Hermann von Helmholtz

Alles, was Wissenschaft erreichen kann, ist ein perfektes Wissen und ein perfektes Verständnis der Wirkung natürlicher und moralischer Kräfte.

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz war ein deutscher Physiker und Arzt, der bedeutende Beiträge in mehreren wissenschaftlichen Bereichen leistete. Die größte deutsche Vereinigung von Forschungseinrichtungen, die Helmholtz-Gemeinschaft, ist nach ihm benannt.

In der Physiologie und Psychologie ist er für seine Mathematik des Auges, Theorien des Sehens, Ideen zur visuellen Raumwahrnehmung, Farbvisionforschung und zur Tonempfindung, Schallwahrnehmung und zum Empirismus in der Physiologie der Wahrnehmung bekannt.

In der Physik ist er für seine Theorien zur Energieerhaltung, Arbeiten zur Elektrodynamik, chemischen Thermodynamik und zur mechanischen Grundlage der Thermodynamik bekannt.

Als Philosoph ist er für seine Wissenschaftsphilosophie, Ideen über die Beziehung zwischen Wahrnehmungsgesetzen und Naturgesetzen, die Wissenschaft der Ästhetik und Ideen über die zivilisierende Kraft der Wissenschaft bekannt.

Biographie

Frühe Jahre

Helmholtz wurde in Potsdam als Sohn des lokalen Gymnasialleiters Ferdinand Helmholtz geboren, der Klassische Philologie und Philosophie studiert hatte und ein enger Freund des Verlegers und Philosophen Immanuel Hermann Fichte war. Helmholtz' Arbeit wurde durch die Philosophie von Johann Gottlieb Fichte und Immanuel Kant beeinflusst. Er versuchte, ihre Theorien in empirischen Angelegenheiten wie der Physiologie nachzuverfolgen.

Als junger Mann war Helmholtz an Naturwissenschaften interessiert, aber sein Vater wollte, dass er Medizin studierte. Helmholtz erwarb einen medizinischen Doktortitel am Medicinisch-chirurgisches Friedrich-Wilhelm-Institut im Jahr 1842 und absolvierte ein einjähriges Praktikum im Charité-Krankenhaus, da es finanzielle Unterstützung für Medizinstudenten gab.

Helmholtz war primär in der Physiologie ausgebildet, schrieb aber zu vielen anderen Themen, die von theoretischer Physik über das Alter der Erde bis zum Ursprung des Sonnensystems reichten.

Universitätspositionen

Helmholtz' erste akademische Position war 1848 als Anatomie-Lehrer an der Kunstakademie in Berlin. Er wechselte dann zu einer Position als außerordentlicher Professor für Physiologie an der Preußischen Universität Königsberg, wo er 1849 ernannt wurde. 1855 akzeptierte er eine ordentliche Professur für Anatomie und Physiologie an der Universität Bonn. Er war jedoch nicht besonders glücklich in Bonn und wechselte drei Jahre später zur Universität Heidelberg in Baden, wo er als Professor für Physiologie tätig war. 1871 akzeptierte er seine letzte Universitätsposition als Professor für Physik an der Humboldt-Universität in Berlin.

Forschung

Mechanik

Seine erste wichtige wissenschaftliche Errungenschaft, eine 1847 verfasste Abhandlung über die Energieerhaltung, wurde im Kontext seiner Medizinstudien und philosophischen Ausbildung geschrieben. Seine Arbeit zur Energieerhaltung entstand während des Studiums des Muskelstoffwechsels. Er versuchte zu demonstrieren, dass bei der Muskelbewegung keine Energie verloren geht, motiviert durch die Implikation, dass es keine Vitalenergie gab, die nötig war, um einen Muskel zu bewegen. Dies war eine Ablehnung der spekulativen Tradition der Naturphilosophie, die damals ein dominierendes philosophisches Paradigma in der deutschen Physiologie war.

Aufbauend auf der früheren Arbeit von Sadi Carnot, Benoît Paul Émile Clapeyron und James Prescott Joule postulierte er eine Beziehung zwischen Mechanik, Wärme, Licht, Elektrizität und Magnetismus, indem er sie alle als Manifestationen einer einzigen Kraft oder Energie in heutiger Terminologie behandelte. Er veröffentlichte seine Theorien in seinem Buch Über die Erhaltung der Kraft On the Conservation of Force, 1847.

In den 1850er und 60er Jahren, aufbauend auf den Veröffentlichungen von William Thomson, popularisierten Helmholtz und William Rankine die Idee des Wärmetods des Universums.

