القرن التاسع عشر في العلوم

شهد القرن التاسع عشر في العلوم ميلاد العلم كمهنة؛ وقد صاغ ويليام ويول مصطلح العالم في عام 1833 ، ^{[ 3 ]} والذي سرعان ما حل محل المصطلح الأقدم للفيلسوف (الطبيعي).

من بين أكثر الأفكار تأثيرًا في القرن التاسع عشر، كانت أفكار تشارلز داروين (إلى جانب الأبحاث المستقلة لألفريد راسل والاس )، الذي نشر عام ١٨٥٩ كتاب "أصل الأنواع" ، والذي طرح فيه فكرة التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي . ومن المعالم الهامة الأخرى في الطب وعلم الأحياء الجهود الناجحة لإثبات نظرية جرثومية الأمراض . بعد ذلك، ابتكر لويس باستور أول لقاح ضد داء الكلب ، كما حقق العديد من الاكتشافات في مجال الكيمياء، بما في ذلك عدم تناظر البلورات . وفي الكيمياء، أنشأ ديمتري مندليف ، استنادًا إلى النظرية الذرية لجون دالتون ، أول جدول دوري للعناصر . وفي الفيزياء، أدت تجارب ونظريات واكتشافات مايكل فاراداي ، وأندريه ماري أمبير ، وجيمس كلارك ماكسويل ، ومعاصريهم، إلى ظهور الكهرومغناطيسية كفرع جديد من فروع العلم. أما الديناميكا الحرارية، فقد أدت إلى فهم الحرارة وتحديد مفهوم الطاقة.

يُعدّ اكتشاف أنواع جديدة من الإشعاع والكشف المتزامن عن طبيعة التركيب الذري والمادة من أبرز الإنجازات العلمية. في علم الفلك، تم اكتشاف كوكب نبتون. وفي الرياضيات، نضج مفهوم الأعداد المركبة وأدى إلى ظهور نظرية تحليلية لاحقة، كما بدأ استخدام الأعداد فائقة التعقيد . وقد قام كارل فايرشتراس وآخرون بتطوير التحليل الحسابي لدوال المتغيرات الحقيقية والمركبة . وشهد هذا التطور أيضًا تقدمًا جديدًا في الهندسة تجاوز النظريات الكلاسيكية لإقليدس، بعد فترة دامت قرابة ألفي عام. وبالمثل، حقق علم المنطق الرياضي طفرات ثورية بعد فترة مماثلة من الركود. لكن أهم خطوة في العلوم في ذلك الوقت كانت الأفكار التي صاغها رواد علم الكهرباء. فقد غيّر عملهم وجه الفيزياء ومهّد الطريق لظهور تقنيات جديدة مثل الطاقة الكهربائية، والتلغراف الكهربائي، والهاتف، والراديو.

خلال القرن التاسع عشر، ازدادت الرياضيات تجريدًا. ويُجسّد كارل فريدريش غاوس (1777-1855) هذا التوجه. فقد أنجز أعمالًا ثورية في دوال المتغيرات المركبة ، وفي الهندسة ، وفي تقارب المتسلسلات ، فضلًا عن إسهاماته العديدة في العلوم. كما قدّم أولى البراهين المُرضية للنظرية الأساسية في الجبر وقانون التبادل التربيعي . ^{[ 4 ]} وقد أرست موسوعته "Disquisitiones Arithmeticae" الصادرة عام 1801 أسس نظرية الأعداد الحديثة. ^{[ 5 ]}

شهد هذا القرن تطور شكلين من الهندسة غير الإقليدية ، حيث لم يعد مبدأ التوازي في الهندسة الإقليدية قائمًا. فقد قام عالم الرياضيات الروسي نيكولاي إيفانوفيتش لوباتشيفسكي ، ومنافسه عالم الرياضيات المجري يانوش بولياي ، بتعريف ودراسة الهندسة الزائدية بشكل مستقل ، حيث لم يعد مبدأ تفرد التوازي قائمًا. ^{[ 6 ]} في هذه الهندسة، يكون مجموع زوايا المثلث أقل من 180 درجة. أما الهندسة الإهليلجية، فقد طُوّرت لاحقًا في القرن التاسع عشر على يد عالم الرياضيات الألماني برنارد ريمان ؛ حيث لا يمكن إيجاد توازي، ويكون مجموع زوايا المثلث أكبر من 180 درجة. ^{[ 7 ]} كما طوّر ريمان الهندسة الريمانية ، التي توحّد وتُعمّم بشكل كبير الأنواع الثلاثة من الهندسة. ^{[ 8 ]}

