(1791-1867)
År 1800 uppfann Alessandro Volta det elektriska batteriet (känt som den voltaiska stapeln) och förbättrade därmed sättet att studera elektriska strömmar. Ett år senare visade Thomas Young ljusets vågkaraktär – som fick starkt experimentellt stöd av Augustin-Jean Fresnels arbete – och interferensprincipen. År 1813 stödde Peter Ewart idén om energins bevarande i sin uppsats On the measure of moving force. År 1820 upptäckte Hans Christian Ørsted att en strömförande ledare ger upphov till en magnetisk kraft som omger den, och inom en vecka efter att Ørsteds upptäckt nått Frankrike upptäckte André-Marie Ampère att två parallella elektriska strömmar utövar krafter på varandra. År 1821 påbörjade William Hamilton sin analys av Hamiltons karakteristiska funktion. År 1821 byggde Michael Faraday en eldriven motor, medan Georg Ohm 1826 fastställde sin lag om elektriskt motstånd och uttryckte förhållandet mellan spänning, ström och motstånd i en elektrisk krets. Ett år senare upptäckte botanikern Robert Brown den Brownska rörelsen: pollenkorn i vatten som rör sig till följd av att de bombarderas av atomer eller molekyler i vätskan som rör sig snabbt. År 1829 introducerade Gaspard Coriolis begreppen arbete (kraft gånger avstånd) och kinetisk energi med den betydelse de har i dag.
År 1831 upptäckte Faraday (och oberoende av honom Joseph Henry) den omvända effekten, dvs. framkallandet av en elektrisk potential eller ström genom magnetism – den så kallade elektromagnetiska induktionen; dessa två upptäckter ligger till grund för elmotorn respektive den elektriska generatorn. År 1834 upptäckte Carl Jacobi sina enhetligt roterande självgravitationsellipsoider (Jacobi ellipsoiden). År 1834 observerade John Russell en icke avklingande solitär vattenvåg (soliton) i Union Canal nära Edinburgh och använde en vattentank för att studera hur hastigheten hos solitära vattenvågor beror på vågamplituden och vattendjupet. År 1835 fastställde William Hamilton Hamiltons kanoniska rörelseekvationer. Samma år undersökte Gaspard Coriolis teoretiskt vattenhjulens mekaniska effektivitet och härledde Corioliseffekten. År 1841 skrev Julius Robert von Mayer, en amatörforskare, en uppsats om energins bevarande, men hans brist på akademisk utbildning ledde till att uppsatsen förkastades. År 1842 föreslog Christian Doppler Dopplereffekten. År 1847 fastställde Hermann von Helmholtz formellt lagen om energins bevarande. År 1851 visade Léon Foucault jordens rotation med en enorm pendel (Foucaultpendeln).
Det skedde viktiga framsteg inom kontinuumsmekaniken under första hälften av århundradet, nämligen formuleringen av elasticitetslagar för fasta ämnen och upptäckten av Navier-Stokes ekvationer för vätskor.
Termodynamikens lagarRedigera
(1824-1907)
(1824-1907)
Under 1800-talet fastställdes sambandet mellan värme och mekanisk energi kvantitativt av Julius Robert von Mayer och James Prescott Joule, som mätte den mekaniska ekvivalenten av värme på 1840-talet. År 1849 publicerade Joule resultaten från sin serie experiment (bland annat experimentet med skovelhjulet) som visar att värme är en form av energi, ett faktum som accepterades på 1850-talet. Förhållandet mellan värme och energi var viktigt för utvecklingen av ångmaskiner, och 1824 publicerades Sadi Carnots experimentella och teoretiska arbete. Carnot fångade några av termodynamikens idéer i sin diskussion om verkningsgraden hos en idealiserad motor. Sadi Carnots arbete utgjorde en grund för formuleringen av termodynamikens första lag – en omformulering av lagen om energins bevarande – som fastställdes omkring 1850 av William Thomson, senare känd som Lord Kelvin, och Rudolf Clausius. Lord Kelvin, som 1848 hade utvidgat begreppet absolut nollpunkt från gaser till att omfatta alla ämnen, använde sig av Lazare Carnots, Sadi Carnots och Émile Clapeyrons tekniska teorier – liksom James Prescott Joules experiment om utbytbarheten av mekaniska, kemiska, termiska och elektriska arbetsformer – för att formulera den första lagen.
