19 век в науке - 19th century in science
В 19 веке в науке зародилась наука как профессия; Термин «ученый» был введен в 1833 году Уильямом Уэвеллом и вскоре заменил старый термин «(естествоиспытатель) философ».
Среди наиболее влиятельных идей 19 века были идеи Чарльза Дарвина (наряду с независимыми исследованиями Альфреда Рассела Уоллеса ), который в 1859 году опубликовал книгу «Происхождение видов» , в которой была представлена идея эволюции путем естественного отбора . Другой важной вехой в медицине и биологии были успешные попытки доказать микробную теорию болезней . Вслед за этим Луи Пастер сделал первую вакцину против бешенства , а также сделал много открытий в области химии, включая асимметрию кристаллов . В химии, Дмитрий Менделеев , следуя теории атома от Джона Дальтона , создал первую периодическую таблицу из элементов . В физике эксперименты, теории и открытия Майкла Фарадея , Андре-Мари Ампера , Джеймса Клерка Максвелла и их современников привели к созданию электромагнетизма как новой отрасли науки. Термодинамика привела к пониманию тепла и определению понятия энергии.
Другие важные события включают открытия, раскрывающие природу атомной структуры и вещества одновременно с химией, а также новые виды излучения. В астрономии была открыта планета Нептун. В математике понятие комплексных чисел окончательно созрело и привело к последующей аналитической теории; они также начали использовать гиперкомплексные числа . Карл Вейерштрасс и другие провели арифметизацию анализа функций действительных и комплексных переменных . Это также стало началом нового прогресса в геометрии, выходящего за рамки классических теорий Евклида, спустя почти две тысячи лет. В математической науке логики также произошли революционные прорывы после столь же длительного периода застоя. Но самым важным шагом в науке в это время стали идеи, сформулированные создателями электротехники. Их работа изменила лицо физики и сделала возможным появление новых технологий, таких как электроэнергия, электротелеграфия, телефон и радио.
Математика
На протяжении XIX века математика становилась все более абстрактной. Карл Фридрих Гаусс (1777–1855) олицетворяет эту тенденцию. Он сделал революционную работу на функции от комплексных переменных , в геометрии , и о сходимости рядов , оставляя в стороне его большой вклад в науку. Он также дал первые удовлетворительные доказательства основной теоремы алгебры и квадратичного закона взаимности . Его том 1801 года Disquisitiones Arithmeticae заложил основы современной теории чисел.
В этом столетии развились две формы неевклидовой геометрии , где постулат о параллельности евклидовой геометрии больше не действует. Русский математик Николай Иванович Лобачевский и его соперник, венгерский математик Янош Бойяи , независимо друг от друга определили и изучили гиперболическую геометрию , в которой больше нет единственности параллелей. В этой геометрии сумма углов в треугольнике составляет менее 180 °. Эллиптическая геометрия была разработана позже, в 19 веке, немецким математиком Бернхардом Риманом ; здесь нет параллели, и углы в треугольнике в сумме составляют более 180 °. Риман также разработал риманову геометрию , которая объединяет и значительно обобщает три типа геометрии.
В 19 веке началась большая часть абстрактной алгебры . Герман Грассманн в Германии дал первую версию векторных пространств , Уильям Роуэн Гамильтон в Ирландии разработал некоммутативную алгебру . Британский математик Джордж Буль изобрел алгебру, которая вскоре превратилась в то, что сейчас называется булевой алгеброй , в которой единственными числами были 0 и 1. Булева алгебра является отправной точкой математической логики и имеет важные приложения в информатике .
Огюстен-Луи Коши , Бернхард Риман и Карл Вейерштрасс переформулировали исчисление в более строгой форме.
