Sejarah fisika 📖 Wikipedia

Bagian dari seri
Fisika
Indeks Garis besar Glosarium Sejarah (garis waktu)
Cabang Akustika Astrofisika Biofisika Elektromagnetisme Fisika atom Fisika klasik Fisika modern Fisika nuklir Geofisika Mekanika Optika Termodinamika
Penelitian Fisikawan (daftar) Daftar penghargaan fisika Daftar jurnal Daftar masalah yg belum terpecahkan
Portal Fisika  Kategori
l b s

Sejarah fisika merupakan salah satu sejarah keilmuan yang dimulai dari kegiatan penelitian ilmiah untuk memperoleh pengetahuan ilmiah.^[1] Pengembangan sejarah fisika berlangsung secara lintas bangsa. Awal perkembangan sejarah fisika tidak diketahui dengan pasti, tetapi pada zaman prasejarah, manusia telah mengenal fisika dari unsur-unsur alam yang meliputi api, air, dan tanah untuk mempertahankan keberlangsungan hidup.

Selanjutnya, manusia mulai mengenal berbagai jenis logam yang diawali dengan penemuan perunggu. Pengetahuan bahan-bahan yang paling awal ini kemudian dikembangkan oleh peradaban kuno, antara lain peradaban Mohenjo-daro (India–Pakistan), peradaban Asyur (Asia Barat), peradaban Mesir Kuno (sungai Nil), peradaban Cina Kuno, Peradaban Andes (pegunungan Andes, Amerika Tengah), peradaban Maya (Amerika Tengah) dan peradaban Aztek (Meksiko).

Sejarah fisika kemudian berlanjut pada masa Yunani Kuno melalui ilmu filsafat dan dilanjutkan oleh para cendekiawan Muslim pada Zaman Kejayaan Islam. Sejarah fisika memasuki masa fisika klasik setelah pengetahuan fisika dari cendekiawan Muslim menyebar ke Eropa melalui Andalusia di Spanyol, dan melalui Semenanjung Balkan. Beberapa tokohnya ialah Roger Bacon, Nicolaus Copernicus, Galileo Galilei, dan Isaac Newton.

Kemudian muncul fisika modern pada awal abad ke-20 Masehi dengan fisikawan Eropa seperti Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Albert Einstein, dan Enrico Fermi. Di Asia juga muncul fisikawan-fisikawan yang turut memengaruhi sejarah fisika seperti Abdus Salam, Satyendranath Bose, Venkata Raman, Hideki Yukawa, dan Leo Esaki.^[2]

Unsur-unsur yang menjadi fisika pada dasarnya diambil dari bidang astronomi, optika, dan mekanika, yang secara metodologis disatukan melalui kajian geometri. Disiplin-disiplin matematika ini dimulai pada zaman kuno oleh bangsa Babilonia dan para penulis Helenistik seperti Archimedes dan Ptolemaeus. Sementara itu, filsafat kuno mencakup apa yang disebut "Fisika".

Pergerakan menuju pemahaman rasional tentang alam dimulai setidaknya sejak periode Arkais di Yunani (650–480 SM) oleh para filsuf Pra-Sokratik. Filsuf Thales dari Miletus (abad ke-7 dan ke-6 SM), yang dijuluki "Bapak Ilmu Pengetahuan" karena menolak penjelasan supernatural, religius, atau mitologis untuk fenomena alam, menyatakan bahwa setiap peristiwa memiliki penyebab alami.^[3]

Pada tahun 580 SM, Thales berpendapat bahwa air adalah unsur dasar segala sesuatu. Ia juga bereksperimen dengan daya tarik antara magnet dan ambar yang digosok, serta merumuskan kosmologi pertama yang tercatat. Anaximandros, yaitu pengembang teori proto-evolusi, membantah gagasan Thales dan mengusulkan bahwa suatu zat yang disebut apeiron merupakan blok pembangun semua materi.

Sekitar tahun 500 SM, Herakleitos mengusulkan bahwa satu-satunya hukum dasar yang mengatur alam semesta adalah prinsip perubahan dan bahwa tidak ada yang tetap dalam keadaan yang sama selamanya. Ia, bersama dengan Parmenides sezamannya, termasuk di antara cendekiawan pertama yang merenungkan peran waktu di alam semesta, yakni sebuah konsep utama yang masih menjadi isu dalam fisika modern.

Selama periode klasik di Yunani (abad ke-6 hingga ke-4 SM) dan di masa Helenistik, filsafat alam berkembang menjadi bidang studi tersendiri. Aristoteles (384–322 SM), murid Plato, berpendapat bahwa pengamatan fenomena fisik pada akhirnya dapat mengarah pada penemuan hukum alam yang mengaturnya. Tulisan-tulisan Aristoteles meliputi fisika, metafisika, puisi, teater, musik, logika, retorika, linguistik, politik, pemerintahan, etika, biologi, dan zoologi. Ia menulis karya pertama yang merujuk pada bidang studi tersebut sebagai "Fisika".

Pada abad ke-4 SM, Aristoteles mendirikan sistem yang dikenal sebagai fisika Aristoteles. Ia mencoba menjelaskan gagasan seperti gerak (dan gravitasi) dengan teori empat unsur. Aristoteles percaya bahwa semua materi terbuat dari eter, atau kombinasi empat unsur, yaitu tanah, air, udara, dan api. Menurut Aristoteles, keempat unsur bumi ini mampu saling berubah dan bergerak menuju tempat alaminya, sehingga sebuah batu jatuh ke bawah menuju pusat kosmos, sementara api naik ke atas menuju langit.

Akhirnya, fisika Aristoteles menjadi populer selama berabad-abad di Eropa dan memengaruhi perkembangan ilmiah dan skolastik pada Abad Pertengahan. Fisika ini tetap menjadi paradigma ilmiah arus utama di Eropa hingga zaman Galileo Galilei dan Isaac Newton.

Pada awal Yunani Klasik, pengetahuan bahwa Bumi berbentuk bola (bulat) merupakan hal yang umum. Sekitar tahun 240 SM, sebagai hasil dari sebuah eksperimen penting, Eratosthenes (276–194 SM) secara akurat memperkirakan keliling Bumi.

Berbeda dengan pandangan geosentris Aristoteles, Aristarkhos dari Samos (±310–230 SM) mengemukakan argumen eksplisit untuk model heliosentris Tata Surya, yaitu menempatkan Matahari, bukan Bumi, di pusatnya. Seleukos dari Seleukia, seorang pengikut teori heliosentris Aristarkhos, menyatakan bahwa Bumi berputar pada porosnya sendiri, yang kemudian berputar mengelilingi Matahari. Meskipun argumen yang ia gunakan telah hilang, Plutarkhos menyatakan bahwa Seleukos adalah orang pertama yang membuktikan sistem heliosentris melalui penalaran.

Pada abad ke-3 SM, matematikawan Yunani Archimedes dari Syracuse (287–212 SM), yang secara umum dianggap sebagai matematikawan terhebat di zaman kuno dan salah satu yang terhebat sepanjang masa, meletakkan dasar-dasar hidrostatika, statika, dan menghitung matematika dasar dari tuas.

Archimedes juga mengembangkan sistem katrol yang rumit untuk memindahkan benda-benda besar dengan usaha yang minimal. Sekrup Archimedes menopang rekayasa hidro modern, dan mesin perangnya membantu menahan pasukan Romawi dalam Perang Punisia Pertama. Archimedes bahkan meruntuhkan argumen Aristoteles dan metafisikanya, menunjukkan bahwa mustahil memisahkan matematika dan alam, dan membuktikannya dengan mengubah teori matematika menjadi penemuan praktis.