شهد القرن التاسع عشر بدايةً لظهورٍ واسعٍ للجبر المجرد . فقد قدّم هيرمان غراسمان في ألمانيا النسخة الأولى من فضاءات المتجهات ، ^{[ 9 ]} وطوّر ويليام روان هاميلتون في أيرلندا الجبر غير التبادلي . ^{[ 10 ]} وابتكر عالم الرياضيات البريطاني جورج بول جبرًا سرعان ما تطوّر إلى ما يُعرف الآن بالجبر البولياني ، حيث يقتصر على الأعداد 0 و1. ويُعدّ الجبر البولياني نقطة انطلاق المنطق الرياضي ، وله تطبيقاتٌ مهمةٌ في علوم الحاسوب . ^{[ 11 ]}

أعاد أوغستين لويس كوشي ، وبرنهارد ريمان ، وكارل فايرشتراس صياغة حساب التفاضل والتكامل بطريقة أكثر دقة. ^{[ 12 ]}

كما تم استكشاف حدود الرياضيات لأول مرة. فقد أثبت النرويجي نيلز هنريك أبيل والفرنسي إيفاريست غالوا أنه لا توجد طريقة جبرية عامة لحل المعادلات متعددة الحدود من الدرجة الرابعة أو أعلى ( نظرية أبيل-روفيني ). ^{[ 13 ]} واستخدم رياضيون آخرون في القرن التاسع عشر هذه النظرية في براهينهم على أن المسطرة والفرجار وحدهما لا يكفيان لتثليث زاوية عشوائية ، أو لرسم ضلع مكعب ضعف حجم مكعب معين، أو لرسم مربع مساحته تساوي مساحة دائرة معينة. وقد حاول الرياضيون عبثًا حل كل هذه المشكلات منذ عهد الإغريق القدماء. من ناحية أخرى، تم تجاوز قيود الأبعاد الثلاثة في الهندسة في القرن التاسع عشر من خلال دراسة فضاء المعاملات والأعداد المركبة الفائقة .

في أواخر القرن التاسع عشر، وضع جورج كانتور الأسس الأولى لنظرية المجموعات ، التي مكّنت من المعالجة الدقيقة لمفهوم اللانهاية، وأصبحت اللغة المشتركة لجميع فروع الرياضيات تقريبًا. ^{[ 14 ]} وقد أدت نظرية المجموعات التي وضعها كانتور، وظهور المنطق الرياضي على يد بيانو ، وإل إي جيه بروير ، وديفيد هيلبرت ، وبرتراند راسل ، وإيه إن وايتهيد ، إلى بدء نقاش طويل الأمد حول أسس الرياضيات .

شهد القرن التاسع عشر تأسيس عدد من الجمعيات الرياضية الوطنية: جمعية لندن الرياضية عام 1865، ^{[ 15 ]} والجمعية الرياضية الفرنسية عام 1872، ^{[ 16 ]} وجمعية إدنبرة الرياضية عام 1883، ^{[ 17 ]} ودائرة باليرمو الرياضية عام 1884، ^{[ 18 ]} والجمعية الرياضية الأمريكية عام 1888. ^{[ 19 ]} أما أول جمعية دولية ذات اهتمام خاص، وهي جمعية الكواتيرنيون ، فقد تأسست عام 1899، في سياق جدل حول المتجهات . ^{[ 20 ]}

