Физик, врач, физиолог, психолог, акустик
Герман Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz) родился 31 августа 1821 года в Потсдаме, близ Берлина, где его отец Фердинанд Гельмгольц служил учителем гимназии. Мать его Каролина, урожденная Пенн, происходила из английской семьи, переселившейся в Германию. В детстве Герман часто болел, обладал плохой памятью, учился посредственно и окончил гимназию с грехом пополам. Во время его учёбы в гимназии никто даже подумать не мог, что он столько полезного сделает в науке. Однако Герман сделался выдающимся физиологом.
Он с детства проявлял большой интерес к естествознанию, хотел заниматься физикой. Но, закончив в 1838 г. Потсдамскую гимназию, он по настоянию отца поступил в Медицинский институт Фридриха Вильгельма в Берлине. Семнадцатилетний студент в первом семестре изучал физику, химию и анатомию и за первый год прослушал логику, историю, латинский и французский языки. Герману повезло не только с сокурсниками (с ним училась целая плеяда будущих корифеев физиологии, составившая цвет немецкой науки: Карл Людвиг, Дюбуа-Реймон, Брюкке, Вирхов, Шванн), но и с преподавателем физиологии Иоганнесом Мюллером, светилом немецкой физиологической науки. Во втором семестре под влиянием своего знаменитого учителя Герман заинтересовался физиологией и гистологией. Учеников Мюллера объединяло одинаковое стремление связать физику с физиологией и найти для их обоснования более прочный фундамент. Герман значительно превосходил своих друзей в знании математики, которая давала ему возможность точно «формулировать задачи и давать методом их решения правильное направление».
Окончив университет в 1842 году, он защитил докторскую диссертацию, посвященную строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.
Уже в студенческие годы он проявил интерес к физиологии, задавшись вопросом о сущности силы. В работе "О сохранении силы" (1847) он на основе принципа сохранения анализирует различные явления: падение тел, переход механического движения в тепловое, выделение теплоты при химических реакциях, контактную разность потенциалов, работу гальванических элементов.
Обязательной для выпускников королевского медико-хирургического института была восьмилетняя военная служба, которую Гельмгольц проходил с 1843 года в Потсдаме, в качестве военного врача. Жил он в казарме и вставал в пять часов утра по сигналу кавалерийской трубы. Но эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятий наукой.
Гельмгольц был знаком с проблемой вечного двигателя со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты... разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Жана Лерона Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я, — говорил Гельмгольц, — натолкнулся на вопрос: «Какое отношение должно существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» — и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?».
В журнале Мюллера Герман Гельмгольц опубликовал в 1845 году работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же 1845 году молодые учёные, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошёл и Гельмгольц. С 1845 года общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики».
Постоянные занятия физикой позволили ему, ещё неизвестному эскадронному врачу, сформулировать независимо от Р. Майера и Д. Джоуля закон сохранения и превращения энергии, универсальность этого закона, т.е. применимость его ко всем известным тогда физическим явлениям. Это открытие принесло Гельмгольцу широкую и заслуженную славу.
23 июля 1847 года он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». В том же году он был опубликован отдельной брошюрой. В докладе он математически обосновал закон сохранения сил (на современном научном языке – энергии), показал его универсальность, ввёл понятие потенциальной энергии (в его терминологии – силы напряжения), связал закон сохранения энергии с невозможностью построения вечного двигателя.
Авторитеты в то время «были склонны отвергать справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование…». Однако Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодёжь, и, прежде всего, будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон и молодое Берлинское физическое общество.
Что же касается отношения его к работам предшественников Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчёркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.
В отличие от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя. Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, её надо наделить силами как притягательными, так и отталкивательными.
«Явления природы, — говорит Гельмгольц, — должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».
Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы. Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел получать непрерывно из ничего движущую силу».
Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами».
Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасённой электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются всё меньше и меньше, пока наконец живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».
Гельмгольц очень точно сформулировал сущность закона сохранения энергии: «Природа обладает запасом энергии, который не может ни увеличиваться, ни уменьшаться никоим образом: количество энергии в неорганической природе так же вечно и неизменно, как и количество материи».