Кроме того, впервые были исследованы пределы математики. Нильс Хенрик Абель , норвежец, и Эварист Галуа , француз, доказали, что не существует общего алгебраического метода решения полиномиальных уравнений степени выше четырех ( теорема Абеля – Руффини ). Другие математики XIX века использовали это в своих доказательствах того, что одной линейки и циркуля недостаточно, чтобы разрезать произвольный угол пополам , построить сторону куба, вдвое превышающую объем данного куба, или построить квадрат, равный по площади заданному. круг. Математики тщетно пытались решить все эти проблемы еще со времен древних греков. С другой стороны, ограничение трех измерений в геометрии было преодолено в 19 веке благодаря рассмотрению пространства параметров и гиперкомплексных чисел .
В конце XIX века Георг Кантор заложил первые основы теории множеств , которые позволили строго трактовать понятие бесконечности и стали общим языком почти всей математики. Теория множеств Кантора и рост математической логики в руках Пеано , Л. Дж. Брауэра , Дэвида Гильберта , Бертрана Рассела и А. Н. Уайтхеда положили начало длительной дискуссии об основах математики .
В 19 веке был основан ряд национальных математических обществ: Лондонское математическое общество в 1865 году, Société Mathématique de France в 1872 году, Эдинбургское математическое общество в 1883 году, Circolo Matematico di Palermo в 1884 году и Американское математическое общество в 1888. Первое международное общество особых интересов, Quaternion Society , было образовано в 1899 году в контексте споров о векторах .
Физика
В 1800 году Алессандро Вольта изобрел электрическую батарею (известную как гальваническая батарея ) и, таким образом, улучшил способ изучения электрических токов. Год спустя Томас Янг продемонстрировал волновую природу света, получившую сильную экспериментальную поддержку в работах Огюстена-Жана Френеля, и принцип интерференции. В 1813 году Питер Юарт поддержал идею сохранения энергии в своей статье « О мере движущейся силы» . В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что проводник с током порождает магнитную силу, окружающую его, и в течение недели после того, как открытие Эрстеда достигло Франции, Андре-Мари Ампер обнаружил, что два параллельных электрических тока действуют друг на друга. В 1821 году Уильям Гамильтон начал свой анализ характеристической функции Гамильтона. В 1821 году Майкл Фарадей построил двигатель с электрическим приводом, а Георг Ом сформулировал свой закон электрического сопротивления в 1826 году, выразив взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи. Годом позже ботаник Роберт Браун обнаружил броуновское движение : пыльцевые зерна в воде претерпевают движение в результате их бомбардировки быстро движущимися атомами или молекулами жидкости. В 1829 году Гаспар Кориолис ввел термины работы (сила, умноженная на расстояние) и кинетическую энергию в том значении, которое они имеют сегодня.
В 1831 году Фарадей (и независимо Джозеф Генри ) открыл обратный эффект, производство электрического потенциала или тока посредством магнетизма - известного как электромагнитная индукция ; эти два открытия лежат в основе электродвигателя и электрогенератора соответственно. В 1834 году Карл Якоби открыл свои равномерно вращающиеся самогравитирующие эллипсоиды ( эллипсоид Якоби ). В 1834 году Джон Рассел наблюдал нераспадающуюся уединенную водную волну ( солитон ) в Юнион-канале около Эдинбурга и использовал резервуар для воды для изучения зависимости скорости одиночной водной волны от амплитуды волны и глубины воды. В 1835 году Уильям Гамильтон сформулировал канонические уравнения движения Гамильтона . В том же году Гаспар Кориолис теоретически исследовал механическую эффективность водяных колес и вывел эффект Кориолиса . В 1841 году Юлиус Роберт фон Майер , ученый-любитель, написал статью о сохранении энергии, но его отсутствие академической подготовки привело к ее отклонению. В 1842 году Кристиан Доплер предложил эффект Доплера . В 1847 году Герман фон Гельмгольц официально сформулировал закон сохранения энергии. В 1851 году Леон Фуко показал вращение Земли с помощью огромного маятника ( маятник Фуко ).
В первой половине века в механике сплошных сред были достигнуты важные успехи , а именно формулировка законов упругости для твердых тел и открытие уравнений Навье – Стокса для жидкостей.
