Historien om fysikk og biologi

Lys er elektromagnetisk stråling

  Sir Isaac Newton (1642-1727) var en av naturvitenskapens banebrytere. Hans gravitasjonsteori viste hvordan all bevegelse i rommet skjer etter matematiske lover. Newton mente at lys var partikler ("korpuskler" og hans boks Opticks fra 1704 ble et klassisk verk innen optikk (lyslæren). I 1676 oppdaget den danske astronomen og fysikeren Ole Christensen Rømer (1644-1710) at lyset beveger seg med høy og endelig hastighet ved å studere formørkelse på en av Jupiters måner. Rømer var også den første som oppfant meridiansirkelen.  I 1678 presenterte den nederlandske fysikeren og astronomen Christiaan Huygen (1629-1695) en bølgeteori for lys. Huygens pendelur ble viktig for å kunne måle nøyaktig tid, og han oppdaget sentrifugalkraften og kunne forklare pendelbevegelse. Huygens forklarte hvordan forandringer i utseende til Saturn skyldes at planeten er omgitt av en flat tynn ring med materie. Seinere oppdager Gian Domenico Cassini (1625-1712) at det er et hull i ringsystemet rundt Saturn og at ringene ikke er homogene.   Thomas Young (1773-1829) viste lysets interferensfenomener i 1801, noe som styrket bølgeteorien for lys. Young splittet en lysstråle i to stråler, og da de to strålene ble forent dannet det seg et bilde av lyse og mørke ringer.   Newtons partikkelteori kom derved noe i bakgrunnen. Young skrev Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts (1807) og studerte også elastiske fenomener (Youngs modulus), og skrev også om språk og deltok i tyding av Rosetta-steinen. Augustin Jean Fresnel (1788-1827) studerte interferensegenskapene til lys, jfr. Fresnel-linse.  Dessuten kom James Clark Maxwell (1831-1879) med en teori med fire ligninger som sa at lyset var elektromagnetiske bølger med en elektrisk og en magnetisk vektor, og bølgene beveger seg med lysets hastighet gjennom rommet. Maxwells ligninger om elektrodynamikk forener elektrisitet og magnetisme, felt og bølger, og la et teoretisk grunnlag for Faradays teori om elektrisitet og magnetisme.  Maxwells ligninger var en forutsetning for radio og fjernsyn.  William Herschel (1738-1822) hadde i år 1800 sendt sollys gjennom et prisme og oppdaget varmestrålingen i den røde delen av spekteret. Heinrich Hertz (1857-1894) fant i 1888 at elektriske gnister fra kobbertråder ga elektromagnetisk stråling med bølgelengder i cm-området, radiobølger. Hertz oppdagelse la grunnlaget for Marconis telegraf.  I 1897 oppdaget Joseph John Thomson at alt stoff inneholder elektroner.  Max Planck (1858-1947) fant at lyset hadde partikkelnatur, kalt kvanter eller fotoner. Den fotoelektriske effekten, hvor lys kunne gi utsendelse av elektroner fra en metallplate i vakuum, beskrevet av Philipp Eduard Anton Lenard (1862-1947),  ble forklart av Einstein i 1905. Einstein fikk trykket frem artikler i Annalen der Physic bl.a. Die Grundlage der allgemeinen Relativitetstheorie (1916) hvor hva skjer når lyset møtes av tyngdekraften ble beskrevet.  Lyset hadde en dualisme. Det kunne betraktes både som lys og partikkel, men det var ingen selvmotsigelse i dette. Det betyr at vårt daglige begrepsapparat ikke er tilstrekkelig til å forklare kompeksiteten i lys. På 1900-tallet ga elektromagnetisme og termodynamikk nye forklaringer på hva energi er. Josiah Willard Gibbs (1839-1903) utviklet termodynamikkens lover i On the equilibrium of heterogenous substances (1875-1878). Alle objekter sender ut elektromagnetisk stråling og typen avhenger av hvilken temperatur objektet har. Den tyske fysikeren Wilhelm Wien (1864-1928) har gitt navn til Wiens forskyvningslov som angir ved hvilken bølgelengde man får maksimal utstråling fra et objekt avhengig av temperaturen. Josef Stefan (1853-1893)  og Ludwig Boltzmanns (1844-1906)  lov fra ca. 1880 sier at energien som sendes ut fra et objekt stiger med fjerde potens av temperturen. Energien måles i joule, et navn etter den engelske fysikeren James Joule (1818-1889). Joule gjorde studier av sammenhengen mellom arbeid, friksjon og varme.  I 1924 foreslo Louis de Broglie (1892-1987) at elektronene kan betraktes som bølger og partikler. Broglie fant  at lyset alltid velger den korteste veien, det vil også si den korteste tiden. Dermed kunne Schrödingers bølgeligning danne basis for kvantemekanikken. Kvantemekanikk inngår i vårt daglige liv, uten at vi egentlig forstår den til bunns.

    I 1814 gjenopptok tyskeren Joseph von Fraunhofer (1787-1826)  Newtons eksperimenter med sollys og prisme. Fraunhofer lette etter en kilde for rent monokromatisk lys for å studere brytningsindeksen i glass. Fraunhofer lot sollyset passere en smal spalte,  og oppdaget at spekteret inneholder mørke spektrallinjer, allerede oppdaget av Francis Wollaston, og Fraunhofer ga dem navn  A, B, C, D…De to mørke D-linjene er de samme som emisjonen i en natriumflamme. Newton hadde ikke oppdaget disse linjene fordi han spredte lyset gjennom et hull. Fraunhofer laget en nomenklatur for spektrallinjene, og spektroskopet kunne brukes til kjemiske studier i astronomien. Helium ble oppdaget ved hjelp av spektroskopi under en solformørkelse og fikk navn etter solguden Helios.  William Crookes (1832-1919) oppdaget katodestråler, gjorde spektroskopiske undersøkelser og laget mørke briller som beskyttet mot sterkt lys. Kirchhoff og Bunsen fant i 1859 at emisjons- og absorbsjonslinjene er avhengig av temperatur.     Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887), kjent for lover om spenning, strøm, samt stråling fra svarte legemer,  og Robert Wilhelm  Bunsen (1811-1899) oppdaget at grunnstoffene gir spesifikke spektrallinjer, cesium gråblå og rubidium rød. I 1857 laget Robert Bunsen en gassbrenner med klar flamme - Bunsenbrenneren. Det ble oppdaget at et varmt legeme gir et kontinuerlig spektrum, mens en varm transparent gass har emisjonslinjer.

   Einsteins spesielle relativitetsteori fra 1905 gjelder langt unna masse som gir gravitasjon, og sier hvordan bevegelse påvirker mål  av avstand og tid hos observatører som beveger seg med forskjellig hastighet. Når man beveger seg opp mot lysets hastighet påvirkes tids- og avstandsmålinger, men lyshastigheten er alltid konstant. Tiden er ikke den samme for to iakttagere atskilt i universet. Den generelle relativitetsteorien fra 1915 sier at gravitasjonen påvirker formen på tidrommet. Tidrommet er flatt, unntatt nær tunge objekter som stjerner. Teorien forklarer hvorfor lys avbøyes rundt tunge objekter, og forklarer presesjonen hos Merkur, samt hvordan objekter med enorm tetthet kan kollapse og danne sorte hull. En klokke går saktere nær en stor masse. Det betyr at klokken går raskere i en satelitt enn ved jordoverflaten, samt at den går saktere fordi satelitten beveger seg. I sum har gravitasjonen størst virkning, slik at klokken går raskere i satelitten. Dette må det tas hensyn til i GPS-satelitter med atomur.  Hendrick Antoon Lorentz (1853-1928), som hadde vist allerede før elektronet var kjent at elektrisitet var i form av elektroner, utviklet Lorentz-transformasjonsligningen som viste hvordan tids- og stedskoordinater endrer seg når man beveger seg fra et stasjonært til bevegelig system. Einstein viderefortolket Lorentz-transformasjonen. Johann Carl Friedrich Gauss (1777-1855)  og Georg Freidrich Bernhard Riemann (1826-1866) bidro til matematikk som brukes på og gi forståelse av verden.  Gauss bidro til løsning av himmellegemenes bevegelse i Theoria Motus (1809) med bla. forklaring på bevegelsen av asteroiden Ceres oppdaget i 1801.  Gauss laget et matematisk modell for jordmagnetisme,  grunnlag tallteori og grafisk framstilling av komplekse tall i Disquisitiones arithmeticae (1801). Riemann utviklet en algebra for geometrien, topologi eller Riemannsk geometri, som var med å danne grunnlaget for Einsteins relativitetsteori.  Jules Henri Poincaré (1854-1912) var sammen med Riemann grunnleggerne av topologien.

     Werner Heisenberg (1901-1976) fant at man ikke kan bestemme både fart (bevegelsesmengde)  og posisjon til en partikkel (Heisenbergs usikkerhetsrelasjon), og sammen med Paul Dirac og Erwin Schrödinger la han grunnlaget for kvantemekanikken. Flere fysikere var også interessert i biologi f.eks. Erwin Schrödinger (1887-1961) med boka What is Life ?  Den danske fysikeren Niels Bohr (1885-1962) laget en modell av atomet (atomteori) i 1913 som bare kunne beskrives ut fra kvanteteorien utviklet av Max Planck og Albert Einstein. Atommodellen var en sol med planeter. Hvordan kunne noe ha masse, men ikke størrelse ? Var det tomt rom mellom partiklene i atomet ? Hvordan påvirker bestanddelene seg i atom via et tomrom ? Bohr holdt en forelesning i København,  Life and light, som seinere ble publisert i tidsskriftet Nature. Flere andre fysikere har hatt betydning for utviklingen av biologien: Antoine Henri Becquerel (1852-1908) oppdaget i 1896 at fotografiske plater blir svertet av radioaktivitet i kontakt med uran, utstråling fra uran kalt  Becquerel-stråler. Det ble mulig å skille alfastråler (heliumpartikler), betastråler (elektroner) og gammastråling.  Måleenheten for radioaktivitet er i dag Becquerel, og erstattet måleenheten Curie.  Marie  Sklodowska Curie (1867-1934) og ektemannen Pierre Curie (1859-1906) oppdaget og studerte polonium og radium.  Stein kunne avgi energi uten tilsynelatende å endre seg. Becquerel delte nobelprisen i fysikk i 1903 med ekteparet Curie. Dette var innledningen til atomalderen.

   Bekblende fra gruvene i Joachimsthal inneholdt radioaktive grunnstoffer. I starten ble radioaktiviteten betraktet som helt ufarlig, og til og med helsebringende i form av radioaktive mineralkilder,  Curie hårvann, Crema activa, og selvlysende tall på urskiver var fra den tiden."De vises sten" som alkymistene hadde lett etter for å kunne lage gull var stråling fra radioaktive isotoper.  Laboratorienotatene til Marie Curie er fremdeles radioaktive. Radioaktive isotoper kan brukes som en radioaktiv klokke for mor-datternuklider, og blir brukt bl.a. til måling av jordas alder, bl.a. uran-thorium, uran-bly, krypton-argon,  argon-argon og 40-kalium-40-argon. De eldste fjell på jorda og månen er ca. 4.5 milliarder år gamle. Alan Cox og Brent Darymple studerte hvordan de magnetiske polene endrer posisjon, og hvor magnetisert jern orienterer seg etter de magnetiske omgivelsene. Frederick Vine og Drummond Matthews viste at det ble dannet ny sjøbunn på hver side av spalten den midtatlantiske rygg. Materien er bygget opp av elektroner, protoner og nøytroner, og masse og energi er koblet sammen i Einsteins formel E=mc². Jorda befinner seg i en roterende spiralgalakse, Melkeveien, og verken jorda eller sola er sentrum i universet.

  Temperatur og varme

Galileo Galilei  laget et termometer i Firenze, ca. 1640.  I utviklingen av termometeret baserte man seg på prinsippet om at en væske utvider seg med økende temperatur. Tysk-nederlenderen Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) og Anders Celsius (1701-1744) som var professor i astronomi ved universitetet i Uppsala baserte seg på bruk av kvikksølv i termometeret. Fahrenheit brukte en kuldeblanding med is-vann- salmiakk og koksalt (-17.78 ^oC) som nullpunkt og kroppstemperaturen som det andre ytterpunktet. Dette ga en skala fra 0-96 ^oF. Den franske naturforskeren René Antoine Ferchault de Réamur (1683-1757) baserte seg på bruk av vann og alkohol. Både Réamur og Celsius brukte koke- og smeltepunktet for vann som referanseverdier på temperaturskalaen. Celsiusskalaen (kokepunkt 0^o og smeltepunkt 100^o)  ble snudd etter at Celsius var død. En fransk fysiker, Guaillaume Amontons (1663-1705), mente at det måtte finnes en absolutt temperaturskala. Begrepet absolutt temperatur ble videreutviklet av William Thomson (1834-1907) som ble adlet til Lord Kelvin. Kelvinskalaen har et nullpunkt ved minus 273.16 ^oC.

Kull er energikilden i dampmaskinen. Enten det gjelder vår kropp eller dampmaskinen virker de etter samme prinsipper. Begge består av en varmekilde og et kuldemagasin og mellom disse utføres det arbeid. Carnot viste at maskinen var mest effektiv ved størst temperaturforskjell mellom varmekilde og kuldemagasin. Avkjøling til omgivelsestemperaturen skjer spontant, men spontant betyr ikke det samme som at det skjer raskt. Oppvarming til over omgivelsestemperatur krever tilførsel av energi. Fra maten vi spiser sender vi ut ca. 100 watt=100 joule per sekund. Kroppens entropi minsker når det sendes ut varme. Så lenge som vi spiser unngår vi økning i entropi. Forandringer er aldri isolert fra omgivelsene. Orden et sted betyr mer uorden et annet sted.

    Alle molekyler, atomer og ioner vibrerer litt omkring sitt plasseringspunkt og i en gass er molekylene i rask bevegelse, farer ikke retninger, kolliderer og spretter (kinetisk gassteori).

Kreasjonistene har brukt den andre hovedsetningen som bevis for at liv ikke kan oppstå spontant, men må ha blitt skapt av en gud. Kreasjonistene fornekter det vitenskapelige fundamentet for biologien, Darwinismen, og mener at alt er skapt av en gud og det finnes ingen fossilrekker. Kreasjonistene hevder at mennesket har lite til felles med andre organismer og menneskene levde sammen med dinosaurene, og påstår at det ikke er en evolusjonær sammenheng mellom gamle organismer fra tidligere geologiske tidsperioder og nålevende organismer. Termodynamikkens første og andre lov beskriver lukkete systemer. Biologiske systemer er åpne systemer som det strømmer stoff og energi igjennom, og organismene lever på entropiforskjeller når entropi fraktes til omgivelsene. Dette gir mulighet for selvorganisering, men forklarer ikke arv. Bibelteksten er uforenelig med vår gamle jord og evolusjon.  Erkebiskopen James Ussher (1581-1656) i Irland proklamerte at jorden var ca. 6000 år gammel og ble til 23. Oktober i år 4004 før kristus ved å telle sammen årene i livsløpene til den bibelske familie fra Adam og Eva (Sacred Chronology (1620))

Gassfas

Materie kan forekomme i tre faster, gass, flytende eller fast form. En gass består av molekyler som beveger seg kaotisk og med stor hastighet, noe som gir gassen et trykk. Kinetisk gassteori fra 1857 ble utviklet av Rudolph Julius Emanuel Clausius (1822-1888).I 1868 kunne den britiske astronomen Joseph Norman Lockyer (1836-1920) og kjemikeren Edward Frankland (1825-1899) ved studere solkoronaen oppdage en ukjent gass som ble kalt helium, oppkalt etter sola Helios. Lockyer studerte også den astronomiske orienteringen av pyramider, templer og steinsettinger. Kjemikeren William Ramsay løste opp uranstein i syre og identifiserte edelgassen helium (1895) og sammen med medarbeidere oppdaget han xenon og krypton i 1898. Ramsay kunne vise at helium kom fra radioaktiv spalting av radon. Carl von Linde kjølte ned luft til den ble flytende og atskilte de forskjellige gassene i lufta etter deres kokepunkt. Hydrogen er den vanligste gassen i universet, deretter følger helium. Imidlertid er det lite helium på jorda siden det ikke danner molekyler med andre stoffer, det er lett og diffunderer ut i verdensrommet. Helium blir flytende ved 4K.  Johannes Diederik van der Waals (1837-1923) gjorde endringer av tilstandsligningen for gasser , og fant dessuten av partikler kan tiltrekke hverandre med svake krefter (van der Waals krefter). James Dewar (1842-1923) klarte å kondensere gassen hydrogen. Han konstruerte dessuten en termos, og i laboratoriet i dag fyller vi flytende nitrogen i en Dewar-flaske.

Materie - atomer og reduksjonisme

 Hva består materien av ? Hvordan er materien bygget opp ? De greske naturfilosofene Thales fra Milet, Heraklit fra Efesos og Empedokles introduserte stoffene ild, luft, jord og vann som byggestoffer, og Aristoteles innførte i tillegg kvintessensen, men ingen av disse er grunnstoffer. Demokrit mente at verden bestod av udelelige atomer. Epikur fra Samos mente at også gudene bestod av atomer og måtte således følge naturlovene.  Naturfilosofene filosoferte over naturens bestanddeler, men gjorde ingen eksperimenter som kunne bekrefte eller avkrefte de hypotesene de framsatte. Lavoisier tok i bruk skålvekt som instrument og kunne derved studere massen til stoffer og masseforandringer ved kjemiske reaksjoner. John Dalton (1766-1844) innførte på nytt atomhypotesen (A new system of chemical philosophy).  Materien består av atomer. I et grunnstoff er alle atomene like.  Den italienske kjemikeren Stanislao Cannizzaro (1826-1910) laget en liste over relative atommasser (atomvekter) for de kjente grunnstoffene. Hydrogen fikk masse 1 og de andre fikk masse i forhold til dette. I 1897 kunne J.J. Thomson (1856-1940) ved Cavendish-laboratoriet i Cambridge vise at et negativt elektron kunne bli sendt ut av atomet.   I 1910 studerte Ernest Rutherford (1871-1937) og hans elev Hans Geiger (1882-1945) alfapartikler som ble sendt mot en gullfolie. Noen av alfapartiklene ble reflektert, noe som tydet på at de hadde truffet en hard kjerne. Kjernen utgjør mesteparten av atommassen.  Atomet er stort og kjernen liten, men mesteparten av massen befinner seg i kjernen.  Kjernen i et hydrogenatom er et proton med positiv ladning og kjernen til både hydrogen og nitrogen kan rotere, mens kjernen i karbon og oksygen roterer ikke. Antall protoner i kjernen angir atomnummeret. Alle grunnstoffer unntatt hydrogen har i tillegg nøytroner i kjernen. At atomene eksisterer viste Einstein i studiet av Brownske bevegelser.  James Chadwich (1891-1974) oppdaget nøytronet i 1932.  Antall elektroner er også lik atomnummeret.  Helium inneholder to elektroner og to protoner. Kjernen er omgitt av en elektronsky, men hvorfor styrter ikke de negativt ladete elektronene inn i den positivt ladete kjernen ?   Niels Bohr (1855-1962) fremsatte en atomteori (On the constitutions of atoms and molecules) hvor elektroner beveger seg i avgrensete områder i  baner rundt en kjerne, analogt med en planetmodell hvor kjernen var en sentral sol. Det skulle imidlertid vise seg at elektronet er både bølge og partikkel og følger ingen faste baner. Erwin Schrödinger (1887-1961) introduserte bølgemekanikk og fant en ligning for atomet. Løsning av Schrödinger-ligningen ga sannsynlighetsfordelingen for å treffe på et elektron rundt kjernen. Denne sannsynlighetsfordelingen, kalt orbitaler, er lik bølgefunksjonen til elektronet. Hydrogenatomet har en s-orbital uten skarp yttergrense.   Fra s-orbitalet er det flere orbitaler med sannsynligheter for å treffe på elektroner rundt kjernen. To områder med p-orbitaler, 4 områder med d-orbitaler og 6 områder med f-orbitaler (1s 3p 5d). Det er bare plass til to elektroner i samme orbital og de må ha motsatt spin (Wolfgang Paulis eksklusjonsprinsipp). Elektronskall er grupper av energinivåer og elektroner i p-orbital har høyere ennergi enn elektroner i s-orbital i samme skall.

    Voltacellen kunne gi strøm og straks elektrisiteten ble tilgjengelig kunne Humphry Davy (1778-1829) i 1807 lage grunnstoffet kalium ved elektrolyse av pottaske og natrium ved elektrolyse av soda.  Davy fant også grunnstoffene kalsium, magnesium, strontium og barium. Den svenske kjemikeren Jöns J. Berzelius (1979-1848) isolerte grunnstoffene cerium, selen og thorium og innførte en tobokstavkode for grunnstoffene basert på deres latinske eller greske navn,  Fe (ferrum), Ag (argentum) osv. 

    Dmitrij Ivanovits Mendelejev (1834-1907) ordnet i 1834 de på den tid 61 kjente grunnstoffer i et periodesystem basert på egenskaper og atomvekt (Avogadros lov), horisontale perioder og vertikale grupper. Grunnstoffene ble ordnet etter atomnummer, med et nytt elektron for hver plass i systemet, og det ble åpne hull til grunnstoffer som fremdeles ikke var funnet.   Grunnstoffene i de loddrette gruppene i periodesystemet har mange likhetstrekk.  Gruppe 1 med natrium og kalium har ett elektron i s-orbital og gruppe 2 med magnesium, kalsium og strontium har to elektroner i s-orbital. De seks gruppene til høyre i periodesystemet har tre p-orbitaler som hver skal fylles med to elektroner. Gruppe 13 med bor får ett elektron, gruppe 14 med karbon og silisium får to elektroner og den siste gruppe 18 hvor alle p-orbitalene er fylt med elektroner utgjør edelgassene med bl.a. helium, neon og argon. Grunnstoffenes periodesystem har en smal del på midten, transisjonsmetallene, grunnstoffer hvor 5d-orbitaler hvor hver skal fylles med to elektroner, som gir i alt 10 grupper. De indre transisjonsmetallene har elektroner i f-orbital (7f-orbital) som kan fylles med i alt 14 elektroner. De vannrette rekkene i periodesystemet kalles perioder.

    Via kollisjoner i partikkelaksellratorer har vi fått ytterligere informasjon om hvordan materien er bygget opp. Protoner og nøytroner kalles nukleoner og begge spinner. Protoner har isospinn med klokka og nøytroner har isospinn mot klokka. Protoner har ladning, nøytroner har ikke ladning, men litt mer masse enn protonet. Elektroner, nøytroner og protoner har halvtallige spinn og kalles fermioner, oppkalt etter Enrico Fermi (1901-1954). Bosoner er partikler med heltallig spinn, oppkalt etter Satyendra Nath Bose (1894-1974). Fermioner holdes ihop av bosoner. Protoner frastøter hverandre, og nøytroner og protoner er bygget opp av kvarker. Begrepet kvark ble innført av Murray Gell-Mann (1929-) i 1963.  Kvarkene fikk navn: opp, ned, sjarm, topp, bunn og fremmede. 

For elementærparikler finnes en tilsvarende antipartikkel, og fotonet som ikke har noen masse er sin egen antipartikkel. Partikkel og antipartikkel kan kollidere og gi et utbrudd av elektromagnetisk stråling (partikkel annhilering). Elektronets antipartikkel er positronet. Elementærpartiklene har et spin og en verdi av spinnet. For fotonet er dette helt, men for elektroner, protoner og nøytroner er spinnet lik en halv. Elektroner og protoner har spin +1/2 og -1/2. med totalt vinkelmoment lik 0. Ifølge kvanteteorien vil spinnet være i alle retninger samtidig, og bestemmes bare når de måles. Raskere enn lyset telepati som Einstein kalte det. Har du målt verdien for proton en må verdien for proton nummer to være gitt selv om de to partiklene er millioner av kilometer fra hverandre. Alain Aspect (1982) gjorde et forsøk i Paris med to protoner som gikk hver sin vei mot en separat magnet, med kort avstand mellom partiklene. Korrelasjonen mellom de to vinkelmomentene ble målt med en høyfrekvent lasersvitsj.

Andre oppdagelser

Franskmannen Gustave Gaspard Coriolis (1792-1843) utviklet de fysisk-matematiske prinsippene for hvordan tregheten påvirker objekters bevegelser i forhold til et roterende system. Coriolis-kraften gir forklaring på vindretningen rundt lav- og høytrykk. George Hadley (1685-1768) viste hvordan passatvindene ble dannet pga. temperaturforskjellene mellom ekvator og subtropene ga spesielle luftstrømmer (Hadley-celler).   Luke Howard laget i 1803 et system for inndeling av skyer basert på kombinasjoner av stratus, cumulus, cirrus og nimbus. Goethe skrev dikt tilegnet Howard.

   Elektrisk telegrafi med telegrafstasjoner forbundet med ledninger mellom sender og mottaker dannet etter hvert et verdensomspennende telegrafnett.  Det ble lagt sjøkabel over den engelske kanal i 1851 og over Atlanterhavet fra Irland til Amerikas østkyst i 1866. Basert på Ørsted og Faradays oppdagelser ble det laget en telegrafnøkkel med spole og jernkjerne. Spolen var tilkoblet +-polen på et batteri og minus-pol til jord. Når telegrafnøkkelen ga en sluttet strømkrets ble spolen magnetisk og vippet opp en anordning som avhengig av hvor lengde nøkkelen ble holdt nede laget prikker og streker på et papir som gikk med jevn hastighet, alfabetet til Samuel Morse. Ved multipleksing kunne man sende flere telegram i en ledning. Etter hvert viste deg seg at en trenet radiotelegrafisk kunne lytte seg fram til meldingen, raskere enn å lese prikker og streker på et papir.  Forsøk viste at strøm sendt gjennom en primærespole kan gi høyspent vekselstrøm i en sekundærspole. Denne høyspente strømmen kunne produsere gnister mellom jord og antenne, gnistsendere som sendte ut elektromagnetiske bølger med lysets hastighet, grunnlaget for trådløs telegrafi. Etter hvert ble det laget lysbuesendere.

   I 1901 ble det mulig å sende trådløse radiosignaler med morsetegn over Atlanterhavet takket være den italienske oppfinneren Guglielmo Marconi (1874-1937), som etablerte The Marconi Wirelesss Company i 1897. Det ble laget skipstelegrafer, og meldingen om Titanics forlis i 1912 ble sendt via trådløs telegraf.

    Thomas  Alva Edisons (1847-1931) oppdaget  glødelampen i 1879, og fonografen som ledet til gramofonen. Tidligere hadde lyskilden vært fakler, talglys, stearinlys og gasslys, gass fra forkoksning av kull. Humphrey Davy hadde i 1810 oppdaget av høy spenning sendt gjennom to spisse kullstaver som nesten sto i kontakt med hverandre laget en lysbue mellom kullelektrodene. Kullbuelyset trengte vekselstrøm, men et problem var at kullstavene raskt brant opp. The Edison General Electric  tiltrakk seg en rekke dyktige medarbeidere som behersket glassblåsing av vakuumteknologi, og det ble laget en glødepære, glasspære med vakuum og en spiral med kulltråd laget fra bomull koblet til elektrodene. Denne lampen ble demonstrert i Menlo Park N.Y. Imidlertid hadde Edison stor tro på likestrøm, men Nikola Tesla oppdaget fordelen med vekselstrøm, at lav spenning kan transformeres til høy spenning som muliggjør transport av mye strøm over lange avstander uten stort energitap. Tesla konstruerte også en trefase vekselstrømsmotor i 1888. De første dynamoene ble drevet av dampmaskiner. Werner Siemens konstruerte i 1866 en dynamo basert på en spole rundt et anker med bløtjern.  Etter hvert kunne mekanisk energi i strømmende vann omdannes til elektrisk energi i elektriske kraftverk Elektromotoren erstattet dampmaskiner. Sammen med strømledninger ble telefontråder ført gatelangs. Det amerikanske teleselskapet American Telephone and Telegraph Company, AT&T, opprettet egen forskningsavdeling Bell labs, og General Electric med tilsvarende GE-lab. I Europa laget firmaet Siemens-Halske telegrafer og undervannskabler.

Henry Ford laget en fabrikk i 1903 med masseproduksjon av biler. Forderismen viste seg å være et stivnet system som ikke satset på stadige forbedringer, ny design og fleksibilitet. Budskapet fra Ford var: ”Velg hvilken farge du vil på bilen, bare det er svart”. Naturvitenskap hadde gitt forståelse av naturen og verden. Ingeniører kunne løse et bestemt problem basert på naturkunnskap, elektrisitet og mekanikk. Styrkeberegninger ga mulighet for nye brokonstruksjoner. Masseproduksjon ga rasjonell og billig tilgang til ettertraktede varer. Industrialiseringen krevde tilgang på billige råvarer med tilhørende imperialisme og utnytting av kolonier. Maskiner erstatter menneskelig arbeidskraft. Charlie Chaplins film Modern times (Moderne tider) (1936) harsellerte over samfunnet med masseproduksjon og ensformige arbeidsoperasjoner langs samlebåndet. . Mindre fysisk hardt arbeid gir mer tid til fritid, ferie og høyere lønn. Det ble mindre ensformig monotont arbeid. Allikevel skulle det vise seg at arbeiderklassen måtte utkjempe mange slag for å kunne sikre seg rettigheter som vi i dag tar som en selvfølge, kort arbeidsdag, lang ferie, lav pensjonsalder, syke-og trgydelønnsordninger, et sikkert, sosialt og trygt arbeidsmiljø. Etter hvert utviklet det seg en kløft mellom skole og det praktiske virkelige arbeidslivet. Noen studerte, mens andre ”gikk i lære” og gjorde nytte for seg. Innen det norske arbeiderparti var tankegangen at akademikerne skulle tjene arbeiderklassen, og ikke omvendt. Det er den samme tankegangen som ligger bak når universitetet blir satt til å løse samfunnsoppgaver, i stedet for å skaffe ny grunnleggende viten om verden og organismene.

 Guglielmo Marconi. Brødrene Wilbur Wright (1867-1912) og Orville Wright (1871-1948) gjennomførte en tolv sekunders flytid i 1903  ved Kitty Hawk i North Carolina.

Kjemikeren Leo Baekland (1863-1944) gjorde flere oppdagelser. Han laget et fotografipapir Velox, seinere solgt til George Eastman, og han laget en syntetisk skjellakk bl.a. brukt til isolatorer. Den revolusjonerende oppdagelsen var imidlertid bakelitt, den første type plastikk. I dag finnes plastikk i omtrent alle typer produkter. Philo Farnsworth (1906-1971) arbeidet med hvordan bilder kunne lages ved hjelp av elektroner, og hvordan elektroniske bilder kunne overføres, en oppdagelse som første fram til fjernsynet (televisjon).