赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)(综述)

                     

贡献者: 待更新

   本文根据 CC-BY-SA 协议转载翻译自维基百科相关文章

图
图 1

   赫尔曼·路德维希·费迪南德·冯·亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,/ˈhɛlmhoʊlts/;德语:[ˈhɛʁman fɔn ˈhɛlmˌhɔlts];1821 年 8 月 31 日-1894 年 9 月 8 日,自 1883 年起冠以 “冯(von)” 的贵族头衔)是一位德国物理学家和医生,在多个科学领域作出了重要贡献,尤其以流体动力学稳定性理论而闻名 \(^\text{[2]}\)。以他命名的亥姆霍兹协会是德国最大的科研机构联合体 \(^\text{[3]}\)。

   在生理学和心理学领域,亥姆霍兹以其关于眼睛的数学研究、视觉理论、空间视觉感知的观点、色觉研究、音调感觉与听觉感知理论,以及对感知生理学中经验主义的探讨而著称。在物理学中,他以能量守恒定律、电双层理论、电动力学、化学热力学,以及热力学的力学基础研究而闻名。尽管能量守恒原则的发展也归功于尤利乌斯·冯·迈尔、詹姆斯·焦耳和丹尼尔·伯努利等人,但亥姆霍兹被认为是第一个以最一般形式提出能量守恒原理的人 \(^\text{[4]}\)。

   作为哲学家,亥姆霍兹以其科学哲学、关于知觉规律与自然规律之间关系的见解、美学科学思想,以及关于科学的文明力量等理念而受到关注。到 19 世纪末,亥姆霍兹发展出一种广义的康德方法论,包括对知觉空间中可能取向的先验确定,这不仅激发了对康德的新解读 \(^\text{[4]}\),也对现代后期的新康德主义哲学运动产生了重要影响 \(^\text{[5]}\)。

1. 生平

早年经历

   亥姆霍兹出生于波茨坦,是当地文理中学校长费迪南德·亥姆霍兹的儿子。父亲曾学习古典语言学和哲学,是出版人兼哲学家伊曼努尔·赫尔曼·费希特(的密友。亥姆霍兹的研究受到约翰·戈特利布·费希特和伊曼努尔·康德哲学思想的影响,他尝试在诸如生理学等经验领域中追溯这些理论的体现。

   年轻时,亥姆霍兹对自然科学兴趣浓厚,但父亲希望他学习医学。1842 年,亥姆霍兹在柏林的腓特烈-威廉医学外科研究院获得医学博士学位,并在夏里特医院完成为期一年的实习 \(^\text{[6]}\)(因为医学专业提供财政资助)。

   虽然主要接受的是生理学训练,亥姆霍兹却在许多其他主题上都有著述,从理论物理学到地球年龄的估计,再到太阳系的起源等问题。

大学任职

   1848 年,亥姆霍兹的第一份学术职务是在柏林艺术学院担任解剖学教师 \(^\text{[7]}\)。随后,他于 1849 年在普鲁士的哥尼斯堡大学被任命为生理学副教授。1855 年,他接受了波恩大学的全职解剖学与生理学教授职位。然而,他在波恩并不特别满意,三年后调任至巴登的海德堡大学,担任生理学教授。1871 年,他接受了最后一个大学职位,在柏林的腓特烈·威廉大学(今柏林洪堡大学)担任物理学教授。

2. 研究工作

亥姆霍兹

   力学

   亥姆霍兹的第一项重要科学成就,是他于 1847 年撰写的一篇关于能量守恒的论文。这项工作是在其医学研究和哲学背景的语境中完成的。他对能量守恒的研究起初源于对肌肉代谢的探索,试图证明肌肉运动过程中并没有能量的损失,其动机在于说明肌肉的运动不需要任何 “生命力” 来驱动。这是对当时在德国生理学中占主导地位的自然哲学(Naturphilosophie)和生命力论等投机哲学传统的直接否定。他反对一些生命力论者提出的观点——即 “生命力” 可以无限地驱动一台机器 \(^\text{[4]}\)。

   在此前萨迪·卡诺、贝努瓦-保罗·埃米尔·克拉佩龙和詹姆斯·普雷斯科特·焦耳等人的研究基础上,亥姆霍兹提出了一个假设,认为力学、热、光、电和磁都是单一 “力” 的表现形式——用今天的术语来说,即 “能量”。他在其著作《论力的守恒》(Über die Erhaltung der Kraft, 1847)中发表了这一理论 \(^\text{[8]}\)。