Этой формулировке предшествовали годы напряженной деятельности учёного, годы утрат и побед, годы внезапных озарений и счастливого стечения обстоятельств.
Венгерский учёный Дъёрдь фон Бекеши (1899−1972 гг.) подтвердил теорию Гельмгольца, когда заметил вибрации на базовой мембране в клетках человеческих трупов и мертвых животных и получил за это Нобелевскую премию по физиологии в 1961 году.
Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений. Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности, даёт свой известный вывод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.
Переведённый в 1847 году в королевский полк, Гельмгольц познакомился со своей будущей женой Ольгой фон Фельтен. 26 августа 1848 года Гельмгольц женился на Ольге, и молодожены отправились в Кёнигсберг обустраивать своё семейное счастье. Ольга не только взвалила на себя все бытовые заботы, но и, будучи девушкой образованной, помогала мужу в его исследованиях. Кроме того, дом Гельмгольца быстро стал одним из центров культурной жизни города: здесь часто проходили музыкальные вечера, ставились любительские спектакли. Летом 1850 года в семье появился первый ребенок – девочка, получившая имя Катерина Каролина Юлия Бетти. В 1852 году Ольга родила сына Рихарда.
По рекомендации Александра Гумбольдта в 1848 году Гельмгольцу было разрешено преждевременно оставить военную службу и возвратиться в Берлин, чтобы занять место в Академии художеств в качестве преподавателя анатомии; одновременно Гельмгольц становится ассистентом при анатомическом музее.
В 1843-1849 гг. Гельмгольц работал военным хирургом в Потсдаме.
В 1849 году по рекомендации своего учителя Иоганна Мюллера он был приглашён на должность профессора физиологии и общей анатомии в Кёнигсберг. Гельмгольц высоко ценил воспитывающее влияние своего профессора-руководителя Иоганна Мюллера и держался его направления. Недаром он говорил о нём: «Кто раз пришёл в соприкосновение с человеком первоклассным, у того духовный масштаб изменён навсегда — тот пережил самое интересное, что может дать жизнь…».
Он становится первым человеком, увидевшим сетчатку глаза живого человека; для этого он использует специальное глазное зеркало — офтальмоскоп, изобретенное и сконструированное им собственноручно в
1850 г. Его обширные исследования по физиологии зрения (теория аккомодации, цветового зрения и т д ) были обобщены и систематизированы в классическом труде «Руководство по физиологической оптике», вышедшем в 1856—1857 гг.
Он доказал, что существуют три основных цвета — красный, зеленый и фиолетовый — и что из их смешения образуются все другие цвета. Таким образом, Гельмгольц дополняет и усовершенствует так называемую трехкомпонентную теорию цветового зрения, впервые предложенную Томасом Юнгом.
В августе 1853 года Гельмгольц, оставив жену с двумя детьми у родных, предпринял первое путешествие в Англию, где познакомился с Фарадеем. В 1854 году умерла его горячо любимая мать. В то же время туберкулез жены начал угрожать её здоровью. Гельмгольц стал предпринимать меры, чтобы переселиться в другой город, где климат был мягче, и такая возможность ему представилась, когда освободилась кафедра физиологии и анатомии в Бонне. В 1855 году он получил назначение на кафедру анатомии и физиологии в Боннский университет.
В 1855 году Гельмгольц переезжает в Бонн, где руководит кафедрой анатомии и физиологии, а с 1858 года — кафедрой физиологии в Гейдельберге. В маленьком Гейдельберге уже работали профессорами два его близких друга – Бунзен и Кирхгоф.
В этой лаборатории у Гельмгольца учился Иван Михайлович Сеченов. Насколько велико было впечатление, произведённое на него учителем, можно судить по следующим его словам: «Что я могу сказать об этом из ряда вон человеке? По ничтожности образования приблизиться к нему я не мог, так что видел его, так сказать, лишь издали, никогда не оставаясь притом спокойным в его присутствии… От его… фигуры с задумчивыми глазами веяло каким-то миром, словно не от мира сего. Как это ни странно, но говорю сущую правду: он производил на меня впечатление, подобное тому, какое я испытывал, глядя впервые на Сикстинскую мадонну в Дрездене, тем более что его глаза по выражению были в самом деле похожи на глаза этой мадонны».