Lebih lanjut, dalam karyanya On Floating Bodies, sekitar tahun 250 SM, Archimedes mengembangkan hukum gaya apung, yang juga dikenal sebagai prinsip Archimedes. Dalam matematika, Archimedes menggunakan metode penghabis untuk menghitung luas di bawah busur parabola dengan penjumlahan deret tak hingga, dan memberikan perkiraan nilai pi yang sangat akurat. Ia juga mendefinisikan spiral yang menyandang namanya, yaitu rumus untuk volume permukaan revolusi, dan sistem yang cerdik untuk menyatakan bilangan yang sangat besar. Ia juga mengembangkan prinsip-prinsip keadaan kesetimbangan dan pusat gravitasi, gagasan yang akan memengaruhi ilmuwan masa depan seperti Galileo dan Newton.

Hipparkhos (190–120 SM), yang berfokus pada astronomi dan matematika, menggunakan teknik geometri rumit untuk memetakan gerakan bintang dan planet, bahkan memprediksi waktu terjadinya gerhana matahari. Ia menambahkan perhitungan jarak Matahari dan Bulan dari Bumi, yang berdasarkan perbaikannya pada instrumen observasi yang digunakan saat itu.

Fisikawan awal lainnya adalah Ptolemaeus (90–168 M) pada masa Kekaisaran Romawi. Ptolemaeus adalah penulis beberapa risalah ilmiah, setidaknya tiga di antaranya masih penting bagi sains Islam dan Eropa di kemudian hari. Karya utamanya adalah risalah astronomi yang sekarang dikenal sebagai Almagest (dalam bahasa Yunani, He Megalē Syntaxis, “Risalah Agung”, aslinya Mathēmatikē Syntaxis, “Risalah Matematika”). Ia juga menulis Geographia, yang merupakan pembahasan mendalam tentang pengetahuan geografis dunia Yunani-Romawi.

Sebagian besar pengetahuan dunia kuno yang terakumulasi telah hilang. Bahkan dari karya-karya para pemikir terkemuka, hanya sedikit fragmen yang tersisa. Misalnya, meskipun Hipparchus menulis setidaknya 14 buku, hampir tidak ada karya langsung yang tersisa darinya. Dari 150 karya Aristotelianisme yang terkenal, hanya 30 yang masih ada, dan beberapa di antaranya "tak lebih dari sekadar catatan kuliah".

Dalam filsafat India, Maharishi Kanada adalah orang pertama yang secara sistematis mengembangkan teori atomisme sekitar tahun 200 SM^[4] meskipun beberapa penulis telah menempatkannya pada era yang lebih awal pada abad ke-6 SM.^[5][6] Teori ini kemudian dijelaskan lebih lanjut oleh atomis Buddhis Dharmakirti dan Dignāga selama milenium pertama Masehi.^[7]

Pakudha Kaccayana, seorang filsuf India abad ke-6 SM dan sezaman dengan Buddha Gautama, juga mengemukakan gagasan tentang konstitusi atom dunia material. Aliran filsafat Vaisheshika percaya bahwa atom hanyalah sebuah titik di ruang. Aliran ini juga yang pertama kali menggambarkan hubungan antara gerak dan gaya yang diterapkan. Teori-teori India tentang atom sangat abstrak dan terjalin erat dengan filsafat karena didasarkan pada logika, bukan pada pengalaman pribadi atau eksperimen.

Dalam astronomi India, Aryabhata (499 M) mengusulkan rotasi Bumi dalam karyanya Aryabhatiya, sementara Nilakantha Somayaji (1444–1544 M) dari mazhab astronomi dan matematika Kerala mengusulkan model semi-heliosentris yang menyerupai sistem Tychonic.

Studi tentang magnetisme di Tiongkok Kuno dimulai pada abad ke-4 SM (dalam Book of the Devil Valley Master).^[9] Kontributor utama bidang ini adalah Shen Kuo (1031–1095 M), seorang polimatik dan negarawan yang pertama kali mendeskripsikan kompas jarum magnet yang digunakan untuk navigasi, sekaligus menetapkan konsep utara sejati. Dalam bidang optika, Shen Kuo secara independen mengembangkan kamera obscura.^[10]

Pada abad ke-7 hingga ke-15, kemajuan ilmiah terjadi di dunia Islam. Banyak karya klasik dalam bahasa India, Asyur, Sassaniyah (Persia), dan Yunani, termasuk karya-karya Aristoteles, diterjemahkan ke dalam bahasa Arab.^[11]

Kontribusi yang penting diberikan oleh Ibnu al-Haytham (965–1040 M), dikenal sebagai Alhazen, yaitu seorang ilmuwan Arab atau Persia yang dianggap sebagai pendiri optika modern.^[12][13][14] Ptolemaeus dan Aristoteles berteori bahwa cahaya memancar antara dari mata untuk menerangi benda, atau bahwa "bentuk-bentuk" memancar dari benda itu sendiri, sedangkan al-Haytham menyatakan bahwa cahaya merambat ke mata dalam bentuk sinar dari berbagai titik pada suatu benda. Karya-karya Ibnu al-Haytham dan al-Biruni (973–1050 M), seorang ilmuwan Persia, akhirnya sampai ke Eropa Barat di mana karya-karya tersebut dipelajari oleh para cendekiawan seperti Roger Bacon dan Witello.^[15]

Ibnu al-Haytham menggunakan eksperimen terkontrol dalam karyanya tentang optika, meskipun sejauh mana perbedaannya dengan Ptolemaeus masih diperdebatkan.^[16][17] Ahli mekanika Arab seperti Bīrūnī dan Al-Khazini mengembangkan "ilmu tentang berat" yang rumit, melakukan pengukuran terhadap berat dan volume tertentu.^[18]

Ibnu Sina (980–1037 M), yang dikenal sebagai Avicenna, adalah seorang polimatik dari Bukhara (sekarang di Uzbekistan) yang berperan penting dalam kontribusi untuk fisika, optika, filsafat, dan kedokteran. Ia menerbitkan teori geraknya pada tahun 1020 dalam Kitab Penyembuhan (Kitāb al-Shifāʾ), di mana ia berpendapat bahwa sebuah dorongan diberikan kepada proyektil oleh pelempar.^[19][20][21]

Ibnu Sina memandang dorongan tersebut sebagai sesuatu yang menetap, yang mana membutuhkan gaya eksternal seperti hambatan udara untuk menghilangkannya. Ibnu Sina membedakan antara "gaya” dan “kecenderungan” (disebut mayl), serta berpendapat bahwa suatu benda memperoleh mayl ketika benda tersebut bergerak berlawanan dengan gerak alaminya. Ia menyimpulkan bahwa kelanjutan gerak disebabkan oleh kecenderungan yang ditransfer ke benda tersebut, dan benda tersebut akan terus bergerak hingga mayl-nya habis.

