Открытие Фурье дало толчок для переосмысления основ «ньютоновской картины мира» в двух противоположных направлениях. Представители сформировавшегося в первой половине XIX в. позитивистского научно-философского направления во главе с его основателем Огюстом Контом предложили рассматривать силу тяготения и тепло как две автономные и даже антагонистические универсалии физического мира. Тем самым принцип механистического равновесия, являвшийся основой ньютоновской концепции пространства, лишь дополнялся принципом теплового равновесия. Подобный подход органично сочетался с общей идеей позитивистов о необходимости строгого дисциплинарного разделения системы познания и формируемой на ее основе научной картины мира. Сторонники альтернативного подхода попытались использовать идеи теплопроводимости и результаты других открытий в сфере передачи энергии для обновления общей (универсальной) физической теории.
Изучению природы теплоты и процесса перехода ее в механическую энергию были посвящены исследования Ю.Р. Майера (1814–1878), Дж. Джоуля (1818–1889), Э.X. Ленца (1804–1865) и Г. Гельмгольца (1821–1894). Немецкому врачу Юлиусу Майеру удалось в 1842 г. впервые сформулировать закон сохранения энергии: «Движение, теплота и … электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». В 1847 г. английский физик Джеймс Джоуль выдвинул идею «превращения» различных видов энергии – взаимосвязи между выделением и поглощением тепла, электричеством и магнетизмом, химическими и биологическими реакциями, в результате которой качественное изменение «чего-либо» не приводит к его количественному изменению («во Вселенной ничего не растрачивается, ничто не утрачивается»). Эквивалент этих трансформаций Джоуль предложил определять как энергию. Он экспериментально доказал, что при различных физико-химических трансформациях определенной системы ее общая потенциальная энергия может полностью или частично переходить в кинетическую, т. е. энергию механического движения (и наоборот). Это позволило Джоулю рассчитать строгую закономерность выделения теплоты при прохождении электрического тока через проводник. К тем же выводам одновременно пришел и петербургский академик Эмилий Ленц. Математическое обоснование закона сохранения энергии выдвинул немецкий физик и физиолог Герман Гельмгольц.
Обобщенный закон сохранения энергии стал первым аксиоматическим основанием теории термодинамических систем («первое начало термодинамики»). Современники воспринимали его как важное дополнение ньютоновских принципов физики – доказательство того, что «все процессы в природе могут быть сведены к общим правилам и могут быть выведены из этих последних» (Г. Гельмгольц), и что «порядок во Вселенной, при всей своей сложности, работает слаженно и гармонично» (Д. Джоуль). Но взаимодействия и качественные трансформации термодинамических систем уже с трудом редуцировались к механическим процессам. Поиск нового «основополагающего» принципа физической картины мира вызвал активные исследования в области электрических явлений.
Экспериментальные открытия Луиджи Гальвани (1737–1798) и Алессандро Вольта (1745–1827), совершенные в конце XVIII в., открыли путь к изучению электродинамики, т. е. явлений, порожденных постоянным электрическим током, а не статическими разрядами. Была установлена и взаимосвязь между электрическим током и химическими реакциями. В 1800 г. Вольта сконструировал химическую батарею, ставшую первым искусственным источником электрического тока, а вскоре был открыт электролиз – процесс изменения химических свойств под влиянием электрического тока. Эксперименты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777–1851) выявили связь между электричеством и магнетизмом. В 1820 г. он издал трактат «Опыты по воздействию электрического конфликта на магнитную стрелку», где излагались выводы о существовании некоей единой скрытой силы, лежащей в основе всяких взаимодействий. Природу этой силы Эрстед усматривал в электромагнетизме. Спустя два года были опубликованы результаты исследований Томаса Зеебека (1770–1831), доказавшего возможность тепла быть источником электрического тока («термоэлектрический эффект»).
В 20-х гг. XIX в. появляется серия научных трудов французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836), где систематизировались сведения о электродинамических и электростатических явлениях. Ампер сформулировал и закон взаимодействия двух элементов тока (притяжение проводников с одинаково направленными токами и отталкивание проводников с противоположно направленными токами). В 1826 г. немецкий ученый Георг Симон Ом (1789–1854) сформулировал закон изменения напряжения электрического тока вдоль проводящей цепи, т. е. зависимости интенсивности электрического тока от сопротивления проводника. Разработка теории электропроводимости (теории электрических цепей) позволила перейти к практическому использованию электричества, источника энергии. Так, уже в 1833 г. в Геттингене была построена первая телеграфная линия, а спустя два года сконструирована и модель телеграфа американца Самуэла Морзе (1791–1872) с двоичным алфавитом.
