromagnetic, iar ulterior, studiul luminii și cel al electricității și magnetismului au fost strâns legate. În 1864, James Maxwell a publicat lucrările sale privind o teorie dinamică a câmpului electromagnetic și a afirmat că lumina este un fenomen electromagnetic în 1873, când a publicat „Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism”. Această lucrare s-a bazat pe lucrările teoretice ale unor teoreticieni germani precum Carl Friedrich Gauss și Wilhelm Weber. Încapsularea căldurii în mișcarea particulelor și adăugarea forțelor electromagnetice la dinamica newtoniană au stabilit o bază teoretică enorm de solidă pentru observațiile fizice.
Predicția conform căreia lumina reprezintă o transmitere de energie sub formă de undă printr-un „eter luminifer” și aparenta confirmare a acestei predicții prin detectarea radiației electromagnetice de către studentul lui Helmholtz, Heinrich Hertz, în 1888, a fost un triumf major pentru teoria fizică și a ridicat posibilitatea ca în curând să fie dezvoltate teorii și mai fundamentale bazate pe acest domeniu. Confirmarea experimentală a teoriei lui Maxwell a fost oferită de Hertz, care a generat și detectat unde electrice în 1886 și a verificat proprietățile acestora, prefigurând în același timp aplicarea lor în radio, televiziune și alte dispozitive. În 1887, Heinrich Hertz a descoperit efectul fotoelectric. Cercetările privind undele electromagnetice au început la scurt timp după aceea, mulți oameni de știință și inventatori efectuând experimente privind proprietățile acestora. La mijlocul și sfârșitul anilor 1890, Guglielmo Marconi a dezvoltat un sistem de telegrafie fără fir bazat pe unde radio (vezi inventarea radioului).
Teoria atomică a materiei fusese propusă din nou la începutul secolului al XIX-lea de chimistul John Dalton și a devenit una dintre ipotezele teoriei cinetico-moleculare a gazelor, dezvoltată de Clausius și James Clerk Maxwell pentru a explica legile termodinamicii. Teoria cinetică a condus, la rândul său, la mecanica statistică a lui Ludwig Boltzmann (1844-1906) și Josiah Willard Gibbs (1839-1903), care susținea că energia (inclusiv căldura) este o măsură a vitezei particulelor. Corelând probabilitatea statistică a anumitor stări de organizare a acestor particule cu energia acelor stări, Clausius a reinterpretat disiparea de energie ca fiind tendința statistică a configurațiilor moleculare de a trece spre stări din ce în ce mai probabile și din ce în ce mai dezorganizate (creând termenul „entropie” pentru a descrie dezorganizarea unei stări). Interpretarea statistică versus interpretarea absolută a celei de-a doua legi a termodinamicii a declanșat o dispută care avea să dureze câteva decenii (producând argumente precum „demonul lui Maxwell”) și care nu avea să fie considerată definitiv rezolvată până când comportamentul atomilor nu a fost ferm stabilit la începutul secolului XX. În 1902, James Jeans a găsit scara de lungime necesară pentru ca perturbațiile gravitaționale să crească într-un mediu static aproape omogen
.