Законы термодинамики
В 19 веке связь между теплотой и механической энергией была количественно установлена Юлиусом Робертом фон Майером и Джеймсом Прескоттом Джоулем , которые измерили механический эквивалент тепла в 1840-х годах. В 1849 году Джоуль опубликовал результаты своей серии экспериментов (включая эксперимент с крыльчатым колесом), которые показывают, что тепло является формой энергии, и этот факт был принят в 1850-х годах. Связь между теплом и энергией была важна для развития паровых двигателей, и в 1824 году была опубликована экспериментальная и теоретическая работа Сади Карно . Карно уловил некоторые идеи термодинамики в своем обсуждении эффективности идеализированного двигателя. Работа Сади Карно послужила основой для формулировки первого закона термодинамики - повторной формулировки закона сохранения энергии - который был сформулирован около 1850 года Уильямом Томсоном , позже известным как лорд Кельвин, и Рудольфом Клаузиусом . Лорд Кельвин, распространивший концепцию абсолютного нуля для газов на все вещества в 1848 году, опирался на инженерную теорию Лазара Карно , Сади Карно и Эмиля Клапейрона, а также на эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля по взаимозаменяемости механических элементов. химическая, термическая и электрическая формы работы - сформулировать первый закон.
Кельвин и Клаузиус также сформулировали второй закон термодинамики , который первоначально был сформулирован в терминах того факта, что тепло не перетекает самопроизвольно от более холодного тела к более горячему. Вскоре последовали и другие формулировки (например, второй закон был изложен во влиятельной работе Томсона и Питера Гатри Тейт « Трактат о естественной философии» ), и Кельвин, в частности, понял некоторые общие значения закона. Второй закон заключался в том, что идея о том, что газы состоят из движущихся молекул, подробно обсуждалась Даниэлем Бернулли в 1738 году, но потеряла популярность и была возрождена Клаузиусом в 1857 году. В 1850 году Ипполит Физо и Леон Фуко измерили скорость света в воде и обнаруживаем, что она медленнее, чем в воздухе, в поддержку волновой модели света. В 1852 году Джоуль и Томсон продемонстрировали, что быстро расширяющийся газ охлаждается, что позже было названо эффектом Джоуля-Томсона или эффектом Джоуля-Кельвина. Герман фон Гельмгольц выдвинул идею тепловой смерти Вселенной в 1854 году, в том же году, когда Клаузиус установил важность dQ / T ( теорема Клаузиуса ) (хотя он еще не назвал количество).
Джеймс Клерк Максвелл
В 1859 году Джеймс Клерк Максвелл открыл закон распределения молекулярных скоростей . Максвелл показал, что электрические и магнитные поля распространяются наружу от своего источника со скоростью, равной скорости света, и что свет является одним из нескольких видов электромагнитного излучения, отличающимся от других только частотой и длиной волны. В 1859 году Максвелл разработал математику распределения скоростей молекул газа. Волновая теория света была широко принята ко времени работы Максвелла по электромагнитному полю, и впоследствии изучение света, электричества и магнетизма было тесно связано. В 1864 году Джеймс Максвелл опубликовал свои статьи по динамической теории электромагнитного поля и заявил, что свет является электромагнитным явлением, в 1873 году в публикации Максвелла « Трактат об электричестве и магнетизме» . Эта работа опиралась на теоретические работы немецких теоретиков, таких как Карл Фридрих Гаусс и Вильгельм Вебер . Инкапсуляция тепла в движении частиц и добавление электромагнитных сил к ньютоновской динамике создали чрезвычайно надежную теоретическую основу для физических наблюдений.