في عام 1800، اخترع أليساندرو فولتا البطارية الكهربائية (المعروفة باسم عمود فولتا )، وبذلك حسّن طريقة دراسة التيارات الكهربائية. ^{[ 21 ]} وبعد عام، برهن توماس يونغ على الطبيعة الموجية للضوء - والتي حظيت بدعم تجريبي قوي من أعمال أوغستين جان فرينل - ومبدأ التداخل. ^{[ 22 ]} وفي عام 1813، أيّد بيتر إيوارت فكرة حفظ الطاقة في بحثه " حول قياس القوة المتحركة" . ^{[ 23 ]} وفي عام 1820، اكتشف هانز كريستيان أورستد أن الموصل الذي يحمل تيارًا كهربائيًا يُولّد قوة مغناطيسية تحيط به، وفي غضون أسبوع من وصول اكتشاف أورستد إلى فرنسا، اكتشف أندريه ماري أمبير أن تيارين كهربائيين متوازيين يؤثران بقوتين على بعضهما البعض. ^{[ 24 ]} وفي عام 1821، بدأ ويليام هاميلتون تحليله للدالة المميزة لهاميلتون. ^{[ 25 ]} في عام 1821، صنع مايكل فاراداي محركًا يعمل بالكهرباء، ^{[ 26 ]} بينما وضع جورج أوم قانونه للمقاومة الكهربائية في عام 1826، موضحًا العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في الدائرة الكهربائية. ^{[ 27 ]} بعد عام، اكتشف عالم النبات روبرت براون الحركة البراونية : حبوب اللقاح في الماء تتحرك نتيجة اصطدامها بالذرات أو الجزيئات سريعة الحركة في السائل. ^{[ 28 ]} في عام 1829، قدم غاسبار كوريوليس مصطلحي الشغل (القوة مضروبة في المسافة) والطاقة الحركية بالمعاني التي يحملانها اليوم. ^{[ 29 ]}

في عام 1831، اكتشف فاراداي (وبشكل مستقل جوزيف هنري ) التأثير العكسي، وهو توليد جهد أو تيار كهربائي من خلال المغناطيسية  - المعروف بالحث الكهرومغناطيسي ؛ وهذان الاكتشافان هما أساس المحرك الكهربائي والمولد الكهربائي، على التوالي. ^{[ 30 ]} في عام 1834، اكتشف كارل جاكوبي أشكاله الإهليلجية ذاتية الجاذبية التي تدور بانتظام ( إهليلج جاكوبي ). ^{[ 31 ]} في عام 1834، لاحظ جون راسل موجة مائية منفردة غير متلاشية ( سوليتون ) في قناة الاتحاد بالقرب من إدنبرة ، واستخدم خزانًا مائيًا لدراسة اعتماد سرعات الموجة المائية المنفردة على سعة الموجة وعمق الماء. ^{[ 32 ]} في عام 1835، وضع ويليام هاميلتون معادلات هاميلتون الأساسية للحركة . ^{[ 33 ]} في العام نفسه، درس غاسبار كوريوليس نظريًا الكفاءة الميكانيكية لعجلات المياه، واستنتج تأثير كوريوليس . ^{[ 29 ]} في عام 1841، كتب يوليوس روبرت فون ماير ، وهو عالم هاوٍ، بحثًا عن قانون حفظ الطاقة، لكن افتقاره إلى التدريب الأكاديمي أدى إلى رفضه. ^{[ 34 ]} في عام 1842، اقترح كريستيان دوبلر تأثير دوبلر . في عام 1847، صاغ هيرمان فون هيلمهولتز قانون حفظ الطاقة رسميًا. ^{[ 35 ]} في عام 1851، أظهر ليون فوكو دوران الأرض باستخدام بندول ضخم ( بندول فوكو ). ^{[ 36 ]}

لقد شهد النصف الأول من القرن تطورات مهمة في ميكانيكا الأوساط المتصلة ، وتحديداً صياغة قوانين المرونة للمواد الصلبة واكتشاف معادلات نافيير-ستوكس للسوائل.