В Гейдельберга наступило обострение тяжелой болезни жены. 28 декабря 1859 года Ольга Гельмгольц скончалась. В связи с тяжёлым нервным состоянием и усталостью у Гельмгольца участились обморочные состояния, бывавшие и раньше. На его руках остались двое маленьких детей. Через год он сделал предложение Анне Моль, племяннице профессора персидского языка в Коллеж де Франс Парижа. Анна большую часть своей жизни провела в Париже и Лондоне, была высокообразованной девушкой. После возвращения Гельмгольца из Англии 16 мая 1861 года состоялась свадьба с Анной фон Моль. 22 ноября 1862 года Гельмгольц избирается проректором Гейдельбергского университета, а в 1870 году становится членом Прусской академии наук.
В Гейдельберге Гельмгольц оставался до 1871 года, когда по приглашению Берлинского университета возглавил вакантную, после смерти известного профессора физики Густава Магнуса, кафедру физики.
Работы Гельмгольца увели его далеко за пределы физиологии, поэтому нет ничего удивительного в том, что когда освободилась кафедра физики в Берлинском университете, то Дюбуа-Реймон - ректор Берлинского университета, направил Гельмгольцу предложение возглавить первую кафедру физики в Германии. 13 февраля 1871 года, возвращаясь из путешествия по Швейцарии, Гельмгольц был приглашён в Версаль, где Вильгельм I подписал документ о его назначении профессором физики. По этому поводу Дюбуа-Реймон заметил: «Произошло неслыханное дело: медик и профессор физиологии занял главную физическую кафедру Германии».
Вскоре Германа фон Гельмгольца избирают профессором физики в Медико-хирургическую академию, в которой он получил своё научное образование. Здесь, продолжая свои работы по физиологической акустике и оптике, он всё более и более отходит от медицины и переходит к чисто физическим вопросам. Он также получил от Уильяма Томсона запрос, не желает ли он занять кафедру экспериментальной физики в Кембридже, где первым профессором физики был знаменитый Максвелл и позже наиболее крупный из современных физиков Э. Резерфорд.
В 1873 г. на него обрушилась еще одна семейная трагедия, умерла его дочь Кэт. Гельмгольц тяжело пережил потерю родного человека. Но жизнь идёт дальше.
15 октября 1877 года Гельмгольц избирается ректором Берлинского университета и тогда же публикует работу «О мышлении и медицине», представляющую глубочайший интерес до сего времени.
Гельмгольц – автор ряда трудов в области физиологии — о нервной и мышечной системе. Он обнаружил теплообразование в мышце, изучил процесс мышечного сокращения, измерил скорость распространения возбуждения в нервах (она оказалась совсем небольшой, всего от 30 до 100 м/с), определил скрытый период рефлексов, сформулировал теорию аккомодации глаза, разработал учение о цветовом зрении. В 1856 году определил возраст Земли в 22 миллиона лет.
После Магнуса Гельмгольц получил в наследие маленькую и неудобную лабораторию; она была первой в Европе по времени основания, а он вторым по времени её руководителем. Тесно и неуютно было ему в маленькой лаборатории, и вот при содействии правительства он выстроил в 1877 году дворец науки, именуемый ныне Физическим институтом Берлинского университета, которым и управлял до 1888 года, когда германский Рейхстаг основал в Шарлоттенбурге большое учреждение — физико-техническое имперское ведомство и назначил Гельмгольца его президентом. С тех пор он покинул физический институт в Берлине, передав руководство профессору Августу Кундту, а сам читал лекции лишь теоретического характера.
Гельмгольцем были получены классические результаты по физиологии зрения и слуха. Им изобретён офтальмоскоп. Ряд технических изобретений Гельмгольца носит его имя. Катушка Гельмгольца состоит из двух соосных соленоидов, удалённых на расстояние их радиуса и служит для создания открытого однородного магнитного поля. Резонатор Гельмгольца представляет собой полый шар с узким отверстием и служит для анализа акустических сигналов, а также при создании акустических систем для усиления низких частот или наоборот — для подавления нежелательных частот в помещениях.
