Hermann von Helmholtz

Всё, что может достичь наука — это совершенное знание и совершенное понимание действия естественных и нравственных сил.

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz был немецким физиком и врачом, который внёс значительный вклад в несколько научных областей. Крупнейшая немецкая ассоциация научно-исследовательских учреждений, Helmholtz Association, названа в его честь.

В физиологии и психологии он известен своей математикой глаза, теориями зрения, идеями о зрительном восприятии пространства, исследованиями цветного зрения и работами по ощущению тона, восприятию звука и эмпиризму в физиологии восприятия.

В физике он известен своими теориями сохранения энергии, работами в электродинамике, химической термодинамике и механическом основании термодинамики.

Как философ, он известен своей философией науки, идеями о связи между законами восприятия и законами природы, наукой эстетики и идеями о цивилизующей силе науки.

Биография

Ранние годы

Helmholtz родился в Potsdam, сын директора местной гимназии Ferdinand Helmholtz, который изучал классическую филологию и философию и был близким другом издателя и философа Immanuel Hermann Fichte. Работа Helmholtz была подвержена влиянию философии Johann Gottlieb Fichte и Immanuel Kant. Он пытался найти их теории в эмпирических вопросах, таких как физиология.

В молодости Helmholtz интересовался естественными науками, но его отец хотел, чтобы он изучал медицину. Helmholtz получил степень доктора медицины в Medicinisch-chirurgisches Friedrich-Wilhelm-Institut в 1842 году и прошёл годичную стажировку в больнице Charité благодаря финансовой поддержке для студентов-медиков.

Обученный в основном физиологии, Helmholtz писал по множеству других тем, от теоретической физики до возраста Земли и происхождения Солнечной системы.

Должности в университетах

Первая академическая должность Helmholtz была преподавателем анатомии в Академии искусств в Berlin в 1848 году. Затем он переехал на должность доцента физиологии в Prussian University of Königsberg, где был назначен в 1849 году. В 1855 году он принял должность профессора анатомии и физиологии в University of Bonn. Однако в Bonn он был не особенно счастлив, и три года спустя переехал в University of Heidelberg в Baden, где работал профессором физиологии. В 1871 году он принял свою последнюю университетскую должность профессора физики в Humboldt University в Berlin.

Исследования

Механика

Его первым важным научным достижением было написанное в 1847 году сочинение о сохранении энергии, созданное в контексте его медицинских исследований и философского образования. Его работа по сохранению энергии появилась при изучении метаболизма мышц. Он пытался продемонстрировать, что никакая энергия не теряется при движении мышц, мотивируемый тем, что не требуются никакие жизненные силы для движения мышцы. Это было отклонением спекулятивной традиции Naturphilosophie, которая была в то время доминирующей философской парадигмой в немецкой физиологии.

Опираясь на более ранние работы Sadi Carnot, Benoît Paul Émile Clapeyron и James Prescott Joule, он постулировал связь между механикой, теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, рассматривая их все как проявления единой силы, или энергии в современной терминологии. Он опубликовал свои теории в своей книге Über die Erhaltung der Kraft On the Conservation of Force, 1847.

В 1850-х и 60-х годах, опираясь на публикации William Thomson, Helmholtz и William Rankine популяризировали идею тепловой смерти Вселенной.

В гидродинамике Helmholtz внёс несколько вкладов, включая теоремы Helmholtz для вихревой динамики в невязких жидкостях.

Сенсорная физиология

Helmholtz был пионером в научном изучении человеческого зрения и слуха. Вдохновленный психофизикой, он интересовался отношениями между измеримыми физическими стимулами и соответствующими им человеческими восприятиями. Например, амплитуда звуковой волны может быть изменена, заставляя звук казаться громче или тише, но линейный шаг в амплитуде звукового давления не приводит к линейному шагу в воспринимаемой громкости. Физический звук должен увеличиваться экспоненциально, чтобы равные шаги казались линейными, факт, который используется в современных электронных устройствах для управления громкостью. Helmholtz проложил путь в экспериментальных исследованиях взаимосвязи между физической энергией физики и её оценкой психологией с целью разработать «психофизические законы».

Сенсорная физиология Helmholtz была основой работы Wilhelm Wundt, ученика Helmholtz, который считается одним из основателей экспериментальной психологии. Более явно, чем Helmholtz, Wundt описывал своё исследование как форму эмпирической философии и как изучение ума как чего-то отдельного. Helmholtz, в его раннем отрицании Naturphilosophie, подчеркнул важность материализма и сосредоточился больше на единстве «ума» и тела.

Офтальмическая оптика

В 1851 году Helmholtz революционизировал область офтальмологии с изобретением офтальмоскопа; инструмента, используемого для исследования внутренней части человеческого глаза. Это сделало его всемирно известным в одночасье. Интересы Helmholtz в то время всё больше сосредоточивались на физиологии чувств. Его основной публикацией, озаглавленной Handbuch der Physiologischen Optik Handbook of Physiological Optics или Treatise on Physiological Optics, предоставлены эмпирические теории восприятия глубины, цветного зрения и восприятия движения, и она стала фундаментальным справочником в его области во второй половине девятнадцатого века. В третьем и заключительном томе, опубликованном в 1867 году, Helmholtz описал важность бессознательных умозаключений для восприятия. Handbuch был впервые переведён на английский язык под редакцией James P. C. Southall от имени Optical Society of America в 1924–5. Его теория аккомодации оставалась неоспариваемой до последнего десятилетия XX века.