Konsep gerak ini konsisten dengan hukum gerak pertama Newton, yaitu inersia, yang menyatakan bahwa benda yang bergerak akan tetap bergerak kecuali ada gaya eksternal yang memengaruhinya.^[19] Gagasan yang berbeda dengan pandangan Aristoteles ini kemudian digambarkan sebagai dorongan (impetus) oleh Jean Buridan, yang kemungkinan besar dipengaruhi oleh Kitab Penyembuhan milik Ibnu Sina.^[21]

Abu'l-Barakat al-Baghdaadi (±1080–1165 M) mengadopsi dan memodifikasi teori Ibnu Sina tentang gerak proyektil. Dalam Kitab al-Mu'tabar, Abu'l-Barakat menyatakan bahwa benda yang digerakkan memberikan kecenderungan keras (mayl qasri) pada benda tersebut, dan kecenderungan ini berkurang seiring benda menjauh dari penggeraknya.^[22] Ia juga mengusulkan penjelasan tentang percepatan benda jatuh melalui akumulasi peningkatan daya berturut-turut seiring meningkatnya kecepatan.^[23]

Menurut Shlomo Pines, teori gerak al-Baghdaadi merupakan penyangkalan tertua terhadap hukum dinamika fundamental Aristoteles dan merupakan cikal bakal dari hukum fundamental mekanika klasik.^[24] Jean Buridan dan Albert dari Saxony kemudian merujuk pada Abu'l-Barakat untuk menjelaskan bahwa percepatan benda yang jatuh adalah hasil dari peningkatan dorongannya.^[22]

Ibnu Bajjah (±1085–1138 M), yang dikenal sebagai Avempace, mengusulkan bahwa untuk setiap gaya selalu ada gaya reaksi. Ibnu Bājjah adalah seorang pengkritik Ptolemaeus dan ia bekerja untuk mengembangkan teori kecepatan baru sebagai pengganti teori yang dikemukakan oleh Aristoteles. Thomas Aquinas, seorang pendeta Katolik, dan John Duns Scotus mendukung teori-teori yang diciptakan Ibnu Bajjah, yang dikenal sebagai dinamika Avempace.^[25] Galileo kemudian mengadopsi rumus Avempace "bahwa kecepatan suatu benda merupakan selisih antara daya gerak benda tersebut dan hambatan media geraknya”.^[25]

Nasir al-Din al-Tusi (1201–1274 M), seorang astronom dan matematikawan Persia yang wafat di Baghdad, memperkenalkan teorema matematika penting kepada pasangan Tusi dan mendirikan Sekolah Astronomi Maragha.^[26] Model-model astronomi geosentris (namun tidak heliosentris) yang dikembangkan oleh Maragha memiliki banyak kesamaan yang mencolok dengan model-model yang dikembangkan oleh Nicolaus Copernicus sekitar 300 tahun kemudian. Kemungkinan bahwa hasil-hasil Maragha memengaruhi Copernicus telah diteliti secara mendalam.^[27]

Kesadaran akan karya-karya kuno kembali hadir di Barat melalui penerjemahan dari bahasa Arab ke bahasa Latin. Pengenalan kembali karya-karya tersebut, dikombinasikan dengan komentar-komentar teologis Yahudi-Islam, memberikan pengaruh besar pada para filsuf Abad Pertengahan seperti Thomas Aquinas.

Para cendekiawan Eropa skolastik, yang berusaha menyelaraskan filsafat para filsuf klasik kuno dengan teologi Kristen, menyatakan Aristoteles sebagai pemikir terbesar dunia kuno. Dalam kasus-kasus yang tidak secara langsung bertentangan dengan Alkitab, fisika Aristoteles menjadi fondasi bagi penjelasan-penjelasan fisika gereja-gereja Eropa. Kuantifikasi menjadi elemen inti fisika abad pertengahan.^[28]

Berdasarkan fisika Aristoteles, fisika Skolastik menggambarkan benda-benda bergerak sesuai dengan sifat esensinya. Benda-benda langit digambarkan bergerak dalam lingkaran, karena gerak melingkar sempurna dianggap sebagai sifat bawaan benda-benda yang berada di alam yang tak tercemar dari bola-bola langit. Gerak di bawah bola bulan dianggap tidak sempurna, sehingga tidak diharapkan menunjukkan gerak yang konsisten.

Gerak yang lebih ideal di alam “sublunari” hanya bisa dicapai melalui rekayasa, dan sebelum abad ke-17, banyak orang tidak memandang eksperimen buatan sebagai cara yang sah untuk mempelajari dunia alami. Penjelasan fisika di alam sublunari berfokus pada kecenderungan. Batu mengandung unsur bumi, dan benda-benda bumi cenderung bergerak lurus menuju pusat bumi (dan alam semesta menurut pandangan geosentris Aristoteles) kecuali jika ada hal yang mencegahnya.^[29]

Fisika Aristoteles tidak diteliti sampai John Philoponus, yang mengandalkan pengamatan daripada argumen verbal seperti Aristoteles.^[30] Kritik Philoponus terhadap prinsip-prinsip fisika Aristoteles menjadi inspirasi bagi Galileo Galilei sepuluh abad kemudian,^[31] selama Revolusi Ilmiah. Galileo banyak mengutip Philoponus dalam karyanya ketika berargumen bahwa fisika Aristoteles memiliki kelemahan.^[29][32]

Pada tahun 1300-an Jean Buridan, seorang guru di fakultas seni di Universitas Paris, mengembangkan konsep dorongan (theory of impetus). Konsep ini merupakan langkah menuju gagasan modern tentang inersia dan momentum.^[33]

Selama abad ke-16 dan ke-17, kemajuan besar dalam perkembangan ilmu pengetahuan yang dikenal sebagai Revolusi Ilmiah terjadi di Eropa. Ketidakpuasan terhadap pendekatan-pendekatan filosofis lama telah dimulai lebih awal dan menimbulkan berbagai perubahan lain dalam masyarakat, seperti Reformasi Protestan.

Namun, revolusi dalam ilmu pengetahuan mulai terbentuk ketika para filsuf alam secara bertahap mengajukan kritik berkelanjutan terhadap program filosofis Skolastik. Mereka beranggapan bahwa skema deskriptif matematis yang diadopsi dari bidang-bidang seperti mekanika dan astronomi dapat menghasilkan karakterisasi yang berlaku secara universal terhadap gerak dan konsep-konsep lainnya.

Sebuah terobosan dalam bidang astronomi dilakukan oleh astronom Renaisans Nicolaus Copernicus (1473–1543), yang pada tahun 1543 mengajukan argumen kuat untuk model heliosentris Tata Surya. Ia mengembangkan model tersebut untuk meningkatkan akurasi tabel pergerakan planet dan menyederhanakan proses perhitungannya.^[34] Dalam model heliosentris ini, Bumi mengorbit Matahari bersama planet-planet lainnya. Pandangan tersebut bertentangan dengan model geosentris yang dirumuskan oleh astronom Yunani-Mesir Ptolemaeus, yang menempatkan Bumi di pusat alam semesta dan telah diterima selama lebih dari 1.400 tahun. Sebelumnya, Aristarkhos dari Samos (±310–230 SM) telah mengusulkan gagasan serupa, tetapi model Copernicus-lah yang kemudian memperoleh penerimaan luas.^[35]

Buku Copernicus yang memaparkan teorinya, yaitu De revolutionibus orbium coelestium, diterbitkan tepat sebelum kematiannya pada tahun 1543.^[36] Karya tersebut secara umum dianggap menandai awal astronomi modern sekaligus permulaan Revolusi Ilmiah.^[37] Perspektif baru yang ia ajukan, bersama dengan pengamatan akurat Tycho Brahe, memungkinkan astronom Jerman Johannes Kepler (1571–1630) untuk merumuskan hukum gerak planet yang masih digunakan hingga kini.