До исследований Гельмгольца многое, связанное со слухом, было изучено очень слабо. Знали, как возникает и распространяется звук, но очень мало было известно о тех воздействиях, которые оказывают звуки на способные колебаться предметы. Гельмгольц раньше всех занялся этим сложным явлением. Создав теорию резонанса, он создал затем на её основе учение о слуховых ощущениях, о нашем голосе, о музыкальных инструментах. Изучая явления колебаний, Гельмгольц разработал и ряд вопросов, имеющих огромное значение для теории музыки, дал анализ причин музыкальной гармонии.
В конце 50-ых годов Гельмгольц обратился к теоретической физике - гидродинамике и электродинамике.
Гельмгольц был разносторонним учёным, блестящим экспериментатором и крупным мыслителем, организатором науки. Он разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя понятия свободной и связанной энергии, в 1869 г. создал колебательный контур, состоящий из индуктивности и ёмкости. Гельмгольц первым измерил скорость распространения нервного возбуждения.
Гельмгольц говорил: "Насколько я помню, счастливые мысли никогда не приходили ко мне за письменным столом и когда мозг был утомлён. Счастливые мысли часто приходят по утрам. Но они предпочитают появляться во время легких прогулок по лесистым горам в солнечную погоду".
В работах Гельмгольца были заложены основы новой науки биофизики. Он, в частности, установил, что красный цвет вызывает раздражение, а зелёный - успокаивает.
Г. Гельмгольц стоял у истоков и другой науки - музыкальной гармонии. Он показал физиологическое воздействие музыки на человека.
Г. Гельмгольц заложил основы теории вихрей, исследовал волновые движения. Полученные им результаты были использованы впоследствии Максвеллом и Лоренцом.
В 1873 г. Гельмгольц изложил некоторые теоретические вопросы управляемого воздухоплавания.
Герман Гельмгольц был одним из основателей теории «иероглифов», по которой наши ощущения являются не образами вещей, а символами, иероглифами, ничем не похожими на объекты природы.
Удивительную трудоспособность и чёткость мысли он сохранил до последних дней своей жизни.
Сообразно разностороннему характеру своей педагогической деятельности, он подарил Европе учеников — специалистов по различным отраслям естествознания. Не перечисляя его учеников заграницей, отметим лишь российских: Н. Н. Гезехаус, А. П. Соколов, Р. А. Колли, П. Ф. Зилов, Н. Н. Шиллер; из биологов и врачей профессор Э.Адамюк, Н.Бакста, Л.Гиршман, И.Догель, В.Дыбковский, Э. Мандельштамм, И.Сеченов, А. Ходин, Ф. Шереметьевский, Э. Юнге, из которых многие приобрели себе громкое имя в науке и основали школы в русских университетах.
С портрета Гельмгольца на нас глядит волевое, властное лицо, кончики густых седых усов опущены книзу Безукоризненный костюм. Пронзительный несколько тяжеловатый взгляд. Герц обращался к нему не иначе, как «Ваше превосходительство».
К сожалению, не только радостные события ждали Гельмгольца в старости. Его сын Роберт, подававший большие надежды молодой физик, безвременно скончался в 1889 году, оставив работу о лучеиспускании горящих газов, за которую получил премию.
В 1881 году он вводит понятие свободной энергии — энергии, которую необходимо сообщить телу для приведения его в термодинамическое равновесие с окружающей средой (F=U-TS, где U есть внутренняя энергия, S — энтропия, T — температура).
5 апреля 1881 г. в речи, посвящённой Фарадею, Гельмгольц впервые чётко высказал идею атомного строения электричества. Он говорил: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определённые элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».
Ещё при изучении проблем о локализации зрительных впечатлений в поле зрения Гельмгольц пришёл к выводу, что все аксиомы геометрии имеют опытное происхождение. После изучения трудов Лобачевского Гельмгольц предложил модель пространства переменной кривизны как «поля изображения выпуклого зеркала или линзы».
