Hermann von Helmholtz

Tout ce que la science peut réaliser est une connaissance parfaite et une compréhension parfaite de l'action des forces naturelles et morales.

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz était un physicien et médecin allemand qui a apporté des contributions importantes dans plusieurs domaines scientifiques. La plus grande association allemande d'institutions de recherche, la Helmholtz Association, porte son nom.

En physiologie et en psychologie, il est connu pour ses mathématiques de l'œil, ses théories de la vision, ses idées sur la perception visuelle de l'espace, sa recherche sur la vision des couleurs, et sur la sensation du ton, la perception du son, et l'empirisme dans la physiologie de la perception.

En physique, il est connu pour ses théories sur la conservation de l'énergie, ses travaux en électrodynamique, thermodynamique chimique, et sur un fondement mécanique de la thermodynamique.

En tant que philosophe, il est connu pour sa philosophie des sciences, ses idées sur la relation entre les lois de la perception et les lois de la nature, la science de l'esthétique, et ses idées sur le pouvoir civilisateur de la science.

Biographie

Premières années

Helmholtz est né à Potsdam, fils du directeur du Gymnasium local, Ferdinand Helmholtz, qui avait étudié la philologie classique et la philosophie, et qui était un ami proche de l'éditeur et philosophe Immanuel Hermann Fichte. Le travail de Helmholtz a été influencé par la philosophie de Johann Gottlieb Fichte et Immanuel Kant. Il a essayé de retrouver leurs théories dans des questions empiriques comme la physiologie.

Jeune homme, Helmholtz s'intéressait aux sciences naturelles, mais son père voulait qu'il étudie la médecine. Helmholtz a obtenu un doctorat en médecine à l'Institut Medicinisch-chirurgisches Friedrich-Wilhelm-Institut en 1842 et a effectué un stage d'un an à l'hôpital Charité car il y avait une aide financière pour les étudiants en médecine.

Formé principalement en physiologie, Helmholtz a écrit sur de nombreux autres sujets, allant de la physique théorique, à l'âge de la Terre, à l'origine du Système solaire.

Postes universitaires

Le premier poste universitaire de Helmholtz était celui d'enseignant d'anatomie à l'Académie des arts de Berlin en 1848. Il a ensuite accepté un poste de professeur associé de physiologie à l'Université prussienne de Königsberg, où il a été nommé en 1849. En 1855, il a accepté un professeur titulaire d'anatomie et de physiologie à l'Université de Bonn. Il n'était pas particulièrement heureux à Bonn, cependant, et trois ans plus tard, il s'est transféré à l'Université de Heidelberg, dans le Bade, où il a servi en tant que professeur de physiologie. En 1871, il a accepté son dernier poste universitaire, en tant que professeur de physique à l'Université Humboldt de Berlin.

Recherche

Mécanique

Son premier grand succès scientifique, un traité de 1847 sur la conservation de l'énergie, a été écrit dans le contexte de ses études médicales et son milieu philosophique. Son travail sur la conservation de l'énergie a été entrepris en étudiant le métabolisme musculaire. Il a tenté de démontrer qu'aucune énergie n'est perdue dans le mouvement musculaire, motivé par l'implication qu'il n'y avait pas de forces vitales nécessaires pour mouvoir un muscle. C'était un rejet de la tradition spéculative de la Naturphilosophie qui était à cette époque un paradigme philosophique dominant en physiologie allemande.

S'appuyant sur les travaux antérieurs de Sadi Carnot, Benoît Paul Émile Clapeyron et James Prescott Joule, il a postulé une relation entre la mécanique, la chaleur, la lumière, l'électricité et le magnétisme en les traitant tous comme des manifestations d'une seule force, ou énergie dans la terminologie actuelle. Il a publié ses théories dans son livre Über die Erhaltung der Kraft On the Conservation of Force, 1847.

Dans les années 1850 et 60, s'appuyant sur les publications de William Thomson, Helmholtz et William Rankine ont popularisé l'idée de la mort thermique de l'univers.

En mécanique des fluides, Helmholtz a apporté plusieurs contributions, notamment les théorèmes de Helmholtz pour la dynamique des tourbillons dans les fluides non visqueux.