In der Fluiddynamik leistete Helmholtz mehrere Beiträge, darunter Helmholtz' Theoreme für Wirbelströme in reibungslosen Flüssigkeiten.

Sinnesphysiologie

Helmholtz war Pionier in der wissenschaftlichen Untersuchung des menschlichen Sehens und Hörens. Inspiriert durch die Psychophysik interessierte er sich für die Beziehungen zwischen messbaren physikalischen Reizen und ihren entsprechenden menschlichen Wahrnehmungen. Zum Beispiel kann die Amplitude einer Schallwelle variiert werden, wodurch der Ton lauter oder leiser erscheint, aber ein linearer Schritt in der Schalldruckamplitude führt nicht zu einem linearen Schritt in der wahrgenommenen Lautstärke. Der physikalische Schall muss exponentiell erhöht werden, damit gleiche Schritte linear erscheinen – eine Tatsache, die in aktuellen elektronischen Geräten zur Kontrolle der Lautstärke verwendet wird. Helmholtz ebnete den Weg für experimentelle Studien über die Beziehung zwischen der physikalischen Energie der Physik und ihrer Wertschätzung der Psychologie, mit dem Ziel, „psychophysikalische Gesetze" zu entwickeln.

Die Sinnesphysiologie von Helmholtz war die Grundlage der Arbeit von Wilhelm Wundt, einem Schüler von Helmholtz, der als einer der Gründer der experimentellen Psychologie gilt. Wundt beschrieb seine Forschung expliziter als Helmholtz als eine Form der empirischen Philosophie und als Untersuchung des Geistes als etwas Eigenständiges. Helmholtz hatte in seiner frühen Ablehnung der Naturphilosophie die Bedeutung des Materialismus betont und konzentrierte sich mehr auf die Einheit von „Geist" und Körper.

Augenoptik

1851 revolutionierte Helmholtz das Gebiet der Augenheilkunde mit der Erfindung des Ophthalmoskops, eines Instruments zur Untersuchung des Inneren des menschlichen Auges. Dies machte ihn über Nacht weltberühmt. Helmholtz' Interessen waren zu dieser Zeit zunehmend auf die Physiologie der Sinne fokussiert. Seine Hauptveröffentlichung mit dem Titel Handbuch der Physiologischen Optik Handbook of Physiological Optics or Treatise on Physiological Optics lieferte empirische Theorien zur Tiefenwahrnehmung, Farbsehen und Bewegungswahrnehmung und wurde zur grundlegenden Referenzarbeit in seinem Bereich in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts. Im dritten und letzten Band, veröffentlicht 1867, beschrieb Helmholtz die Bedeutung unbewusster Inferenzen für die Wahrnehmung. Das Handbuch wurde erstmals 1924–5 unter der Herausgabe von James P. C. Southall im Auftrag der Optical Society of America ins Englische übersetzt. Seine Unterkunftstheorie blieb bis zum letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts unangefochten.

Helmholtz arbeitete mehrere Jahrzehnte lang an mehreren Ausgaben des Handbuchs, aktualisierte seine Arbeit häufig wegen seines Streits mit Ewald Hering, der gegensätzliche Ansichten über räumliche und Farbsehen hatte. Dieser Streit teilte die Disziplin der Physiologie während der zweiten Hälfte der 1800er Jahre.

Nervenphysiologie

1849 maß Helmholtz während seines Aufenthalts in Königsberg die Geschwindigkeit, mit der das Signal entlang einer Nervenfaser transportiert wird. Zu dieser Zeit glaubten die meisten Menschen, dass Nervensignale unermesslich schnell entlang von Nerven übertragen wurden. Er nutzte einen kürzlich präparierten Nervus ischiadicus eines Frosches und den Wadenmuskel, an den er angebunden war. Er nutzte ein Galvanometer als empfindliches Zeitgerät, befestigte einen Spiegel an der Nadel, um einen Lichtstrahl quer durch den Raum auf eine Skala zu reflektieren, was eine viel größere Empfindlichkeit ermöglichte. Helmholtz meldete Übertragungsgeschwindigkeiten im Bereich von 24,6 – 38,4 Metern pro Sekunde.

Akustik und Ästhetik

1863 veröffentlichte Helmholtz Sensations of Tone und demonstrierte erneut sein Interesse an der Physik der Wahrnehmung. Dieses Buch beeinflusste Musikologen bis ins zwanzigste Jahrhundert. Helmholtz erfand den Helmholtz-Resonator, um die verschiedenen Frequenzen oder Tonhöhen der reinen Sinuswellen-Komponenten von komplexen Tönen mit mehreren Tönen zu identifizieren.