В книге «Счет и измерение» Гельмгольц в качестве главной проблемы арифметики считал обоснование её автоматической применимости к физическим явлениям. Исходя из того, что само понятие числа заимствовано из опыта, Гельмгольц считал, что действительные числа и их свойства применимы лишь именно к этим опытам, в которых изучаемые объекты не должны трансформироваться (как пошутил А.Лебег, «поместив в клетку льва и кролика, мы не обнаружим в ней позднее двух животных»). По Гельмгольцу, даже понятие равенства неприменимо автоматически к каждому опыту.
По Гельмгольцу математика даёт не более чем логическую структуру законов физики. Еще в мемуаре «О сохранении силы» Гельмгольц давал первую математическую трактовку закона сохранения энергии, указывая на его всеобщность; был также доказан факт подчинения этому закону процессов, происходящих в живых организмах.
Гельмгольц явился создателем нескольких измерительных приборов, маятника и резонатора, названных его именем, тангенс - гальванометра и др.
Талант учёного привлекал к нему молодых естествоиспытателей, биологов, врачей, физиков многих стран. У него учились: физиолог И.М.Сеченов, физики В. Вин, А.Г Столетов, П.Н. Лебедев, около трёх лет работал у него ассистентом Г. Герц.
А.Г. Столетов сказал о Гельмгольце: «Два-три таких человека делают науку своей эпохи ... Перед нами явление вполне исключительное, натура истинно титаническая – человек первоклассный из первоклассных».
В 1888 году император Германии Фридрих III возвёл его в дворянское достоинство, а в 1891 году уже император Вильгельм II пожаловал его чином действительного тайного советника, титулом Excellenz и орденом Чёрного Орла. В том же 1891 году он удостоился высшей награды Франции — звезды ордена «Почетного легиона». Город Берлин избрал его своим почётным гражданином.
Широкую известность получили учебники Гельмгольца: «Лекции по электромагнитной теории света» (1897); «Лекции по теоретической физике» (тт. 1–6, 1897–1907). Гельмгольц был членом Берлинской, Пражской, Петербургской АН, других научных обществ.
За год до своей смерти Гельмгольц отправляется на Всемирную выставку в Чикаго. Возвращаясь из путешествия по Америке, он поскользнулся, входя в каюту, и ранил голову, что имело, по-видимому, тяжелые последствия и могло послужить причиной последующего заболевания. Постепенно развился паралич движений, по-видимому, из-за продолжающего разрушать мозг кровоизлияния. Так началась болезнь и тяжелые явления, приведшие к летальному исходу.
Утром 12 июля Гельмгольц вышел из дома, но идти самостоятельно уже не смог. К нему подбежал прохожий и помог привести его в комнату и уложить на диван. Умер Г. Гельмгольц 8 сентября 1894 года в 1 час 11 минут после полудня на 72 году жизни от кровоизлияния в мозг в Шарлоттенбурге. Перед Берлинским университетом, где протекали последние годы его жизни, был поставлен памятник учёному.
Память: медаль Гельмгольца вручается с 1892 года; в 1935 году Международный астрономический союз присвоил имя Гельмгольца кратеру на видимой стороне Луны; объединение имени Гельмгольца — крупнейшая научно-исследовательская организация Германии; имя Гельмгольца присвоено Московскому НИИ глазных болезней; А.А Фридман предложил присвоить имя Гельмгольца дифференциальному оператору «Гельмгольциан».
Однажды он сказал:
Малейшие дозы спиртных напитков уничтожают возможность возникновения счастливых мыслей, убивают их в зачатке.
Хотя науки — фактор, пробуждающий и формирующий наиболее утонченные способности человеческого сознания, все же тот, кто учится и исследует лишь для того, чтобы только знать, не найдет истинного смысла своего собственного бытия на Земле. Лишь активная деятельность делает достойным существование человека.
Можно ли сказать нечто, когда перед тобой ничто?
Из всех органов чувств человека глаз всегда признавался наилучшим даром и чудеснейшим произведением творческой силы природы.
По зависти противников можно, в известной степени, судить о размерах собственного успеха
Кто раз пришёл в соприкосновение с человеком первоклассным, у того духовный масштаб изменен навсегда - тот пережил самое интересное, что может дать жизнь.