Galileo Galilei (1564–1642) merupakan matematikawan, astronom, dan fisikawan Italia yang berperan penting dalam Revolusi Ilmiah. Ia memperkenalkan metode eksperimental dan menjadikan matematika sebagai bahasa utama untuk menjelaskan hukum-hukum alam.^[38][39] Eksperimennya di Pisa dan Padova menentang pandangan Aristotelian bahwa benda jatuh dengan kecepatan sebanding dengan beratnya. Ia menunjukkan bahwa semua benda mengalami percepatan yang sama dalam jatuh bebas dan bahwa lintasan proyektil berbentuk parabola.^[39] Dari analisis tersebut, Galileo merumuskan prinsip inersia dan konsep relativitas Galileo, yang kelak menjadi landasan bagi hukum gerak Newton.^[40]

Melalui pendekatan empirisnya, Galileo menunjukkan bahwa mekanika, seperti gerak alami dan buatan, memiliki sifat yang konsisten secara universal dan dapat dijelaskan secara matematis.^[41] Prinsip ini menjadikan eksperimen sebagai bagian utama dari kajian alam, menggantikan pendekatan spekulatif dan argumentasi verbal yang mendominasi filsafat sebelumnya.^[42] Dukungan Galileo terhadap model heliosentris memperkuat dasar empiris astronomi baru, meskipun menimbulkan konflik dengan Gereja Katolik.^[43] Namun, metode ilmiahnya memengaruhi generasi penerus seperti Evangelista Torricelli, Blaise Pascal, Christiaan Huygens, Robert Hooke, Robert Boyle, dan Isaac Newton.^[44]

Johannes Kepler (1571–1630) adalah astronom, matematikawan, dan filsuf alam Jerman yang menjadi salah satu tokoh utama dalam Revolusi Ilmiah abad ke-17. Ia paling dikenal melalui tiga hukum gerak planet dan karya-karyanya seperti Astronomia nova (1609), Harmonice Mundi (1619), dan Epitome Astronomiae Copernicanae (1618–1621). Pemikiran Kepler memengaruhi Isaac Newton dan menjadi salah satu dasar bagi teori gravitasi universal.^[45] Karyanya dianggap sangat penting dalam perkembangan astronomi modern dan metode ilmiah.^[46][47]

Kepler dipengaruhi oleh keyakinan bahwa alam semesta memiliki keteraturan yang dapat dipahami melalui akal.^[48] Ia menyebut pendekatan ilmiahnya sebagai “fisika langit”, “sebuah perjalanan menuju Metaphysics karya Aristoteles”, dan “tambahan bagi On the Heavens karya Aristoteles”,^[49] sehingga memperlakukan astronomi sebagai cabang dari fisika matematika universal.^[50][51]

René Descartes (1596–1650) adalah seorang filsuf, matematikawan, dan ilmuwan Prancis yang memiliki pengaruh besar dalam perkembangan filsafat modern. Ia memiliki hubungan luas dalam jaringan filsafat eksperimental, tetapi memiliki agenda tersendiri untuk menggantikan tradisi filsafat Skolastik.^[52][53] Dengan mempertanyakan realitas yang ditangkap melalui indra, Descartes berusaha membangun kembali penjelasan filosofis dengan mereduksi seluruh fenomena menjadi gerakan lautan zarah (korpuskular) yang tidak kasatmata. Ia mengecualikan pemikiran manusia dan Tuhan dari rencananya, menganggap keduanya terpisah dari alam fisik.^[52][53]

Dalam kerangka filsafatnya, Descartes berasumsi bahwa berbagai jenis gerak, seperti gerak planet dan gerak benda di Bumi, pada dasarnya tidak berbeda, melainkan merupakan manifestasi dari rangkaian gerak zarah yang tidak ada habisnya dan tunduk pada prinsip-prinsip universal. Penjelasan yang paling berpengaruh dalam pandangannya ialah teori gerakan astronomi melingkar yang dihasilkan oleh pusaran zarah di ruang angkasa.^[54] Descartes menolak keberadaan ruang hampa, sebagaimana keyakinan kaum Skolastik, dan menjelaskan gravitasi sebagai akibat dari dorongan zarah-zarah terhadap benda ke arah bawah.^[55]

Seperti Galileo, Descartes meyakini pentingnya penjelasan matematis.^[51] Ia dan para pengikutnya menjadi tokoh utama dalam perkembangan matematika dan geometri pada abad ke-17. Deskripsi matematis Cartesian tentang gerak menyatakan bahwa seluruh formulasi matematika harus dapat dibenarkan dalam konteks aksi fisik langsung. Pandangan ini juga dipegang oleh Christiaan Huygens dan filsuf Jerman Gottfried Wilhelm Leibniz,^[56] yang, sambil mengikuti tradisi Cartesian, mengembangkan sistem filsafatnya sendiri sebagai alternatif terhadap skolastisisme dalam karya tahun 1714, Monadologi.^[57]

Descartes sering dijuluki "Bapak Filsafat Modern", dan banyak aliran filsafat Barat selanjutnya muncul sebagai tanggapan terhadap pemikirannya.^[53] Karyanya, Meditasi tentang Filsafat Pertama, masih menjadi teks standar di banyak departemen filsafat.^[58][52] Pengaruh Descartes juga besar dalam bidang matematika. Sistem koordinat Cartesius, yang memungkinkan persamaan aljabar dinyatakan dalam bentuk geometris dua dimensi, dinamai menurut namanya. Ia dianggap sebagai bapak geometri analitik, yang menjadi jembatan antara aljabar dan geometri serta berperan penting bagi pengembangan kalkulus dan analisis modern.^[59][60]

Christiaan Huygens (1629–1695) merupakan salah satu tokoh penting yang menjembatani pemikiran mekanistik Galileo Galilei dan Isaac Newton.^[61] Fisikawan, matematikawan, dan astronom asal Belanda ini dikenal karena menerapkan pendekatan matematis yang sistematis untuk menjelaskan fenomena fisika, menjadikannya salah satu pendiri fisika teori dan fisika matematika modern.

Huygens berkembang dalam lingkungan intelektual Masa Keemasan Belanda, ketika republik tersebut menjadi pusat kegiatan ilmiah di Eropa. Filsafat mekanistik René Descartes sangat memengaruhi cara pandangnya terhadap alam, terutama gagasan bahwa seluruh fenomena fisika dapat dijelaskan melalui gerak dan tumbukan partikel.^[61] Pendekatan mekanistik inilah yang menjadi dasar bagi karya-karya teoretis Huygens di bidang dinamika dan optika.

Pada tahun 1659, Huygens menurunkan secara geometris rumus gaya sentripetal dan sentrifugal dalam De Vi Centrifuga, yakni sebuah langkah penting menuju formulasi mekanika klasik.^[62] Karya puncaknya, Horologium Oscillatorium (1673), dianggap sebagai salah satu risalah paling berpengaruh dalam sejarah fisika klasik,^[63] sejajar dengan Two New Sciences (Galileo, 1638) dan Principia Mathematica (Newton, 1687).^[64] Dalam karya ini, Huygens menerapkan prinsip-prinsip matematika untuk menjelaskan gerak bandul dan gerak jatuh yang dipercepat, sekaligus merumuskan hukum-hukum yang secara struktur serupa dengan dua hukum gerak pertama Newton.

Selain dalam mekanika, Huygens memberikan kontribusi penting pada teori gelombang cahaya. Ia berpendapat bahwa cahaya merambat sebagai gelombang melalui medium eter dan bahwa setiap titik pada muka gelombang bertindak sebagai sumber gelombang sekunder, yakni gagasan yang kini dikenal sebagai prinsip Huygens.^[65] Teori ini, yang dipublikasikan dalam Traité de la Lumière (1690), awalnya kalah dari teori korpuskular milik Newton, tetapi menjadi dasar bagi teori optika gelombang setelah dikembangkan lebih lanjut oleh Augustin-Jean Fresnel pada abad ke-19.

Dalam astronomi, Huygens memperkenalkan metode pengamatan berbasis teleskop buatan sendiri yang sangat presisi. Ia mengidentifikasi bentuk cincin Saturnus dan menemukan satelitnya, Titan,^[66] sambil menekankan pentingnya pengukuran kuantitatif dalam penelitian langit.^[67] Pendekatannya yang menggabungkan eksperimen, matematika, dan model mekanistik menjadikannya figur penting dalam transformasi fisika dari spekulasi filsafat alam menuju sains kuantitatif yang menjadi ciri khas era Newton.