Physiologie sensorielle

Helmholtz était un pionnier dans l'étude scientifique de la vision et de l'audition humaines. Inspiré par la psychophysique, il s'intéressait aux relations entre les stimulus physiques mesurables et leurs perceptions humaines correspondantes. Par exemple, l'amplitude d'une onde sonore peut être variée, ce qui fait que le son semble plus fort ou plus faible, mais un pas linéaire dans l'amplitude de la pression sonore ne se traduit pas par un pas linéaire dans la loudness perçue. Le son physique doit être augmenté exponentiellement pour que des pas égaux semblent linéaires, un fait qui est utilisé dans les appareils électroniques actuels pour contrôler le volume. Helmholtz a ouvert la voie aux études expérimentales sur la relation entre l'énergie physique en physique et son appréciation en psychologie, avec pour objectif de développer des « lois psychophysiques ».

La physiologie sensorielle de Helmholtz était la base du travail de Wilhelm Wundt, un étudiant de Helmholtz, qui est considéré comme l'un des fondateurs de la psychologie expérimentale. Plus explicitement que Helmholtz, Wundt a décrit sa recherche comme une forme de philosophie empirique et comme une étude de l'esprit en tant que quelque chose de séparé. Helmholtz avait, dans sa répudiation précoce de la Naturphilosophie, souligné l'importance du matérialisme, et se concentrait davantage sur l'unité de « l'esprit » et du corps.

Optique ophtalmique

En 1851, Helmholtz a révolutionné le domaine de l'ophtalmologie avec l'invention de l'ophtalmoscope ; un instrument utilisé pour examiner l'intérieur de l'œil humain. Cela l'a rendu célèbre dans le monde du jour au lendemain. Les intérêts de Helmholtz à cette époque se concentraient de plus en plus sur la physiologie des sens. Sa publication principale, intitulée Handbuch der Physiologischen Optik Handbook of Physiological Optics ou Treatise on Physiological Optics, fournissait des théories empiriques sur la perception de la profondeur, la vision des couleurs, et la perception du mouvement, et est devenue l'ouvrage de référence fondamental dans son domaine au cours de la seconde moitié du dix-neuvième siècle. Dans le troisième et dernier volume, publié en 1867, Helmholtz a décrit l'importance des inférences inconscientes pour la perception. Le Handbuch a d'abord été traduit en anglais sous la direction de James P. C. Southall au nom de l'Optical Society of America en 1924-5. Sa théorie de l'accommodation n'a pas été remise en question jusqu'à la dernière décennie du XXe siècle.

Helmholtz a continué à travailler pendant plusieurs décennies sur plusieurs éditions du manuel, mettant fréquemment à jour son travail en raison de son différend avec Ewald Hering qui tenait des opinions opposées sur la vision spatiale et des couleurs. Ce différend a divisé la discipline de la physiologie au cours de la seconde moitié des années 1800.

Physiologie des nerfs

En 1849, alors qu'il était à Königsberg, Helmholtz a mesuré la vitesse à laquelle le signal est transporté le long d'une fibre nerveuse. À cette époque, la plupart des gens croyaient que les signaux nerveux se propageaient le long des nerfs de manière immesurable. Il a utilisé un nerf sciatique fraîchement disséqué d'une grenouille et le muscle du mollet auquel il était attaché. Il a utilisé un galvanomètre comme un appareil de synchronisation sensible, attachant un miroir à l'aiguille pour réfléchir un faisceau lumineux à travers la pièce sur une échelle qui offrait une bien plus grande sensibilité. Helmholtz a rapporté des vitesses de transmission dans la gamme de 24,6 à 38,4 mètres par seconde.

Acoustique et esthétique

En 1863, Helmholtz a publié Sensations of Tone, démontrant une fois de plus son intérêt pour la physique de la perception. Ce livre a influencé les musicologues jusqu'au vingtième siècle. Helmholtz a inventé le résonateur de Helmholtz pour identifier les différentes fréquences ou hauteurs des composantes de l'onde sinusoïdale pure des sons complexes contenant plusieurs tons.

Helmholtz a montré que différentes combinaisons de résonateurs pouvaient imiter les sons des voyelles : Alexander Graham Bell en particulier s'intéressait à cela mais, ne pouvant pas lire l'allemand, a mal interprété les diagrammes de Helmholtz en pensant que Helmholtz avait transmis plusieurs fréquences par fil, ce qui aurait permis le multiplexage des signaux télégraphiques, alors qu'en réalité, la puissance électrique était utilisée uniquement pour maintenir les résonateurs en mouvement. Bell n'a pas réussi à reproduire ce qu'il pensait que Helmholtz avait fait mais a dit plus tard que, s'il avait pu lire l'allemand, il n'aurait pas poursuivi l'invention du téléphone selon le principe du télégraphe harmonique.