Kelvin och Clausius fastställde också termodynamikens andra lag, som ursprungligen formulerades i termer av att värme inte spontant flödar från en kallare kropp till en varmare. Andra formuleringar följde snabbt (till exempel förklarades den andra lagen i Thomson och Peter Guthrie Taits inflytelserika verk Treatise on Natural Philosophy) och särskilt Kelvin förstod en del av lagens allmänna innebörd. Den andra lagen var idén att gaser består av molekyler i rörelse hade diskuterats ganska ingående av Daniel Bernoulli 1738, men hade fallit i onåd och återupplivades av Clausius 1857. År 1850 mätte Hippolyte Fizeau och Léon Foucault ljusets hastighet i vatten och fann att den är långsammare än i luft, vilket stöder ljusets vågmodell. År 1852 visade Joule och Thomson att en snabbt expanderande gas svalnar, vilket senare benämndes Joule-Thomson-effekten eller Joule-Kelvin-effekten. Hermann von Helmholtz lägger fram idén om universums värmedöd 1854, samma år som Clausius fastställde betydelsen av dQ/T (Clausius teorem) (även om han ännu inte namngav kvantiteten).
James Clerk MaxwellEdit
(1831-1879)
År 1859 upptäckte James Clerk Maxwell distributionslagen för molekylära hastigheter. Maxwell visade att elektriska och magnetiska fält fortplantar sig utåt från sin källa med en hastighet som är lika stor som ljusets och att ljuset är en av flera typer av elektromagnetisk strålning, som endast skiljer sig från de andra i fråga om frekvens och våglängd. År 1859 utarbetade Maxwell matematiken för fördelningen av hastigheterna hos molekylerna i en gas. Ljusets vågteori var allmänt accepterad vid tiden för Maxwells arbete med det elektromagnetiska fältet, och därefter var studiet av ljus och studiet av elektricitet och magnetism nära besläktade. År 1864 publicerade James Maxwell sina artiklar om en dynamisk teori om det elektromagnetiska fältet och konstaterade att ljuset är ett elektromagnetiskt fenomen i 1873 års publikation Maxwell’s Treatise on Electricity and Magnetism. Detta arbete byggde på teoretiska arbeten av tyska teoretiker som Carl Friedrich Gauss och Wilhelm Weber. Inkapslingen av värme i partikulär rörelse och tillägget av elektromagnetiska krafter till Newtons dynamik etablerade ett enormt robust teoretiskt underlag för fysiska observationer.
Förutsägelsen att ljuset representerade en överföring av energi i vågform genom en ”lysande eter”, och den skenbara bekräftelsen av denna förutsägelse i och med att Helmholtz-studenten Heinrich Hertz 1888 upptäckte elektromagnetisk strålning, var en stor triumf för den fysikaliska teorin och gav upphov till möjligheten att ännu mer fundamentala teorier som baserades på fältet snart kunde utvecklas. Den experimentella bekräftelsen av Maxwells teori kom från Hertz, som genererade och upptäckte elektriska vågor 1886 och verifierade deras egenskaper, samtidigt som han förebådade deras tillämpning i radio, TV och andra apparater. År 1887 upptäckte Heinrich Hertz den fotoelektriska effekten. Forskningen om elektromagnetiska vågor började strax därefter, och många vetenskapsmän och uppfinnare utförde experiment om deras egenskaper. I mitten och slutet av 1890-talet utvecklade Guglielmo Marconi ett radiovågsbaserat system för trådlös telegrafi (se radions uppfinning).
Materiens atomteori hade föreslagits på nytt i början av 1800-talet av kemisten John Dalton och blev en av hypoteserna i den kinetisk-molekylära teorin för gaser som utvecklades av Clausius och James Clerk Maxwell för att förklara termodynamikens lagar. Den kinetiska teorin ledde i sin tur till Ludwig Boltzmanns (1844-1906) och Josiah Willard Gibbs (1839-1903) statistiska mekanik, enligt vilken energi (inklusive värme) var ett mått på partiklarnas hastighet. Genom att koppla samman den statistiska sannolikheten för vissa organisationstillstånd hos dessa partiklar med energin i dessa tillstånd omtolkade Clausius energiförlusten till att vara den statistiska tendensen hos molekylära konfigurationer att övergå till alltmer sannolika, alltmer oorganiserade tillstånd (han myntade termen ”entropi” för att beskriva oorganiseringen av ett tillstånd). De statistiska kontra absoluta tolkningarna av termodynamikens andra lag skapade en tvist som skulle pågå i flera decennier (vilket gav upphov till argument som ”Maxwells demon”) och som inte skulle anses vara slutgiltigt löst förrän atomernas beteende var fast etablerat i början av 1900-talet. År 1902 fann James Jeans den längdskala som krävs för att gravitationsstörningar ska växa i ett statiskt nästan homogent medium.