Isaac Newton (1642–1727) adalah fisikawan, matematikawan, dan astronom Inggris yang menjadi salah satu tokoh paling berpengaruh dalam Revolusi Ilmiah. Sebagai anggota Royal Society dan profesor di Universitas Cambridge, Newton merumuskan tiga hukum gerak dan hukum gravitasi universal yang menyediakan dasar matematis bagi mekanika klasik.^[68] Untuk mengembangkan teorinya, Newton memperkenalkan bentuk baru analisis matematis yang kemudian dikenal sebagai kalkulus, yang juga ditemukan secara independen oleh Gottfried Wilhelm Leibniz.^[69]

Publikasi Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica pada tahun 1687 menandai awal periode modern dalam mekanika dan astronomi.^[70] Dalam karya tersebut, Newton menunjukkan bahwa gerak benda di bumi dan gerak benda di langit dapat dijelaskan melalui hukum yang sama, sekaligus memberikan penjelasan matematis bagi hukum-hukum Kepler.^[71] Dengan kerangka kerjanya, Newton menolak mekanika Descartes yang mengharuskan semua gaya muncul melalui tumbukan langsung antarpartikel, dan menunjukkan bahwa gaya universal seperti gravitasi dapat bekerja pada jarak jauh.^[71]

Pemikiran Newton menimbulkan perdebatan di Eropa daratan, terutama karena tidak adanya penjelasan metafisik mengenai prinsip gravitasi dan aksi pada jarak jauh.^[70][55] Sekitar tahun 1700, perbedaan antara tradisi Newton dan Cartes–Leibniz semakin menonjol, yang dipicu oleh perselisihan mengenai prioritas penemuan kalkulus antara para pendukung Newton dan Leibniz.^[72] Notasi kalkulus Leibniz akhirnya menjadi standar di luar Inggris karena dianggap lebih mudah digunakan. Newton sendiri menyatakan bahwa penjelasan metafisik mengenai gravitasi tidak diperlukan selama konsekuensi matematisnya sesuai dengan pengamatan astronomi. Seiring berjalannya abad ke-18, pendekatan Newton perlahan diterima oleh filsuf alam di Eropa daratan.

Selain karya dalam mekanika, Newton membangun teleskop pemantul pertama yang berfungsi^[73] dan mengembangkan teori warna berdasarkan pemecahan cahaya putih oleh prisma, yang ia uraikan dalam Opticks.^[74] Newton mendukung teori partikel cahaya, yang bersaing dengan teori gelombang cahaya yang diusulkan Christiaan Huygens pada 1690.^[75] Dominasi fisika mekanistik dan otoritas ilmiahnya membuat teori gelombang mendapat dukungan terbatas, hingga berkembang kembali pada awal abad ke-19.

Newton juga merumuskan hukum pendinginan empiris, mempelajari kecepatan suara, menyelidiki deret pangkat dan deret tak hingga, membuktikan bentuk umum teorema binomial, serta mengembangkan metode numerik untuk memperkirakan akar fungsi.^[76] Yang terpenting, ia menunjukkan bahwa hukum alam yang sama mengatur fenomena di Bumi dan di langit, sehingga menghilangkan pemisahan antara mekanika bumi dan astronomi.^[70] Dengan menyatukan gagasan-gagasan utama Revolusi Ilmiah, Newton memberikan dasar bagi perkembangan fisika dan matematika modern.

Selain kemajuan dalam mekanika dan astronomi, berbagai cabang fisika juga mengalami perkembangan penting selama Revolusi Ilmiah. William Gilbert menunjukkan bahwa Bumi memiliki sifat yang mirip seperti magnet raksasa, sehingga menempatkan kajian magnetisme pada dasar empiris yang baru.^[77] Robert Boyle menyelidiki sifat-sifat gas dan merumuskan hubungan antara tekanan dan volume yang kemudian dikenal sebagai hukum Boyle,^[78] sekaligus membantu membentuk pendekatan eksperimental dalam kimia dan fisiologi.^[79]

Periode ini juga menyaksikan munculnya lembaga ilmiah yang berperan besar dalam penyebaran dan legitimasi metode baru. Royal Society di London (1660) dan Académie des Sciences di Paris (1666) menyediakan wadah untuk mempublikasikan hasil penelitian, melakukan eksperimen kolektif, serta membangun standar metodologis.^[80] Pada abad ke-18, akademi kerajaan penting didirikan di Berlin (1700) dan di St. Petersburg (1724), yang memberikan peluang utama untuk publikasi, serta diskusi hasil ilmiah selama dan setelah revolusi ilmiah.^[81]

Di bidang matematika terapan, keluarga Bernoulli memperluas ruang lingkup fisika matematika melalui pemecahan masalah-masalah kurva.^[69] Pada tahun 1690, James Bernoulli menunjukkan bahwa sikloid adalah solusi untuk masalah kurva tautokron. Tahun berikutnya, Johann Bernoulli menunjukkan bahwa rantai yang digantung bebas di dua titik akan membentuk kurva katenari, dengan pusat gravitasi serendah mungkin yang tersedia untuk setiap rantai yang digantung di antara dua titik tetap. Ia kemudian menunjukkan, pada tahun 1696, bahwa sikloid adalah solusi untuk masalah kurva brakistokron.^[82]

Pada abad ke-18, mekanika yang didirikan oleh Newton dikembangkan oleh beberapa ilmuwan karena semakin banyak matematikawan yang mempelajari kalkulus. Pada abad ini, penelitian fisika bergeser dari penemuan prinsip dasar menuju penerapan persamaan diferensial dan teknik analitis untuk fenomena yang lebih luas, termasuk getaran, fluida, panas, dan listrik.

Pada awal abad ke-18, perkembangan mekanika banyak dipengaruhi oleh penelitian tentang getaran dan penerapan persamaan diferensial. Penerapan analisis matematika pada masalah gerak dulu dikenal sebagai mekanika rasional, atau matematika campuran (dan kemudian disebut sebagai mekanika klasik).

Pada tahun 1714, Brook Taylor menurunkan frekuensi dasar dari senar yang bergetar dan diregangkan dalam bentuk tegangan dan massa per satuan panjang dengan memecahkan persamaan diferensial.^[83] Daniel Bernoulli (1700–1782) kemudian memperluas pendekatan matematis ini. Ia melakukan studi penting tentang perilaku gas yang menjadi cikal bakal teori kinetik gas lebih dari satu abad kemudian, sehingga sering dianggap sebagai salah satu fisikawan matematika pertama.^[84] Pada tahun 1733, Bernoulli menurunkan frekuensi fundamental dan harmonik rantai gantung, serta pada tahun 1734 menyelesaikan persamaan diferensial untuk getaran batang elastis yang dijepit pada salah satu ujungnya. Pembahasan Bernoulli tentang dinamika fluida dan pengujian aliran fluida diperkenalkan dalam karyanya tahun 1738 Hydrodynamica.^[85]

Mekanika rasional berkembang sebagai upaya menyusun mekanika dalam bentuk yang sepenuhnya matematis dengan menggunakan hukum-hukum Newton sebagai dasar. Bidang ini menekankan perhitungan dan pengembangan pendekatan analitis yang ketat, sebagaimana tercermin dalam buku teks kontemporer karya Johann Baptiste Horvath.^[86] Pada abad ini, metodologi tersebut menjadi cukup matang untuk memungkinkan verifikasi stabilitas Tata Surya berdasarkan hukum Newton tanpa campur tangan ilahi, meskipun persoalan mendasar seperti masalah tiga benda tetap tidak dapat dipecahkan secara deterministik.^[87] Penerapan hukum Newton dalam astronomi menghasilkan sejumlah pencapaian penting, seperti Edmond Halley memprediksi periodisitas komet Halley (1705), William Herschel menemukan planet Uranus (1781), dan Henry Cavendish mengukur konstanta gravitasi serta menentukan massa Bumi (1798). Pada tahun 1783, John Michell bahkan mengusulkan bahwa beberapa benda langit mungkin begitu masif sehingga cahaya tidak dapat lepas darinya.^[88][89]