La traduction d'Alexander J. Ellis a d'abord été publiée en 1875, la première édition anglaise provenait de la troisième édition allemande de 1870 ; la deuxième édition anglaise d'Ellis de la quatrième édition allemande de 1877 a été publiée en 1885 ; les troisième et quatrième éditions anglaises de 1895 et 1912 étaient des réimpressions de la seconde.

Électromagnétisme

Helmholtz a étudié les phénomènes d'oscillations électriques de 1869 à 1871, et dans une conférence qu'il a donnée à la Naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg Natural History and Medical Association of Heidelberg le 30 avril 1869, intitulée On Electrical Oscillations, il a indiqué que les oscillations électriques amorties perceptibles dans une bobine jointe à une bouteille de Leyden avaient une durée d'environ 1/50e de seconde.

En 1871, Helmholtz s'est déplacé de Heidelberg à Berlin pour devenir professeur de physique. Il s'est intéressé à l'électromagnétisme, et l'équation de Helmholtz porte son nom. Bien qu'il n'ait pas apporté de contributions majeures à ce domaine, son étudiant Heinrich Rudolf Hertz est devenu célèbre en étant le premier à démontrer le rayonnement électromagnétique. Oliver Heaviside a critiqué la théorie électromagnétique de Helmholtz car elle permettait l'existence d'ondes longitudinales. En se basant sur le travail sur les équations de Maxwell, Heaviside a prononcé que les ondes longitudinales ne pouvaient pas exister dans le vide ou un milieu homogène. Heaviside n'a pas noté, cependant, que les ondes électromagnétiques longitudinales peuvent exister à une limite ou dans un espace clos.

Il y a même un sujet portant le nom « d'optique de Helmholtz », basé sur l'équation de Helmholtz.

Citations

Quiconque, dans la poursuite de la science, cherche après une utilité pratique immédiate peut être assuré qu'il cherche en vain. — Academic Discourse Heidelberg 1862

Étudiants et associés

Les autres étudiants et associés de recherche de Helmholtz à Berlin comprenaient Max Planck, Heinrich Kayser, Eugen Goldstein, Wilhelm Wien, Arthur König, Henry Augustus Rowland, Albert A. Michelson, Wilhelm Wundt, Fernando Sanford et Michael I. Pupin. Leo Koenigsberger, qui était son collègue 1869-1871 à Heidelberg, a écrit la biographie définitive de lui en 1902.

Honneurs et héritage

• En 1881, Helmholtz a été élu Fellow honoraire du Royal College of Surgeons in Ireland.
• Le 10 novembre 1881, il a reçu la Légion d'honneur : au grade de Commandeur, ou Niveau 3 – un grade supérieur. N° 2173.
• En 1883, le professeur Helmholtz a été honoré par l'Empereur, étant élevé à la noblesse, ou Adel. L'Adelung signifiait qu'il et sa famille étaient maintenant stylisés : von Helmholtz. La distinction n'était pas une pairie ou un titre, mais elle était héréditaire et conférait un certain cachet social.
• Helmholtz a reçu l'adhésion honoraire de l'Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland en 1884.
• La plus grande association allemande d'institutions de recherche, la Helmholtz Association, porte son nom.
• L'astéroïde 11573 Helmholtz et le cratère lunaire Helmholtz ainsi que le cratère Helmholtz sur Mars ont été nommés en son honneur.
• À Charlottenburg, Berlin, la rue Helmholtzstraße porte le nom de von Helmholtz.

Travaux

• On the Conservation of Force 1847 HathiTrust
• Helmholtz, Herman 1876. "On the Limits of the Optical Capacity of the Microscope". Monthly Microscopical Journal. 16: 15–39. doi:10.1111/j.1365-2818.1876.tb05606.x.
• On the Conservation of Force 1895 Introduction to a Series of Lectures Delivered at Carlsruhe in the Winter of 1862–1863, English translation
• On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music downloadable from California Digital Library Third Edition of English Translation, based on Fourth German Edition of 1877, By Hermann von Helmholtz, Alexander John Ellis, Published by Longmans, Green, 1895, 576 pages
• On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music downloadable from Google Books Fourth Edition, By Hermann von Helmholtz, Alexander John Ellis, Published by Longmans, Green, 1912, 575 pages
• Treatise on Physiological Optics 1910 three volumes. English translation by Optical Society of America 1924–25.
• Popular lectures on scientific subjects 1885
• Popular lectures on scientific subjects second series 1908