Hermann von Helmholtz

Tutto ciò che la scienza può realizzare è una conoscenza perfetta e una comprensione perfetta dell'azione delle forze naturali e morali.

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz era un fisico e medico tedesco che ha dato contributi significativi in diversi campi scientifici. La più grande associazione tedesca di istituzioni di ricerca, l'Helmholtz Association, prende il nome da lui.

In fisiologia e psicologia, è noto per la sua matematica dell'occhio, le teorie della visione, le idee sulla percezione visiva dello spazio, la ricerca sulla visione dei colori, e sulla sensazione del tono, la percezione del suono, e l'empirismo nella fisiologia della percezione.

In fisica, è noto per le sue teorie sulla conservazione dell'energia, il lavoro in elettrodinamica, termodinamica chimica, e sui fondamenti meccanici della termodinamica.

Come filosofo, è noto per la sua filosofia della scienza, le idee sulla relazione tra le leggi della percezione e le leggi della natura, la scienza dell'estetica, e le idee sul potere civilizzatore della scienza.

Biografia

Primi anni

Helmholtz è nato a Potsdam, figlio del preside locale del Gymnasium, Ferdinand Helmholtz, che aveva studiato filologia classica e filosofia, e che era un caro amico dell'editore e filosofo Immanuel Hermann Fichte. Il lavoro di Helmholtz è stato influenzato dalla filosofia di Johann Gottlieb Fichte e Immanuel Kant. Ha cercato di tracciare le loro teorie in questioni empiriche come la fisiologia.

Da giovane, Helmholtz era interessato alle scienze naturali, ma suo padre voleva che studiasse medicina. Helmholtz ha conseguito un dottorato in medicina presso il Medicinisch-chirurgisches Friedrich-Wilhelm-Institut  nel 1842 e ha svolto un tirocinio di un anno presso l'ospedale Charité perché c'era supporto finanziario per gli studenti di medicina.

Addestrato principalmente in fisiologia, Helmholtz ha scritto su molti altri argomenti, che vanno dalla fisica teorica, all'età della Terra, all'origine del Sistema Solare.

Posizioni universitarie

La prima posizione accademica di Helmholtz è stata come insegnante di Anatomia presso l'Academy of Arts di Berlino nel 1848. Si è poi trasferito per assumere una posizione di professore associato di fisiologia presso l'Università prussiana di Königsberg, dove è stato nominato nel 1849. Nel 1855 ha accettato una cattedra piena di anatomia e fisiologia presso l'Università di Bonn. Tuttavia, non era particolarmente felice a Bonn, e tre anni dopo si è trasferito all'Università di Heidelberg, in Baden, dove ha servito come professore di fisiologia. Nel 1871 ha accettato la sua posizione universitaria finale, come professore di fisica presso l'Università Humboldt di Berlino.

Ricerca

Meccanica

Il suo primo importante risultato scientifico, un trattato del 1847 sulla conservazione dell'energia, è stato scritto nel contesto dei suoi studi medici e della sua formazione filosofica. Il suo lavoro sulla conservazione dell'energia è nato mentre studiava il metabolismo muscolare. Ha cercato di dimostrare che nessuna energia viene persa nel movimento muscolare, motivato dall'implicazione che non c'erano forze vitali necessarie per muovere un muscolo. Questo è stato un rifiuto della tradizione speculativa della Naturphilosophie che era allora un paradigma filosofico dominante nella fisiologia tedesca.

Basandosi sul lavoro precedente di Sadi Carnot, Benoît Paul Émile Clapeyron e James Prescott Joule, ha postulato una relazione tra meccanica, calore, luce, elettricità e magnetismo trattandoli tutti come manifestazioni di una singola forza, o energia nella terminologia odierna. Ha pubblicato le sue teorie nel suo libro Über die Erhaltung der Kraft On the Conservation of Force, 1847.

Negli anni '50 e '60 dell'Ottocento, basandosi sulle pubblicazioni di William Thomson, Helmholtz e William Rankine hanno reso popolare l'idea della morte termica dell'universo.

In fluidodinamica, Helmholtz ha dato diversi contributi, inclusi i teoremi di Helmholtz per la dinamica dei vortici in fluidi non viscosi.