Seiring berkembangnya lembaga-lembaga ilmiah di Eropa kontinental, tokoh-tokoh seperti Euler, Bernoulli, Joseph-Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, dan Adrien-Marie Legendre mendorong mekanika ke arah yang lebih matematis. Pada tahun 1739, Leonhard Euler memecahkan persamaan diferensial biasa untuk osilator harmonik paksa dan mengidentifikasi fenomena resonansi. Colin Maclaurin, pada tahun 1742, menemukan bentuk sferoid berotasi yang ditahan oleh gravitasi sendiri. Tahun yang sama, Benjamin Robins menerbitkan New Principles of Gunnery, yang menjadi dasar awal aerodinamika. Dengan demikian, meskipun karya Taylor dan Maclaurin penting, tradisi analitis di Inggris mulai tertinggal dibandingkan perkembangan matematis yang lebih pesat di Eropa daratan.

Pembentukan mekanika analitik juga dipengaruhi oleh upaya menggeneralisasi hukum Newton melalui prinsip kerja virtual. Pada tahun 1743, Jean le Rond d’Alembert menerbitkan Traité de dynamique, yang memperkenalkan konsep gaya umum untuk sistem yang mengalami percepatan dan sistem dengan kendala, serta merumuskan prinsip yang kini dikenal sebagai prinsip d’Alembert, yang dipandang sebagai saingan bagi formulasi hukum gerak kedua Newton. Pada tahun 1747, Pierre Louis Maupertuis mengusulkan prinsip aksi minimum sebagai dasar umum fenomena fisika. Euler kembali memperluas teori getaran dengan memecahkan persamaan diferensial parsial untuk getaran drum persegi panjang (1759) dan drum melingkar (1764), yang dalam penyelesaiannya muncul bentuk awal fungsi Bessel. Menjelang akhir abad tersebut, John Smeaton (1776) menunjukkan hubungan antara daya, usaha, momentum, dan energi kinetik melalui eksperimen, dan memberikan dukungan kuat terhadap prinsip kekekalan energi.

Puncak perkembangan mekanika rasional dicapai melalui karya Lagrange dan Laplace. Pada tahun 1788, Lagrange menyusun Mécanique analytique, yang menyajikan persamaan gerak berdasarkan prinsip kerja virtual dan menyatukan seluruh mekanika dalam kerangka analitis. Tahun berikutnya, Antoine Lavoisier merumuskan hukum kekekalan massa, yang menyediakan dasar penting bagi analisis sistem fisika tertutup. Mekanika langit kemudian memperoleh formulasi komprehensif dalam Traité de mécanique céleste (1799–1825) karya Laplace, yang menjelaskan stabilitas dan evolusi Tata Surya.^[90]

Pada abad ke-18, termodinamika dikembangkan melalui teori-teori “fluida tak terukur” tanpa bobot, seperti kalorik, listrik, dan flogiston. Meskipun banyak dari konsep ini kemudian ditinggalkan, pendekatan tersebut mendorong lahirnya metode eksperimen baru dan pengembangan instrumen ilmiah, termasuk tabung Leyden, kalorimeter, dan termometer. Dalam konteks ini, Joseph Black merumuskan konsep kalor laten dan kapasitas kalor, sementara Benjamin Franklin memperkenalkan gagasan aliran “fluida listrik” antara kelebihan dan kekurangan muatan serta menunjukkan bahwa petir merupakan fenomena listrik (1752).^[91]

Teori kalor yang dominan pada masa itu menganggap panas sebagai jenis fluida bernama kalorik. Meskipun keliru, teori ini penting yang berguna dalam mengembangkan teori modern, seperti karya Joseph Black dan Henry Cavendish. Berlawanan dengan teori ini, sebagian para kimiawan mempertahankan pandangan mekanis bahwa panas merupakan gerak partikel. Teori ini memperoleh pembuktian kuat melalui eksperimen pengeboran meriam Benjamin Thompson (1798), yang menunjukkan hubungan langsung antara energi mekanik dan kalor.

Studi elektrostatika juga mengalami kemajuan. Joseph Priestley mengusulkan hukum kuadrat terbalik untuk gaya listrik pada tahun 1767, yang kemudian dirumuskan secara eksperimen oleh Charles-Augustin de Coulomb pada tahun 1798. Walaupun tidak ada teori umum gaya listrik dan magnet yang setara dengan hukum Newton pada abad ini, praktik eksperimental berkembang pesat dan menghasilkan dasar empiris bagi teori elektrodinamika abad ke-19.

Menjelang akhir abad ke-18, Académie des Sciences dan Royal Society menjadi pusat utama penelitian eksperimen di bidang mekanika, optika, listrik statis, magnetisme, kimia, dan fisiologi. Meskipun disiplin-disiplin ini belum dipisahkan secara jelas, perbedaan pendekatan teoretis mulai tampak, seperti para kimiawan cenderung menghindari penerapan gaya Newton abstrak pada afinitas kimia dan lebih menekankan klasifikasi zat serta reaksi.^[92][93] Metode analisis mekanika rasional mulai diterapkan pada fenomena eksperimental, yang paling berpengaruh adalah analisis matematikawan Prancis Joseph Fourier mengenai aliran panas, yang diterbitkan pada tahun 1822.^[94]

Perkembangan mekanika pada abad ke-19 ditandai oleh penguatan landasan matematis dalam mempelajari sistem gerak, khususnya melalui perluasan prinsip-prinsip mekanika Newton. Joseph-Louis Lagrange, melalui karyanya Mécanique analytique tahun 1811, menyempurnakan formulasi analitis mekanika dengan menggunakan koordinat umum dan prinsip aksi minimum. Pendekatan ini memungkinkan penulisan persamaan gerak tanpa menggambarkan gaya-gaya individual secara eksplisit, sehingga efisien untuk sistem dengan banyak derajat kebebasan.^[95] William Rowan Hamilton kemudian mengembangkan prinsip Hamilton (1833–1834) dan merumuskan mekanika Hamilton yang menyatakan dinamika sistem dalam pasangan koordinat–momentum, menyediakan kerangka ruang fasa yang penting bagi metode karakteristik dan teknik integrasi baru.^[96][97]

Penelitian mengenai getaran dan gelombang juga mengalami perkembangan signifikan. Brook Taylor merumuskan persamaan dasar getaran tali pada awal abad ke-18,^[98] tetapi analisis lanjutan dilakukan oleh Siméon Denis Poisson dan Joseph Fourier pada 1820–1830-an. Fourier, melalui Théorie analytique de la chaleur (1822), memperkenalkan deret Fourier yang kemudian digunakan secara luas dalam optika, akustika, mekanika kuantum dan ekonometrika.^[99] Daniel Bernoulli sebelumnya menyatakan bahwa getaran kompleks dapat dianggap sebagai superposisi mode sederhana, yakni suatu gagasan yang mulai dibuktikan pada abad ke-19 melalui eksperimen resonansi dalam tabung udara serta batang logam oleh Félix Savart dan Ernst Chladni.