قوانين الديناميكا الحرارية

في القرن التاسع عشر، أثبت يوليوس روبرت فون ماير وجيمس بريسكوت جول العلاقة الكمية بين الحرارة والطاقة الميكانيكية ، حيث قاما بقياس المكافئ الميكانيكي للحرارة في أربعينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 37 ]} وفي عام 1849، نشر جول نتائج سلسلة تجاربه (بما في ذلك تجربة دولاب التجديف) التي أظهرت أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة، وهي حقيقة تم قبولها في خمسينيات القرن التاسع عشر. وكانت العلاقة بين الحرارة والطاقة مهمة لتطوير المحركات البخارية، وفي عام 1824 نُشر العمل التجريبي والنظري لسادي كارنو . ^{[ 38 ]} وقد لخص كارنو بعض أفكار الديناميكا الحرارية في مناقشته لكفاءة محرك مثالي. ووفر عمل سادي كارنو أساسًا لصياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية - وهو إعادة صياغة لقانون حفظ الطاقة - الذي صاغه ويليام طومسون ، المعروف لاحقًا باسم اللورد كلفن، ورودولف كلاوزيوس حوالي عام 1850 . استند اللورد كلفن، الذي وسّع مفهوم الصفر المطلق من الغازات إلى جميع المواد في عام 1848، إلى النظرية الهندسية لـ لازار كارنو ، وسادي كارنو، وإميل كلابيرون - بالإضافة إلى تجارب جيمس بريسكوت جول حول قابلية تبادل الأشكال الميكانيكية والكيميائية والحرارية والكهربائية للعمل - لصياغة القانون الأول. ^{[ 39 ]}

وضع كلفن وكلاوزيوس القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي صيغ في الأصل على أساس أن الحرارة لا تنتقل تلقائيًا من جسم أبرد إلى جسم أسخن. وسرعان ما ظهرت صياغات أخرى (على سبيل المثال، تم شرح القانون الثاني في كتاب تومسون وبيتر غوثري تيت المؤثر " رسالة في الفلسفة الطبيعية ")، وقد فهم كلفن على وجه الخصوص بعضًا من دلالات القانون العامة. ^{[ 40 ]} كانت فكرة القانون الثاني، التي تنص على أن الغازات تتكون من جزيئات متحركة، قد نوقشت بتفصيل من قبل دانيال برنولي عام 1738، لكنها لم تلقَ رواجًا، ثم أعاد كلاوزيوس إحياءها عام 1857. وفي عام 1850، قاس هيبوليت فيزو وليون فوكو سرعة الضوء في الماء ووجدا أنها أبطأ منها في الهواء، مما يدعم النموذج الموجي للضوء. ^{[ 41 ]} في عام 1852، أثبت جول وتومسون أن الغاز المتمدد بسرعة يبرد، وهو ما سُمي لاحقًا بتأثير جول-تومسون أو تأثير جول-كلفن. ^{[ 42 ]} طرح هيرمان فون هيلمهولتز فكرة الموت الحراري للكون في عام 1854، ^{[ 43 ]} وهو نفس العام الذي أثبت فيه كلاوزيوس أهمية dQ/T ( نظرية كلاوزيوس ) (مع أنه لم يُسمِّ الكمية بعد). ^{[ 44 ]}

جيمس كليرك ماكسويل

في عام 1859، اكتشف جيمس كلارك ماكسويل قانون توزيع سرعات الجزيئات . بيّن ماكسويل أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي ينتشران من مصدرهما بسرعة تساوي سرعة الضوء، وأن الضوء هو أحد أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي، ويختلف عن الأنواع الأخرى في التردد والطول الموجي فقط. في عام 1859، وضع ماكسويل الأسس الرياضية لتوزيع سرعات جزيئات الغاز. ^{[ 45 ]} كانت النظرية الموجية للضوء مقبولة على نطاق واسع بحلول وقت عمل ماكسويل على المجال الكهرومغناطيسي، وبعد ذلك، ارتبطت دراسة الضوء والكهرباء والمغناطيسية ارتباطًا وثيقًا. في عام 1864، نشر جيمس ماكسويل أبحاثه حول نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي، وذكر أن الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية في كتابه " رسالة ماكسويل في الكهرباء والمغناطيسية" الصادر عام 1873. استند هذا العمل إلى أعمال نظرية لعلماء نظريين ألمان مثل كارل فريدريش جاوس وويلهلم فيبر . أدى تغليف الحرارة في حركة الجسيمات، وإضافة القوى الكهرومغناطيسية إلى الديناميكا النيوتونية، إلى إرساء أساس نظري قوي للغاية للملاحظات الفيزيائية. ^{[ 46 ]}