Предсказание о том, что свет представляет собой передачу энергии в форме волны через « светоносный эфир », и кажущееся подтверждение этого предсказания с обнаружением электромагнитного излучения в 1888 году студентом Гельмгольца Генрихом Герцем было большим триумфом физической теории и повысило вероятность что вскоре могут быть разработаны даже более фундаментальные теории, основанные на этой области. Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было предоставлено Герцем, который генерировал и обнаруживал электрические волны в 1886 году и проверял их свойства, в то же время предвещая их применение в радио, телевидении и других устройствах. В 1887 году Генрих Герц открыл фотоэлектрический эффект . Вскоре после этого начались исследования электромагнитных волн, и многие ученые и изобретатели проводили эксперименты над их свойствами. В середине и конце 1890-х годов Гульельмо Маркони разработал систему беспроводной телеграфии на основе радиоволн (см. Изобретение радио ).
Атомная теория вещества была снова предложена в начале 19 века химиком Джоном Дальтоном и стала одной из гипотез кинетико-молекулярной теории газов, разработанной Клаузиусом и Джеймсом Клерком Максвеллом для объяснения законов термодинамики. Кинетическая теория, в свою очередь, привела к статистической механике Людвига Больцмана (1844–1906) и Джозайи Уилларда Гиббса (1839–1903), которые считали, что энергия (включая тепло) является мерой скорости частиц. Связав статистическую вероятность определенных состояний организации этих частиц с энергией этих состояний, Клаузиус переосмыслил диссипацию энергии как статистическую тенденцию перехода молекулярных конфигураций к все более вероятным и все более дезорганизованным состояниям (придумав термин « энтропия » для описывают дезорганизацию государства). Статистическая и абсолютная интерпретации второго закона термодинамики создают спор, который продлится несколько десятилетий (приводя аргументы, такие как « демон Максвелла »), и который не будет считаться окончательно разрешенным до тех пор, пока не будет твердо установлено поведение атомов. в начале 20 века. В 1902 году Джеймс Джинс обнаружил масштаб длины, необходимый для роста гравитационных возмущений в статической почти однородной среде.
Химия
В химии, Дмитрий Менделеев , следуя теории атома от Джона Дальтона , создал первую периодическую таблицу из элементов .
Техника и технологии
- 1804: Первый паровоз начинает работать.
- 1825: Открыт канал Эри, соединяющий Великие озера с Атлантическим океаном.
- 1825: Первая изоляция алюминия.
- 1825: Открыта Стоктон-энд-Дарлингтонская железная дорога , первая в мире железная дорога общего пользования.
- 1826: Сэмюэл Мори патентует двигатель внутреннего сгорания .
- 1829: Построен первый электродвигатель .
- 1837: запатентована телеграфия .
- 1841: Ричард Оуэн придумал слово « динозавр ».
- 1844: Первая в мире финансируемая государством телеграфная линия - между Балтимором и Вашингтоном - посылает демонстрационное сообщение 24 мая, знаменуя наступление эры телеграфа. Это сообщение гласило: «Что сотворил Бог?» (Библия, Числа 23:23)
- 1849: Изобретены английская булавка и противогаз .
- 1855: Бессемеровский процесс позволяет производить сталь серийно.
- 1856: Первый в мире нефтеперерабатывающий завод в Румынии.
- 1858: Изобретение фонавтографа , первого настоящего устройства для записи звука .
- 1863: Открывается первая секция лондонского метро .
- 1866: Успешный трансатлантический телеграфный кабель последовал за более ранней попыткой в 1858 году.
- 1867: Альфред Нобель изобретает динамит .
- 1869: 10 мая в США завершена первая трансконтинентальная железная дорога .
- 1870: изобретение Расмуса Маллинга-Хансена « Письменный мяч Хансена» становится первой коммерчески продаваемой пишущей машинкой .
- 1873 г .: Изобретены синие джинсы и колючая проволока .
- 1877: Томас Эдисон изобретает фонограф.
- 1878: Первая коммерческая телефонная станция в Нью-Хейвене, Коннектикут .
- 1879: Томас Эдисон испытывает свою первую лампочку .
- 1881: Первая электрическая электростанция и сеть в Годалминге , Великобритания.