Dalam mekanika benda tegar dan elastisitas, Augustin-Louis Cauchy pada 1820–1830-an memformulasikan konsep tegangan dan regangan dalam bentuk tensor, yang selanjutnya menjadi dasar teori elastisitas linear. Ia menyusun persamaan yang menghubungkan deformasi dengan gaya internal suatu benda, yang memungkinkan analisis matematis terhadap batang, pelat, dan struktur elastis lain. Eksperimen mengenai sifat elastisitas dilakukan oleh Thomas Young, yang pada 1807 memperkenalkan modulus elastisitas sebagai ukuran hubungan antara tegangan dan regangan,^[100] dan oleh James Prescott Joule yang melakukan pengukuran tambahan pada berbagai bahan.

Mekanika kontinuum memperoleh fondasi matematis yang lebih kuat melalui karya George Green.^[101] Dalam esainya tahun 1828, ia memperkenalkan fungsi Green sebagai alat untuk menyelesaikan persamaan diferensial linear, serta merumuskan teorema dasar teori potensial yang kemudian digunakan luas dalam mekanika fluida, elastisitas, dan akustika.^[102][103] Pengembangan lebih lanjut mengenai gelombang nonlinear dilakukan oleh Bernhard Riemann pada 1858, yang memperkenalkan pendekatan berbasis karakteristik dan memberikan pemahaman baru terhadap pembentukan gelombang kejut. Lord Rayleigh (John William Strutt) memperluas kajian gelombang pada udara, pelat, dan medium elastis, termasuk penemuan gelombang Rayleigh pada 1885 yang kelak berperan penting dalam seismologi.^[104][105]

Kontribusi Henri Poincaré pada 1880–1890-an memberikan perubahan mendasar dalam pemahaman mekanika klasik. Dalam penelitiannya mengenai masalah tiga benda, Poincaré menunjukkan bahwa solusi dinamika dapat menampilkan sensitivitas ekstrem terhadap kondisi awal dan bahwa struktur ruang fasa dapat sangat kompleks. Temuan tersebut menandai awal kajian sistem dinamik nonlinear dan memberikan landasan matematis bagi perkembangan teori kekacauan (chaos theory) modern.^[106]

Pada tahun 1800, Alessandro Volta menemukan baterai listrik, dikenal sebagai tumpukan volta, yang menjadi perangkat pertama yang mampu menghasilkan arus listrik stabil. Penemuan lainnya yaitu pada tahun 1820, Hans Christian Ørsted dari Kopenhagen menemukan efek pembelokan arus listrik yang melintasi kawat pada jarum magnet yang digantung.^[107] Berdasarkan penemuan ini, beberapa bulan kemudian, André-Marie Ampère merumuskan hukum-hukum matematis pertama yang menjelaskan gaya antara arus listrik, yang membentuk dasar bagi elektromagnetisme, dan memublikasikan karyanya "Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l’experience" pada tahun 1827.^[108]

Sementara itu, eksperimen serupa memperlihatkan luasnya hubungan antara kedua fenomena tersebut. Pada tahun 1820, Jean-Baptiste Biot dan Félix Savart memformulasikan hukum Biot–Savart, yang menjelaskan bagaimana arus listrik menghasilkan medan magnet pada suatu titik di ruang.^[109][110]

Temuan-temuan ini mulai membangun konsep bahwa arus listrik menciptakan medan di ruang sekitarnya. Lalu, François Arago pada tahun 1824 menemukan bahwa ketika cakram tembaga diputar pada bidangnya sendiri, dan jika jarum magnet digantung bebas pada poros di atas cakram, jarum akan berputar bersama cakram. Sebaliknya, jika jarum diam, jarum akan cenderung memperlambat gerak cakram. Efek ini disebut rotasi Arago.^[111]

Pada tahun 1831, Michael Faraday melalui eksperimen sistematis menemukan hukum induksi elektromagnetik,^[112] yaitu bahwa perubahan medan magnet dapat menghasilkan arus listrik. Faraday juga memperkenalkan konsep garis gaya medan untuk menggambarkan bagaimana medan listrik dan magnet memenuhi ruang.^[113][114]

Pada pertengahan abad, James Clerk Maxwell merumuskan sistem persamaan yang menggambarkan perilaku medan listrik dan magnet dalam ruang dan waktu.^[115] Persamaan-persamaan Maxwell menyatukan berbagai temuan sebelumnya, serta memprediksi adanya gelombang elektromagnetik yang merambat dengan kecepatan cahaya. Dari pemikiran ini, Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.^[116]

Prediksi Maxwell dibuktikan secara eksperimental oleh Heinrich Hertz pada akhir 1880-an. Melalui eksperimen menggunakan pemancar celah percikan dan resonator, Hertz berhasil menghasilkan dan mendeteksi gelombang elektromagnetik, yang membuktikan bahwa gelombang tersebut mematuhi sifat-sifat yang diprediksikan teori Maxwell.^[117]

Pada awal abad ke-19, teori korpuskular cahaya Newton masih memiliki pengaruh kuat, terutama di negara berbahasa Inggris. Perubahan besar terjadi ketika Thomas Young melaporkan hasil percobaan celah ganda pada 1801, yang menunjukkan pola interferensi gelombang. Percobaan Young memberikan bukti kuat bahwa cahaya mengalami superposisi, yakni sesuatu yang sulit dijelaskan oleh teori korpuskular atau partikel.^[118][119] Hasil ini membuka kembali minat terhadap teori gelombang cahaya yang sebelumnya dikemukakan oleh Christiaan Huygens pada abad ke-17.

Augustin-Jean Fresnel memperluas teori gelombang cahaya dengan merumuskan persamaan amplitudo gelombang, serta berhasil menjelaskan berbagai fenomena yang sulit dimengerti sebelumnya, seperti difraksi pada tepi benda dan pola interferensi.^[120] Ia juga menunjukkan bahwa polarisasi cahaya dapat dipahami sebagai hasil dari gelombang transversal, bukan longitudinal. Penyempurnaan ini memberikan fondasi kuat bagi teori gelombang cahaya di seluruh benua Eropa. Salah satu argumen muncul dari Siméon Poisson dengan eksperimen titik Arago, ketika prediksi matematis Fresnel tentang munculnya titik terang di pusat bayangan lingkaran terbukti benar.^[121][122]

Selain gelombang transversal, optika abad ke-19 mengembangkan teori eter sebagai medium rambatan cahaya. Eter dianggap sebagai substansi elastis yang memenuhi ruang dan memungkinkan gelombang cahaya merambat layaknya gelombang bunyi yang merambat dalam udara.^[123] Walaupun konsep ini menjadi dasar banyak perhitungan pada awal abad, sifat-sifat fisik eter tetap menjadi bahan perdebatan karena ia harus bersifat sangat elastis untuk menanggung gelombang transversal, tetapi juga harus tidak memiliki viskositas dan tidak memengaruhi gerakan benda-benda langit.^[124]

Penelitian mengenai polarisasi oleh John Herschel, David Brewster, dan ilmuwan lain, menghasilkan hukum Brewster tentang sudut pantulan yang menghasilkan polarisasi maksimum.^[125][126] Di pertengahan abad, Hippolyte Fizeau dan Léon Foucault mengukur langsung kecepatan cahaya di laboratorium. Hasil eksperimen mereka menunjukkan bahwa cahaya bergerak lebih lambat di dalam medium yang lebih rapat.^[127][128]

Temuan ini bertentangan dengan prediksi teori korpuskular Newton dan konsisten dengan teori gelombang Huygens–Fresnel. Pada waktu yang sama, teknik interferometri yang dikembangkan oleh Albert A. Michelson memperlihatkan bagaimana superposisi cahaya dapat dimanfaatkan untuk pengukuran jarak dan kecepatan dengan presisi tinggi.^[129][130] Ia kemudian menguji teori eter dalam eksperimen Michelson–Morley pada tahun 1887, yang menghasilkan bahwa keberadaan medium tersebut tidak terbukti ada.^[131][132]

Hubungan antara optika dan elektromagnetisme juga menjadi semakin jelas setelah James Clerk Maxwell pada 1860-an merumuskan persamaan yang menggambarkan propagasi gelombang elektromagnetik.^[133] Maxwell menunjukkan bahwa kecepatan propagasi gelombang elektromagnetik, yang diperoleh dari konstanta listrik dan magnet ruang, hampir sama dengan kecepatan cahaya yang telah diukur secara eksperimental. Dari konsep ini, Maxwell menyimpulkan bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik.