Fisiologia sensoriale

Helmholtz è stato un pioniere nello studio scientifico della visione e dell'udito umani. Ispirato dalla psicofisica, era interessato alle relazioni tra gli stimoli fisici misurabili e le loro corrispondenti percezioni umane. Ad esempio, l'ampiezza di un'onda sonora può essere variata, causando l'aumento o la diminuzione del volume del suono, ma un incremento lineare nell'ampiezza della pressione sonora non risulta in un incremento lineare nel volume percepito. Il suono fisico deve essere aumentato esponenzialmente affinché incrementi uguali sembrino lineari, un fatto che viene utilizzato negli attuali dispositivi elettronici per controllare il volume. Helmholtz ha aperto la strada negli studi sperimentali sulla relazione tra l'energia fisica della fisica e il suo apprezzamento della psicologia, con l'obiettivo di sviluppare "leggi psicofisiche".

La fisiologia sensoriale di Helmholtz è stata la base del lavoro di Wilhelm Wundt, uno studente di Helmholtz, che è considerato uno dei fondatori della psicologia sperimentale. Più esplicitamente di Helmholtz, Wundt ha descritto la sua ricerca come una forma di filosofia empirica e come uno studio della mente come qualcosa di separato. Helmholtz, nella sua prima ripudiazione della Naturphilosophie, aveva sottolineato l'importanza del materialismo, e era più focalizzato sull'unità della "mente" e del corpo.

Ottica oftalmologica

Nel 1851, Helmholtz ha rivoluzionato il campo dell'oftalmologia con l'invenzione dell'oftalmoscopio; uno strumento utilizzato per esaminare l'interno dell'occhio umano. Questo lo ha reso famoso in tutto il mondo dalla notte alla mattina. Gli interessi di Helmholtz in quel momento erano sempre più focalizzati sulla fisiologia dei sensi. La sua pubblicazione principale, intitolata Handbuch der Physiologischen Optik Handbook of Physiological Optics o Treatise on Physiological Optics, ha fornito teorie empiriche sulla percezione della profondità, la visione dei colori, e la percezione del movimento, e è diventata l'opera di riferimento fondamentale nel suo campo durante la seconda metà del diciannovesimo secolo. Nel terzo e ultimo volume, pubblicato nel 1867, Helmholtz ha descritto l'importanza delle inferenze inconsce per la percezione. L'Handbuch è stato tradotto per la prima volta in inglese sotto la redazione di James P. C. Southall per conto dell'Optical Society of America nel 1924–5. La sua teoria dell'accomodamento è rimasta incontestata fino al decennio finale del XX secolo.

Helmholtz ha continuato a lavorare per diversi decenni su diverse edizioni del manuale, aggiornando frequentemente il suo lavoro a causa della sua disputa con Ewald Hering che sosteneva opinioni opposte sulla visione spaziale e dei colori. Questa disputa ha diviso la disciplina della fisiologia durante la seconda metà dell'Ottocento.

Fisiologia nervosa

Nel 1849, mentre era a Königsberg, Helmholtz ha misurato la velocità con cui il segnale viene trasportato lungo una fibra nervosa. In quel momento la maggior parte delle persone credeva che i segnali nervosi viaggiassero lungo i nervi immisurabilmente velocemente. Ha utilizzato un nervo sciatico di una rana appena dissezionato e il muscolo del polpaccio a cui era attaccato. Ha usato un galvanometro come dispositivo di misurazione del tempo sensibile, attaccando uno specchio all'ago per riflettere un raggio di luce attraverso la stanza su una scala che ha dato una sensibilità molto maggiore. Helmholtz ha riportato velocità di trasmissione nell'intervallo di 24,6 – 38,4 metri al secondo.

Acustica ed estetica

Nel 1863, Helmholtz ha pubblicato Sensations of Tone, ancora una volta dimostrando il suo interesse nella fisica della percezione. Questo libro ha influenzato i musicologi fino al ventesimo secolo. Helmholtz ha inventato il risonatore di Helmholtz per identificare le varie frequenze o toni dei componenti di onde sinusoidali pure di suoni complessi contenenti molteplici toni.