Helmholtz zeigte, dass verschiedene Kombinationen von Resonatoren Vokallautformen nachahmen konnten: Alexander Graham Bell interessierte sich besonders dafür, aber da er kein Deutsch lesen konnte, missverstand er Helmholtz' Diagramme so, dass Helmholtz mehrere Frequenzen über eine Leitung übertragen hatte – was eine Multiplexing von Telegraphensignalen ermöglicht hätte – während in Wirklichkeit elektrische Energie nur verwendet wurde, um die Resonatoren in Bewegung zu halten. Bell konnte nicht reproduzieren, was er dachte, Helmholtz getan zu haben, sagte aber später, dass er, wenn er Deutsch lesen hätte können, nicht weitergegangen wäre, um das Telefon nach dem Prinzip des harmonischen Telegraphen zu erfinden.

Die Übersetzung von Alexander J. Ellis wurde erstmals 1875 veröffentlicht; die erste englische Ausgabe stammte aus der dritten deutschen Ausgabe von 1870; Ellis' zweite englische Ausgabe aus der vierten deutschen Ausgabe von 1877 wurde 1885 veröffentlicht; die dritte und vierte englische Ausgabe von 1895 und 1912 waren Nachdrucke der zweiten.

Elektromagnetismus

Helmholtz studierte von 1869 bis 1871 die Phänomene elektrischer Oszillationen und deutete in einer Vorlesung, die er am 30. April 1869 vor der Naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg hielt, mit dem Titel On Electrical Oscillations darauf hin, dass die wahrnehmbaren gedämpften elektrischen Oszillationen in einer Spule, die mit einer Leyden-Flasche verbunden war, etwa 1/50tel einer Sekunde andauerten.

1871 zog Helmholtz von Heidelberg nach Berlin, um Professor für Physik zu werden. Er interessierte sich für Elektromagnetismus, und die Helmholtz-Gleichung ist nach ihm benannt. Obwohl er keine großen Beiträge zu diesem Gebiet leistete, wurde sein Schüler Heinrich Rudolf Hertz berühmt als der erste, der elektromagnetische Strahlung nachwies. Oliver Heaviside kritisierte Helmholtz' elektromagnetische Theorie, da sie die Existenz von Longitudinalwellen zuließ. Auf der Grundlage von Arbeiten zu Maxwells Gleichungen erklärte Heaviside, dass Longitudinalwellen in einem Vakuum oder einem homogenen Medium nicht existieren könnten. Heaviside vermerkte jedoch nicht, dass longitudinale elektromagnetische Wellen an einer Grenzfläche oder in einem geschlossenen Raum existieren können.

Es gibt sogar ein Thema mit dem Namen „Helmholtz-Optik", das auf der Helmholtz-Gleichung basiert.

Zitate

Wer in der Verfolgung der Wissenschaft nach unmittelbarem praktischen Nutzen sucht, kann sicher sein, dass er vergeblich sucht. — Akademische Rede Heidelberg 1862

Schüler und Kollegen

Andere Schüler und Forschungsassistenten von Helmholtz in Berlin waren Max Planck, Heinrich Kayser, Eugen Goldstein, Wilhelm Wien, Arthur König, Henry Augustus Rowland, Albert A. Michelson, Wilhelm Wundt, Fernando Sanford und Michael I. Pupin. Leo Koenigsberger, der von 1869–1871 sein Kollege in Heidelberg war, schrieb 1902 die definitive Biographie von ihm.

Ehrungen und Vermächtnis

• 1881 wurde Helmholtz zum Ehrenmitglied des Royal College of Surgeons in Irland gewählt.
• Am 10. November 1881 wurde ihm die Légion d'honneur verliehen: au grade de Commandeur, oder Stufe 3 – ein höherer Rang. Nr. 2173.
• 1883 wurde Professor Helmholtz vom Kaiser geehrt und erhielt die Erhebung in den Adel. Die Adelung bedeutete, dass er und seine Familie nun als: von Helmholtz bezeichnet wurden. Die Unterscheidung war kein Adelsrang oder Titel, aber sie war vererbbar und verlieh einen gewissen sozialen Ruf.
• Helmholtz wurde 1884 mit einer Ehrenmitgliedschaft der Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland ausgezeichnet.
• Die größte deutsche Vereinigung von Forschungseinrichtungen, die Helmholtz-Gemeinschaft, ist nach ihm benannt.
• Der Asteroid 11573 Helmholtz und der Mondkrater Helmholtz sowie der Krater Helmholtz auf dem Mars wurden nach ihm benannt.
• In Charlottenburg, Berlin, ist die Straße Helmholtzstraße nach von Helmholtz benannt.

Werke

• 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