Kesimpulan ini mengubah optika menjadi cabang langsung dari teori medan elektromagnetik, yang menghubungkan studi cahaya dengan listrik dan magnet. Pada tahun 1887–1889, Heinrich Hertz, bersamaan saat mendeteksi gelombang radio, memberikan konfirmasi terhadap prediksi Maxwell. Ia membuktikan secara eksperimental bahwa cahaya tampak hanyalah salah satu bagian dari spektrum elektromagnetik yang lebih luas.^[134]

Perkembangan awal termodinamika datang dari fisikawan Prancis Sadi Carnot, yang pada tahun 1824 menerbitkan Réflexions sur la puissance motrice du feu. Ia menganalisis mesin kalor dan menyimpulkan bahwa efisiensi maksimum suatu mesin tidak bergantung pada bahan atau mekanisme internalnya, tetapi hanya pada temperatur reservoir panas dan dingin.^[135] Dengan analisis ini, ia meletakkan dasar bagi hukum kedua termodinamika.^[136]

Hubungan antara panas dan energi mekanik ditetapkan secara kuantitatif oleh Julius Robert von Mayer dan James Prescott Joule. Mayer menghitung ekuivalen mekanik dari panas berdasarkan hubungan antara usaha, panas, dan metabolisme darah dalam manusia.^[137] Sementara itu, Joule menerbitkan hasil dari serangkaian eksperimennya, termasuk eksperimen kincir dayung, yang menunjukkan bahwa panas merupakan suatu bentuk energi, sebuah fakta yang diterima pada tahun 1850-an.

Rudolf Clausius dan William Thomson (Lord Kelvin) kemudian merumuskan dua hukum utama termodinamika. Clausius memberikan bentuk modern hukum pertama sebagai pernyataan kekekalan energi dalam proses termal serta memperkenalkan konsep entropi untuk menjelaskan arah spontanitas proses. Ia menyatakan bahwa panas tidak mengalir dengan sendirinya dari benda bersuhu lebih rendah ke benda bersuhu lebih tinggi.^[138] Kelvin mengembangkan gagasan mengenai suhu nol mutlak dan merumuskan batas efisiensi mesin kalor dalam kerangka mekanistik.^[139]

Pada saat yang sama, teori kinetik gas memperoleh bentuk matematisnya melalui karya James Clerk Maxwell. Ia menurunkan distribusi kecepatan molekul dalam gas ideal dan menunjukkan bahwa besaran makroskopis seperti tekanan dan suhu muncul dari sifat statistik gerak acak partikel-partikel mikroskopis.^[140][141] Maxwell juga mengembangkan eksperimen pemikiran yang kemudian dikenal sebagai “iblis Maxwell”,^[142] yang mempertanyakan batasan hukum kedua dengan menggunakan makhluk hipotetis yang dapat mengurutkan molekul berdasarkan energinya.^[143][144]

Ludwig Boltzmann memperluas dan memformalkan teori kinetik dengan memperkenalkan ruang fasa, persamaan Boltzmann, serta hubungan probabilistik antara jumlah keadaan mikro dan entropi.^[145] Ia menunjukkan bahwa entropi dapat dipahami sebagai ukuran jumlah konfigurasi mikroskopis yang konsisten dengan keadaan makroskopis tertentu. Pendekatan ini menghasilkan distribusi Maxwell–Boltzmann dan memberikan dasar statistik bagi hukum kedua, yang menyatakan bahwa sistem cenderung berkembang menuju keadaan yang secara probabilistik lebih mungkin.^[146]

Pada akhir abad ke-19, fisika telah berkembang ke titik di mana mekanika klasik dapat mengatasi masalah yang sangat kompleks yang melibatkan situasi makroskopis; termodinamika dan teori kinetik mapan; optika geometris dan optika fisik dapat dipahami dalam hal gelombang elektromagnetik; dan hukum kekekalan untuk energi dan momentum (dan massa) diterima secara luas. Begitu mendalamnya perkembangan ini dan lainnya sehingga secara umum diterima bahwa semua hukum fisika yang penting telah ditemukan dan bahwa, selanjutnya, penelitian akan berkaitan dengan penyelesaian masalah-masalah kecil dan khususnya dengan perbaikan metode dan pengukuran.

Namun, sekitar tahun 1900 keraguan serius muncul tentang kelengkapan teori-teori klasik – kemenangan teori Maxwell, misalnya, dirusak oleh kekurangan yang sudah mulai muncul – dan ketidakmampuan mereka untuk menjelaskan fenomena fisik tertentu, seperti distribusi energi dalam radiasi benda hitam dan efek fotolistrik, sementara beberapa formulasi teoretis menyebabkan paradoks ketika didorong hingga batasnya. Fisikawan terkemuka seperti Hendrik Lorentz, Emil Cohn, Ernst Wiechert, dan Wilhelm Wien percaya bahwa beberapa modifikasi persamaan Maxwell dapat menjadi dasar bagi semua hukum fisika. Kekurangan-kekurangan fisika klasik ini tidak pernah dapat diatasi dan ide-ide baru pun dibutuhkan. Pada awal abad ke-20, sebuah revolusi besar mengguncang dunia fisika, yang kemudian melahirkan era baru, yang umumnya disebut fisika modern.^[147]

Seiring para filsuf terus memperdebatkan hakikat fundamental alam semesta, teori-teori kuantum terus bermunculan, dimulai dengan formulasi teori kuantum relativistik oleh Paul Dirac pada tahun 1928. Namun, upaya untuk mengkuantisasi teori elektromagnetik secara menyeluruh terhambat sepanjang tahun 1930-an oleh formulasi-formulasi teoretis yang menghasilkan energi tak terhingga. Situasi ini baru dianggap terselesaikan secara memadai setelah Perang Dunia II, ketika Julian Schwinger, Richard Feynman, dan Sin-Itiro Tomonaga secara independen mengajukan teknik renormalisasi, yang memungkinkan terbentuknya elektrodinamika kuantum (QED) yang kuat.^[148]

Sementara itu, teori-teori baru tentang partikel fundamental berkembang biak dengan munculnya gagasan kuantisasi medan melalui "gaya pertukaran" yang diatur oleh pertukaran partikel "virtual" berumur pendek, yang dibiarkan eksis sesuai dengan hukum yang mengatur ketidakpastian yang melekat dalam dunia kuantum. Khususnya, Hideki Yukawa mengusulkan bahwa muatan positif inti atom tetap menyatu berkat gaya yang kuat namun berjangkauan pendek yang dimediasi oleh partikel bermassa antara elektron dan proton. Partikel ini, "pion", diidentifikasi pada tahun 1947 sebagai bagian dari serangkaian partikel yang ditemukan setelah Perang Dunia II. Awalnya, partikel-partikel tersebut ditemukan sebagai radiasi ionisasi yang ditinggalkan oleh sinar kosmik, tetapi semakin banyak diproduksi dalam pemercepat partikel yang lebih baru dan lebih canggih.^[149]