Открытия Эрстеда и Зеебека, Ампера и Ома сформировали общую концепцию электродинамики, которая органично сочеталась с постулатами первого начала термодинамики. В европейском научном сообществе постепенно закрепилось представление об электромагнетизме как наиболее «глубинном» природном явлении. Тем самым, электродинамика вытеснила механику в качестве основы «ньютоновской картины мира». Но основоположники электродинамической теории рассматривали электрический ток в качестве последовательных мгновенных электромагнитных взаимодействий отдельных частиц вещества. Первые теории термодинамики также основывались на схожих представлениях о «тепловом потоке». Таким образом, в обоих случаях сохранялся корпускулярный подход к пониманию природы физических явлений. Материя рассматривалась как совокупность корпускул – частиц с той или иной массой, объемом, давлением, температурой, взаимодействие которых образует потоки реагирующих веществ. Преодоление этого метафизического принципа было связано с формированием континуальных теорий (теорий континуума, «сплошной среды»). Первым опытом подобного рода стало исследование явлений электромагнитного поля.
Выявить обратную связь магнетизма и электричества, т. е. способность магнитных явлений индуцировать (вызывать) электрический ток, удалось английскому ученому Майклу Фарадею (1791–1867). В 1831 г. он впервые продемонстрировал серию опытов, в ходе которых при движении магнита относительно проводникового контура возникал электрический ток. Попытка объяснить направление получаемого таким образом тока привела Фарадея к открытию «магнитных кривых» – особых линий магнитных сил, взаимодействие с которыми и создает явление электромагнитной индукции. В итоге Фарадей пришел к идее о том, что электромагнетизм порождается не прямым взаимодействием зарядов и частиц вещества, а особым пространством между ними – эфиром, пронизанным «силовыми трубками» (силовыми линиями). Это пространство Фарадей определил как электромагнитное поле.
Выдающийся вклад в развитие теории электромагнитного поля внес шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Он не только выразил известные тогда соотношения электродинамики на математическом языке, но и создал систему уравнений («уравнения Максвелла»), описывающих все основные закономерности электромагнитных явлений. Электромагнитное поле Максвелл представлял «частью пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом и магнитном состоянии». Он доказал, что изменение такого поля закономерно приводит и к изменениям в силовых линях. Таким образом, электромагнитные взаимодействия можно рассматривать как импульсы или волны, распространяющиеся в среде. Максвелл создал уравнение для расчета скорости распространения таких волн («электромагнитного возмущения»). Задача получения электромагнитных волн в широком спектральном диапазоне была решена последователями Максвелла, и это открытие позволило создать все виды радиосвязи.
Еще одним направлением в развитии континуальных исследований стала волновая теория света, созданная в начале XIX в. Ее основоположником является английский физик Томас Юнг (1773–1829). Используя аналогии между световыми и акустическими явлениями, он впервые выдвинул аргументы против господствовавшей тогда корпускулярной теории света. Юнг рассматривал свет как колеблющееся движение частиц особой разновидности материи – эфира. Интерференция (сложение) колебаний света, по его мнению, и объясняет природу окрашивания.
Французский ученый Огюстен Френель (1788–1827) придал волной теории света более строгое математическое обоснование, а также выдвинул гипотезу о поперечности колебаний световых волн, т. е. колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению их движения. Эта идея позволила объяснить преломление света, его прямолинейное распространение, полное внутреннее отражение и другие оптические явления. Но анализ механических свойств эфира стал при этом еще более проблематичным – поперечные колебания распространяются только в твердых средах, тогда как эфир современники Френеля считали максимально разреженной сферой, «наилегчайшей материей». Выход из этого противоречия был предложен Максвеллом, рассматривавшим световые волны как частное проявление электромагнетизма, а эфир – как полевое, континуальное явление. Экспериментально же волновая теория была полностью подтверждена при изучении движения света в разных средах. Арман Физо (1819–1896) в 1849 г. установил скорость света в наземных условиях, а Жан Бернар Фуко (1819–1868) в 1853 г. – скорость света в воде.