كان التنبؤ بأن الضوء يمثل انتقالًا للطاقة على شكل موجة عبر " أثير مضيء "، والتأكيد الظاهري لهذا التنبؤ باكتشاف هاينريش هيرتز ، تلميذ هيلمهولتز، للإشعاع الكهرومغناطيسي عام 1888 ، بمثابة انتصار كبير للنظرية الفيزيائية، وفتح الباب أمام إمكانية تطوير نظريات أكثر جوهرية في هذا المجال. وقدّم هيرتز تأكيدًا تجريبيًا لنظرية ماكسويل، حيث قام بتوليد وكشف الموجات الكهربائية عام 1886، وتحقق من خصائصها، مُنبئًا في الوقت نفسه بتطبيقها في الراديو والتلفزيون وأجهزة أخرى. ^{[ 47 ]} وفي عام 1887، اكتشف هاينريش هيرتز التأثير الكهروضوئي . ^{[ 48 ]} وبدأ البحث في الموجات الكهرومغناطيسية بعد ذلك بوقت قصير، حيث أجرى العديد من العلماء والمخترعين تجارب على خصائصها. وفي منتصف إلى أواخر تسعينيات القرن التاسع عشر، طوّر غولييلمو ماركوني نظامًا لاسلكيًا للتلغراف يعتمد على موجات الراديو ^{[ 49 ]} (انظر اختراع الراديو ).

طُرحت النظرية الذرية للمادة مجددًا في أوائل القرن التاسع عشر على يد الكيميائي جون دالتون، وأصبحت إحدى فرضيات النظرية الحركية الجزيئية للغازات التي طورها كلاوزيوس وجيمس كلارك ماكسويل لتفسير قوانين الديناميكا الحرارية. بدورها، أدت النظرية الحركية إلى ظهور الميكانيكا الإحصائية للودفيج بولتزمان (1844-1906) وجوسيا ويلارد جيبس ​​(1839-1903)، والتي تنص على أن الطاقة (بما في ذلك الحرارة) هي مقياس لسرعة الجسيمات. ومن خلال ربط الاحتمالية الإحصائية لحالات تنظيم معينة لهذه الجسيمات بطاقة تلك الحالات، أعاد كلاوزيوس تفسير تبديد الطاقة على أنه ميل إحصائي للتكوينات الجزيئية للانتقال نحو حالات أكثر احتمالًا وأقل تنظيمًا (مبتكرًا مصطلح " الإنتروبيا " لوصف عدم تنظيم الحالة). ^{[ 50 ]} أثارت التفسيرات الإحصائية مقابل التفسيرات المطلقة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية جدلاً استمر لعقود (وأنتج حججاً مثل " شيطان ماكسويل ")، ولم يُحسم هذا الجدل نهائياً إلا بعد أن ترسخ فهم سلوك الذرات في أوائل القرن العشرين. ^{[ 51 ]} في عام 1902، اكتشف جيمس جينز مقياس الطول اللازم لنمو الاضطرابات الجاذبية في وسط ساكن شبه متجانس.