Helmholtz продолжал работать в течение нескольких десятилетий над несколькими изданиями справочника, часто обновляя свою работу из-за его спора с Ewald Hering, который придерживался противоположных взглядов на пространственное и цветовое зрение. Этот спор разделил дисциплину физиологии во второй половине 1800-х годов.

Физиология нервной системы

В 1849 году, находясь в Königsberg, Helmholtz измерил скорость, с которой сигнал передаётся вдоль нервного волокна. В то время большинство людей верили, что нервные сигналы проходят вдоль нервов неизмеримо быстро. Он использовал недавно препарированный седалищный нерв лягушки и икроножную мышцу, к которой он был прикреплён. Он использовал гальванометр в качестве чувствительного устройства синхронизации, прикрепляя зеркало к игле для отражения светового луча через комнату на шкалу, которая дала намного большую чувствительность. Helmholtz сообщил о скоростях передачи в диапазоне 24,6–38,4 метров в секунду.

Акустика и эстетика

В 1863 году Helmholtz опубликовал Sensations of Tone, ещё раз демонстрируя свой интерес к физике восприятия. Эта книга повлияла на музыковедов в двадцатом веке. Helmholtz изобрел резонатор Helmholtz для определения различных частот или высоты звука чистых компонентов синусоидальной волны сложных звуков, содержащих несколько тонов.

Helmholtz показал, что различные комбинации резонаторов могли имитировать гласные звуки: Alexander Graham Bell в частности был заинтересован в этом, но, не будучи способным читать немецкий, неправильно истолковал диаграммы Helmholtz как означающие, что Helmholtz передал несколько частот по проводу — что позволило бы мультиплексирование телеграфных сигналов — тогда как в действительности электрическая энергия использовалась только для поддержания резонаторов в движении. Bell не смог воспроизвести то, что, как он думал, сделал Helmholtz, но позже сказал, что, если бы он смог читать немецкий, он не стал бы продолжать изобретение телефона на принципе гармонического телеграфа.

Перевод Alexander J. Ellis был впервые опубликован в 1875, первое английское издание было из третьего немецкого издания 1870 года; второе английское издание Ellis из четвёртого немецкого издания 1877 года было опубликовано в 1885 году; третье и четвёртое английские издания 1895 и 1912 годов были переизданиями второго.

Электромагнетизм

Helmholtz изучал явления электрических колебаний с 1869 по 1871 год, и в лекции, прочитанной Naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg Natural History and Medical Association of Heidelberg 30 апреля 1869 года, озаглавленной On Electrical Oscillations, он указал, что заметные затухающие электрические колебания в катушке, соединённой с Leyden jar, длились около 1/50-й части секунды.

В 1871 году Helmholtz переехал из Heidelberg в Berlin, чтобы стать профессором физики. Он заинтересовался электромагнетизмом, и уравнение Helmholtz названо в его честь. Хотя он не внёс значительного вклада в эту область, его ученик Heinrich Rudolf Hertz стал известен как первый, кто продемонстрировал электромагнитное излучение. Oliver Heaviside критиковал электромагнитную теорию Helmholtz, потому что она допускала существование продольных волн. На основе работы с уравнениями Maxwell, Heaviside постановил, что продольные волны не могут существовать в вакууме или однородной среде. Heaviside не заметил, однако, что продольные электромагнитные волны могут существовать на границе или в замкнутом пространстве.

Существует даже тема под названием «оптика Helmholtz», основанная на уравнении Helmholtz.

Цитаты

Кто бы в поисках науки ни стремился к немедленной практической пользе, может быть уверен, что ищет напрасно. — Academic Discourse Heidelberg 1862

Студенты и сотрудники

Другие студенты и научные сотрудники Helmholtz в Berlin включали Max Planck, Heinrich Kayser, Eugen Goldstein, Wilhelm Wien, Arthur König, Henry Augustus Rowland, Albert A. Michelson, Wilhelm Wundt, Fernando Sanford и Michael I. Pupin. Leo Koenigsberger, который был его коллегой 1869–1871 в Heidelberg, написал его definitive biography в 1902 году.

Почести и наследие

• В 1881 году Helmholtz был избран почётным членом Royal College of Surgeons in Ireland.
• 10 ноября 1881 года ему была присуждена Légion d'honneur: au grade de Commandeur, или уровень 3 – старший ранг. № 2173.
• В 1883 году профессор Helmholtz был почтён императором, получив дворянство, или Adel. Adelung означал, что он и его семья были теперь названы: von Helmholtz. Различие было не пэрством или титулом, но оно было наследственным и дало определённый социальный престиж.
• Helmholtz получил почётное членство Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland в 1884 году.
• Крупнейшая немецкая ассоциация научно-исследовательских учреждений, Helmholtz Association, названа в его честь.
• Астероид 11573 Helmholtz и лунный кратер Helmholtz, а также кратер Helmholtz на Mars были названы в его честь.
• В Charlottenburg, Berlin, улица Helmholtzstraße названа в честь von Helmholtz.

Работы

• 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