- 1884: сэр Хирам Максим изобретает первый пулемет с автономным приводом.
- 1885: Зингер начинает производство « Вибрационного челнока ». которая станет самой популярной моделью швейной машины .
- 1886: Карл Бенц продает первый коммерческий автомобиль .
- 1888: Галилео Феррарис и Никола Тесла оба представляют идею индукционного двигателя с вращающимся магнитным полем .
- 1890: Изобретена картонная коробка .
- 1892: Джон Фройлих разрабатывает и конструирует первый трактор с бензиновым двигателем .
- 1894: Карл Эльзенер изобретает швейцарский армейский нож .
- 1894: Первая граммофонная пластинка .
- 1895: Вильгельм Рентген идентифицирует рентгеновские лучи .
- 1896: Гульельмо Маркони подает заявку на патент на первую систему радиоволновой базовой связи.
Биология и медицина
В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал книгу «Происхождение видов» , в которой представил идею эволюции путем естественного отбора .
Оскар Хертвиг публикует свои открытия в области репродуктивной биологии и биологии развития. В 1875 году он опубликовал свою первую работу, впервые правильно описав зачатие животных . В своей более поздней работе в 1885 году он описал, что ядро содержит нуклеин (теперь называемый нуклеиновой кислотой ) и что эти нуклеин ответственны за передачу наследственных характеристик.
Медицина
- 1804: Впервые выделен морфин .
- 1842: Впервые применена анестезия .
- 1855: Фридрих Гедке выделил кокаин .
- 1885: Луи Пастер создает первую успешную вакцину против бешенства для мальчика, которого 14 раз укусила бешеная собака.
- 1889: запатентован аспирин .
Социальные науки
Люди
Луи Пастер , 1878 г.
Мария Кюри , ок. 1898 г.
В список выдающихся ученых XIX века входят:
- Амедео Авогадро , физик
- Иоганн Якоб Балмер , математик, физик
- Анри Беккерель , физик
- Александр Грэм Белл , изобретатель
- Людвиг Больцманн , физик
- Янош Бойяи , математик
- Луи Брайль , изобретатель шрифта Брайля
- Роберт Бунзен , химик
- Мария Кюри , физик, химик
- Пьер Кюри , физик
- Готлиб Даймлер , инженер, промышленный дизайнер и промышленник
- Чарльз Дарвин , биолог
- Кристиан Доплер , физик, математик
- Томас Эдисон , изобретатель
- Майкл Фарадей , ученый
- Леон Фуко , физик
- Готтлоб Фреге , математик, логик и философ
- Зигмунд Фрейд , отец психоанализа
- Карл Фридрих Гаусс , математик, физик, астроном
- Фрэнсис Гальтон , английский эрудит викторианской эпохи
- Джозайя Уиллард Гиббс , физик
- Эрнст Геккель , биолог
- Уильям Роуэн Гамильтон , физик и математик
- Оливер Хевисайд , инженер-электрик, физический математик
- Генрих Герц , физик
- Александр фон Гумбольдт , натуралист, исследователь
- Роберт Кох , врач, бактериолог
- Юстус фон Либих , химик
- Николай Лобачевский , математик
- Джеймс Клерк Максвелл , физик
- Вильгельм Майбах , автомобильный двигатель и автомобильный дизайнер и промышленник
- Илья Мечников , биолог
- Грегор Мендель , биолог
- Дмитрий Менделеев , химик
- Сэмюэл Мори , изобретатель
- Альфред Нобель , химик, инженер, изобретатель
- Луи Пастер , микробиолог и химик
- Иван Павлов , физиолог
- Сантьяго Рамон-и-Кахаль , биолог
- Инженер-механик Франца Рёло
- Бернхард Риманн , математик
- Уильям Эмерсон Риттер , биолог
- Владимир Шухов , изобретатель
- Уильям Томсон , лорд Кельвин, физик
- Томас Янг , английский эрудит .