• 1804: بدء تشغيل أول قاطرة بخارية .
• 1825: تم افتتاح قناة إيري التي تربط البحيرات العظمى بالمحيط الأطلسي.
• 1825: أول عزل للألمنيوم.
• 1825: تم افتتاح خط سكة حديد ستوكتون ودارلينجتون ، وهو أول خط سكة حديد عام في العالم.
• 1826: حصل صموئيل موري على براءة اختراع محرك الاحتراق الداخلي .
• 1829: بناء أول محرك كهربائي .
• 1837: تم تسجيل براءة اختراع التلغراف .
• 1841: صاغ ريتشارد أوين كلمة " ديناصور ".
• ١٨٤٤: أول خط تلغراف ممول من القطاع العام في العالم - بين بالتيمور وواشنطن - يرسل رسالة تجريبية في ٢٤ مايو، مُعلناً بذلك بداية عصر التلغراف. نص الرسالة: "ماذا صنع الله؟" (الكتاب المقدس، سفر العدد ٢٣: ٢٣).
• 1849: تم اختراع دبوس الأمان وقناع الغاز .
• 1855: عملية بسمر تُمكّن من إنتاج الصلب بكميات كبيرة.
• 1856: أول مصفاة نفط في العالم في رومانيا
• 1858: اختراع الفونوغراف ، وهو أول جهاز حقيقي لتسجيل الصوت .
• 1863: افتتاح أول قسم من مترو أنفاق لندن .
• 1866: نجاح مدّ كابل التلغراف عبر المحيط الأطلسي يأتي بعد محاولة سابقة في عام 1858.
• 1867: ألفريد نوبل يخترع الديناميت .
• 1869: تم الانتهاء من أول خط سكة حديد عابر للقارات في الولايات المتحدة في 10 مايو.
• 1870: أصبح اختراع راسموس مالينج هانسن، كرة الكتابة هانسن، أول آلة كاتبة تُباع تجارياً .
• 1873: تم اختراع الجينز الأزرق والأسلاك الشائكة .
• 1877: توماس إديسون يخترع الفونوغراف
• 1878: أول مركز اتصالات هاتفية تجاري في نيو هيفن، كونيتيكت .
• 1879: توماس إديسون يختبر أول مصباح كهربائي له .
• 1881: أول محطة لتوليد الطاقة الكهربائية وشبكة كهرباء في جودالمينج ، بريطانيا.
• 1884: اخترع السير حيرام ماكسيم أول مدفع رشاش ذاتي التشغيل.
• 1885: بدأت شركة سينجر إنتاج " المكوك الاهتزازي "، والذي سيصبح النموذج الأكثر شعبية لماكينات الخياطة .
• 1886: كارل بنز يبيع أول سيارة تجارية .
• 1888: قدم كل من غاليليو فيراريس ونيكولا تيسلا فكرة محرك الحث المغناطيسي الدوار .
• 1890: تم اختراع صندوق الكرتون .
• 1892: قام جون فروليش بتطوير وبناء أول جرار يعمل بالبنزين .
• 1894: كارل إلسنر يخترع السكين السويسرية متعددة الاستخدامات .
• 1894: أول تسجيل فونوغراف .
• 1895: فيلهلم رونتجن يكتشف الأشعة السينية .
• 1896: تقدم غولييلمو ماركوني بطلب للحصول على براءة اختراع لأول نظام اتصالات يعتمد على الموجات الراديوية.

في عام ١٨٥٩، نشر تشارلز داروين كتاب "أصل الأنواع" ، الذي طرح فيه فكرة التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي . وفي عام ١٨٧٥، نشر أوسكار هيرتويج اكتشافاته في علم الأحياء التناسلي والتطوري. وكان أول من وصف عملية الإخصاب عند الحيوانات وصفًا دقيقًا . وفي عمله اللاحق عام ١٨٨٥، وصف أن النواة تحتوي على النيوكليين (الذي يُسمى الآن الحمض النووي )، وأن هذه النيوكليينات مسؤولة عن نقل الصفات الوراثية.

في عام ١٨٧١، حلّ ويليام ستانلي جيفونز وكارل مينجر ، كلٌ على حدة، مفارقة القيمة لآدم سميث ، انطلاقًا من فكرة أن الناس يُقيّمون كل وحدة إضافية من السلعة بأقل من الوحدة السابقة. وفي عام ١٨٧٤، توصل ليون والراس، بشكل مستقل، إلى فكرة مماثلة. وقد صاغ فريدريك فون فيزر ، تلميذ مينجر، مصطلح " المنفعة الحدية " لوصف هذه النظرية الجديدة. ويستند علم الاقتصاد الجزئي الحديث إلى رؤى الثورة الحدية.

• 
  كارل فريدريش جاوس
• 
  تشارلز داروين
• 
  ديمتري مندليف
• 
  لويس باستور ، 1878
• 
  ماري كوري ، حوالي عام 1898

تتضمن قائمة العلماء المهمين في القرن التاسع عشر ما يلي: