Введение

Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (31 августа 1821 – 8 сентября 1894) – немецкий физик и физиолог, внесший значительный вклад в несколько научных областей, в особенности в гидродинамическую устойчивость. Ассоциация Гельмгольца, крупнейшая немецкая организация исследовательских институтов, названа в его честь. В области физиологии и психологии Гельмгольц известен своими математическими исследованиями строения глаза, теориями зрения, представлениями о зрительном восприятии пространства, исследованиями цветового зрения, ощущением тона, восприятием звука и эмпирическим подходом к физиологии восприятия. В физике он известен своими теориями сохранения энергии и электрического двойного слоя, работами в области электродинамики, химической термодинамики и механическими основами термодинамики. Как философ, он известен своей философией науки, идеями о взаимосвязи между законами восприятия и законами природы, наукой об эстетике и представлениями о цивилизующей силе науки.

Ранние годы

Гельмгольц родился в Потсдаме, в семье директора местной гимназии Фердинанда Гельмгольца, изучавшего классическую филологию и философию, и близкого друга издателя и философа Эммануэля Германна Фихте. Философия Иоганна Готтлиба Фихте и Иммануила Канта оказала влияние на работы Гельмгольца. Он стремился найти подтверждение их теорий в эмпирических областях, таких как физиология. В юности Гельмгольц проявлял интерес к естественным наукам, однако его отец настаивал на изучении медицины. Гельмгольц получил медицинскую докторскую степень в Медицинско-хирургическом институте Фридриха Вильгельма в 1842 году и отбыл годичную интернатуру в больнице Шарите (благодаря финансовой поддержке, предоставляемой студентам-медикам). Получив основное образование в области физиологии, Гельмгольц писал на множество других тем – от теоретической физики до возраста Земли и происхождения Солнечной системы.

Университетские должности

Первая академическая должность Гельмгольца была преподаванием анатомии в Академии художеств в Берлине в 1848 году. Затем он перешел на должность доцента физиологии в Прусском университете Кенигсберга, где был назначен в 1849 году. В 1855 году он принял должность полного профессора анатомии и физиологии в Боннском университете. Однако он не был особенно доволен работой в Бонне и три года спустя перешел в Гейдельбергский университет в Бадене, где преподавал физиологию. В 1871 году он принял свою последнюю университетскую должность – профессора физики в Берлинском университете имени Фридриха Вильгельма.

Механика

Его первое важное научное достижение, трактат 1847 года о сохранении энергии, было написано в контексте его медицинских исследований и философской подготовки. Его работа над сохранением энергии возникла в ходе изучения метаболизма мышц. Он стремился доказать, что энергия не теряется при движении мышц, исходя из предположения, что для движения мышцы не нужны никакие жизненные силы. Это было опровержением спекулятивной традиции Naturphilosophie, которая в то время являлась доминирующей философской парадигмой в немецкой физиологии. Опираясь на более ранние работы Сади Карно, Бенуа Поля Эмиля Клэперона и Джеймса Прескотта Джоуля, он постулировал взаимосвязь между механикой, теплом, светом, электричеством и магнетизмом, рассматривая их как проявления единой силы, или, в современной терминологии, энергии. Он опубликовал свои теории в книге «Über die Erhaltung der Kraft» (О сохранении силы, 1847). В 1850-х и 1860-х годах, основываясь на публикациях Уильяма Томсона, Гельмгольц и Уильям Рэнкин популяризировали идею тепловой смерти Вселенной. В области гидродинамики Гельмгольц внес ряд важных вкладов, включая теоремы Гельмгольца, описывающие динамику вихрей в идеальных жидкостях.

Сенсорная физиология

Гельмгольц был пионером в научном изучении зрения и слуха человека. Вдохновленный психофизикой, он интересовался взаимосвязью между измеримыми физическими стимулами и соответствующими им человеческими ощущениями. Например, амплитуду звуковой волны можно изменять, что приводит к восприятию звука как более громкого или тихого, однако линейное изменение амплитуды звукового давления не вызывает линейного изменения воспринимаемой громкости. Для того чтобы равные изменения казались линейными, физический звук необходимо увеличивать экспоненциально, что и используется в современных электронных устройствах для регулировки громкости. Гельмгольц заложил основу для экспериментальных исследований взаимосвязи между физической энергией (физикой) и ее переживанием (психологией), стремясь к разработке "психофизических законов". Сенсорная физиология Гельмгольца послужила основой для работы Вильгельма Вундта, его ученика, которого считают одним из основателей экспериментальной психологии. В отличие от Гельмгольца, Вундт более четко определил свои исследования как форму эмпирической философии и изучение разума как самостоятельной сущности. Гельмгольц, в раннем опровержении натурфилософии, подчеркивал важность материализма и больше внимания уделял единству "сознания" и тела.

Офтальмологическая оптика

В 1851 году Гельмгольц произвел революцию в области офтальмологии, изобретя офтальмоскоп – прибор, используемый для исследования внутренней части человеческого глаза. Это мгновенно принесло ему всемирную известность. В то время интересы Гельмгольца все больше сосредотачивались на физиологии чувств. Его основная работа, озаглавленная Handbuch der Physiologischen Optik (Руководство по физиологической оптике, или Трактат о физиологической оптике; английский перевод 3-го тома представлен здесь), содержала эмпирические теории о восприятии глубины, цветового зрения и движения и стала фундаментальным справочным трудом в его области во второй половине девятнадцатого века. В третьем и заключительном томе, опубликованном в 1867 году, Гельмгольц описал важность бессознательных умозаключений для восприятия. Впервые «Руководство» было переведено на английский язык под редакцией Джеймса П. С. Саутолла от имени Американского оптического общества в 1924–1925 годах. Его теория аккомодации оставалась общепринятой до конца XX века. Гельмгольц в течение нескольких десятилетий работал над различными изданиями «Руководства», часто обновляя свою работу из-за разногласий с Эвальдом Херингом, который придерживался противоположных взглядов на пространственное и цветовое зрение. Этот спор разделил физиологию во второй половине XIX века.

Нервная физиология

В 1849 году, находясь в Кёнигсберге, Гельмгольц измерил скорость, с которой сигнал распространяется по нервному волокну. В то время большинство людей полагали, что нервные сигналы передаются по нервам с невероятной скоростью. Он использовал недавно препарированный седалищный нерв лягушки и икроножную мышцу, к которой он прикреплялся. В качестве чувствительного прибора для измерения времени он использовал гальванометр, прикрепив к его стрелке зеркало, чтобы отражать световой луч через комнату на шкалу, обеспечивавшую гораздо большую чувствительность. Это позволило ему определить скорости передачи в диапазоне 24,6 – 38,4 метра в секунду. Гельмгольц показал, что различные комбинации резонаторов могут имитировать гласные звуки: Александр Грэм Белл особенно заинтересовался этим, но, не владея немецким языком, неверно истолковал диаграммы Гельмгольца, решив, что Гельмгольц передавал несколько частот по проводам, что позволило бы мультиплексировать телеграфные сигналы, в то время как на самом деле электрическая энергия использовалась лишь для поддержания движения резонаторов. Беллу не удалось воспроизвести то, что он считал работой Гельмгольца, но позже он признался, что если бы он мог читать по-немецки, то не стал бы изобретать телефон на основе принципа гармонического телеграфа. Перевод Александра Дж. Эллиса был впервые опубликован в 1875 году (первое английское издание было основано на третьем немецком издании 1870 года; второе английское издание Эллиса, основанное на четвертом немецком издании 1877 года, было опубликовано в 1885 году; издания 1895 и 1912 годов, третье и четвертое английские издания соответственно, являлись перепечатками второго).

Электромагнетизм

Гельмгольц изучал явления электрических колебаний с 1869 по 1871 год, и в лекции, прочитанной 30 апреля 1869 года в Naturhistorisch medizinischen Vereins zu Heidelberg (Натурально-историческом и медицинском объединении Гейдельберга) под названием «О электрических колебаниях», он отметил, что наблюдаемые затухающие электрические колебания в катушке, соединенной с лейденской банкой, длились примерно 1/50 секунды. В 1871 году Гельмгольц переехал из Гейдельберга в Берлин, чтобы занять должность профессора физики. Он заинтересовался электромагнетизмом, и уравнение Гельмгольца названо в его честь. Хотя он и не сделал значительных открытий в этой области, его ученик Генрих Рудольф Герц прославился как первый, кто экспериментально продемонстрировал электромагнитное излучение. Оливер Хевисайд критиковал электромагнитную теорию Гельмгольца за то, что она допускала существование продольных волн. Основываясь на работах по уравнениям Максвелла, Хевисайд утверждал, что продольные волны не могут существовать в вакууме или однородной среде. Однако Хевисайд не заметил, что продольные электромагнитные волны могут существовать на границе раздела сред или в замкнутом пространстве.

Философия

Гельмгольц колебался между эмпиризмом и трансцендентализмом в своей философии науки.

Студенты и сотрудники

Другие студенты и научные сотрудники Гельмгольца в Берлине включали Макса Планка, Генриха Кайзера, Евгения Гольдштейна, Вильгельма Виена, Артура Кенига, Генри Августа Роуленда, Альберта А. Микельсона, Вильгельма Вундта, Фернандо Санфорда и Майкла И. Пупина. Лео Кенигсбергер, который был его коллегой в Гейдельберге с 1869 по 1871 год, написал его окончательную биографию в 1902 году.

Почетные звания и наследие

В 1873 году Гельмгольц был избран членом Американского философского общества. В 1881 году Гельмгольц был избран почетным членом Королевского колледжа хирургов в Ирландии. 10 ноября 1881 года он был награжден орденом Почетного легиона в степени командора, или 3-й степени – высшей ступени. (№ 2173). В 1883 году профессор Гельмгольц был возведен в дворянское достоинство императором, получив титул адель. Это означало, что он и его семья отныне именовались фон Гельмгольц. Это отличие не являлось титулом пэра, но было наследственным и обеспечивало определенный социальный престиж. В 1884 году Гельмгольц был удостоен почетного членства в Институте инженеров и судостроителей в Шотландии. Крупнейшее немецкое объединение исследовательских учреждений – Ассоциация Гельмгольца – названа в его честь. В его честь также названы астероид 11573 Helmholtz, лунный кратер Helmholtz и кратер Helmholtz на Марсе. В Берлине, в районе Шарлоттенбург, улица Helmholtzstraße носит имя фон Гельмгольца.