Helmholtz ha mostrato che diverse combinazioni di risonatori potevano imitare i suoni delle vocali: Alexander Graham Bell in particolare era interessato a questo, ma, non essendo in grado di leggere il tedesco, ha frainteso i diagrammi di Helmholtz come il significato che Helmholtz aveva trasmesso molteplici frequenze via cavo, il che avrebbe permesso il multiplexing dei segnali telegrafici, mentre, in realtà, l'energia elettrica era usata solo per mantenere i risonatori in movimento. Bell non è riuscito a riprodurre quello che pensava avesse fatto Helmholtz, ma successivamente ha detto che, se avesse potuto leggere il tedesco, non avrebbe continuato a inventare il telefono sul principio del telegrafo armonico.

La traduzione di Alexander J. Ellis è stata pubblicata per la prima volta nel 1875; la prima edizione inglese era dalla terza edizione tedesca del 1870; la seconda edizione inglese di Ellis dalla quarta edizione tedesca del 1877 è stata pubblicata nel 1885; le edizioni inglesi terza e quarta del 1895 e 1912 erano ristampe della seconda.

Elettromagnetismo

Helmholtz ha studiato i fenomeni delle oscillazioni elettriche dal 1869 al 1871, e in una lezione tenuta alla Naturhistorisch-medizinischen Vereins zu Heidelberg Natural History and Medical Association of Heidelberg il 30 aprile 1869, intitolata On Electrical Oscillations, ha indicato che le oscillazioni elettriche smorzate percettibili in una bobina unita a una bottiglia di Leyden avevano una durata di circa 1/50 di secondo.

Nel 1871, Helmholtz si è trasferito da Heidelberg a Berlino per diventare professore di fisica. È diventato interessato all'elettromagnetismo, e l'equazione di Helmholtz è chiamata così in suo onore. Sebbene non abbia dato grandi contributi a questo campo, il suo studente Heinrich Rudolf Hertz è diventato famoso come il primo a dimostrare la radiazione elettromagnetica. Oliver Heaviside ha criticato la teoria elettromagnetica di Helmholtz perché permetteva l'esistenza di onde longitudinali. Basato sul lavoro sulle equazioni di Maxwell, Heaviside ha affermato che le onde longitudinali non potrebbero esistere nel vuoto o in un mezzo omogeneo. Heaviside non ha notato, tuttavia, che le onde elettromagnetiche longitudinali possono esistere al confine o in uno spazio chiuso.

Esiste persino un argomento con il nome "Helmholtz optics", basato sull'equazione di Helmholtz.

Citazioni

Colui che, nella ricerca della scienza, cerca l'immediata utilità pratica può stare tranquillo sapendo che cerca invano. — Academic Discourse Heidelberg 1862

Studenti e collaboratori

Altri studenti e collaboratori di ricerca di Helmholtz a Berlino includevano Max Planck, Heinrich Kayser, Eugen Goldstein, Wilhelm Wien, Arthur König, Henry Augustus Rowland, Albert A. Michelson, Wilhelm Wundt, Fernando Sanford e Michael I. Pupin. Leo Koenigsberger, che è stato suo collega dal 1869 al 1871 a Heidelberg, ha scritto la sua biografia definitiva nel 1902.

Onori e eredità

• Nel 1881, Helmholtz è stato eletto Fellow Onorario del Royal College of Surgeons in Ireland.
• Il 10 novembre 1881, gli è stata assegnata la Légion d'honneur: au grade de Commandeur, o Livello 3 – un grado senior. N. 2173.
• Nel 1883, il Professor Helmholtz è stato onorato dall'Imperatore, essendo elevato alla nobiltà, o Adel. L'Adelung significava che lui e la sua famiglia erano ora stilizzati: von Helmholtz. La distinzione non era una paria o un titolo, ma era ereditaria e conferiva un certo prestigio sociale.
• Helmholtz è stato conferito con l'Iscrizione Onoraria dell'Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland nel 1884.
• La più grande associazione tedesca di istituzioni di ricerca, l'Helmholtz Association, prende il nome da lui.
• L'asteroide 11573 Helmholtz e il cratere lunare Helmholtz così come il cratere Helmholtz su Marte sono stati nominati in suo onore.
• A Charlottenburg, Berlino, la strada Helmholtzstraße è chiamata così in onore di von Helmholtz.

Opere

• 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