   在 19 世纪 50 至 60 年代,亥姆霍兹与威廉·汤姆森(后来的开尔文勋爵)及威廉·兰金基于前者的出版物,共同推广了 “宇宙热寂” 这一概念。

   在流体动力学方面,亥姆霍兹也作出多项贡献,包括在无粘性流体中提出的 “亥姆霍兹涡旋定理”。

感官生理学

图
图 2:亥姆霍兹的多音调汽笛,格拉斯哥亨特博物馆。

   亥姆霍兹是人类视觉和听觉科学研究的先驱之一。他受到心理物理学的启发,致力于探索可测量的物理刺激与其对应的人类感知之间的关系。例如,通过改变声波的振幅可以使声音听起来更响或更轻,但声音压力振幅的线性增加并不会引起听感上的线性变化。为了使感知到的响度以线性方式变化,声音的物理强度必须以指数方式增加,这一事实如今已广泛应用于电子设备的音量控制之中。亥姆霍兹在实验研究物理能量(物理学)与其感知(心理学)之间关系方面开辟了道路,目标是建立 “心理物理定律”。

   亥姆霍兹的感官生理学研究为其学生威廉·冯特(Wilhelm Wundt)的工作奠定了基础,冯特被认为是实验心理学的奠基人之一。与亥姆霍兹相比,冯特更明确地将自己的研究描述为经验哲学的一种形式,并将其作为对 “心灵” 这一独立存在的研究。早年在反对自然哲学时,亥姆霍兹强调唯物主义的重要性,更多地关注 “心灵” 与身体之间的统一关系 \(^\text{[9]}\)。

图
图 3:1848 年的亥姆霍兹

眼科光学

   1851 年,亥姆霍兹发明了检眼镜,彻底革新了眼科学领域。检眼镜是一种用来检查人眼内部的仪器,这一发明使他一夜成名。那时,亥姆霍兹的研究兴趣日益集中在感官生理学上。他的主要著作《生理光学手册》(德语原名 Handbuch der Physiologischen Optik,英文常译为 Handbook of Physiological Optics 或 Treatise on Physiological Optics,第三卷的英文译本见[此处](https://archive.org/details/physiologicalopt03helmrich)),提出了关于深度知觉、颜色视觉和运动知觉的经验性理论,并在 19 世纪后半叶成为该领域的基础性参考著作。在 1867 年出版的第三卷也是最后一卷中,亥姆霍兹阐述了 “无意识推理” 在知觉中的重要性。该手册首次被翻译成英文是在 1924–1925 年,由詹姆斯·P·C·索思奥尔代表美国光学学会主编。 他的调节理论(眼睛如何聚焦)在 20 世纪最后十年之前一直没有受到挑战。

   在此后的几十年中,亥姆霍兹不断修订和完善这部手册,多次出版新版。他与持有相反观点的埃瓦尔德·黑林在空间视觉与色觉方面存在激烈争论,这场争论也使得 19 世纪下半叶的生理学界分裂成两个阵营。

神经生理学

   1849 年,亥姆霍兹在柯尼斯堡工作期间,测量了神经纤维中信号传导的速度。当时大多数人认为神经信号的传播快得无法测量。亥姆霍兹使用了刚解剖出来的青蛙坐骨神经和与之相连的小腿肌肉,并使用检流计作为灵敏的计时装置:他在指针上安装了一面小镜子,用来反射光束到房间对面的刻度尺上,从而极大提高了灵敏度。亥姆霍兹报告称 \(^\text{[11][12]}\),神经信号传导速度在 24.6 至 38.4 米/秒之间 \(^\text{[10]}\)。

声学与美学

图
图 4:冯·亥姆霍兹的最后一张照片,拍摄于他病倒前三天。

   1863 年,亥姆霍兹出版了《音调的感觉》,再次展现了他对感知物理学的浓厚兴趣。这本书对 20 世纪的音乐学家产生了深远影响。为了识别复杂声音中包含的多个纯正正弦波成分的不同频率或音高,亥姆霍兹发明了亥姆霍兹共鸣器 \(^\text{[13]}\)。

   亥姆霍兹发现,不同组合的共鸣器可以模拟元音的声音:亚历山大·格拉汉姆·贝尔对此尤其感兴趣,但由于他不会阅读德语,误解了亥姆霍兹的图示,认为亥姆霍兹已通过电线传输多个频率——这将实现电报信号的多路复用。实际上,电能仅用于维持共鸣器的振动。贝尔未能重现他以为亥姆霍兹已完成的实验,但他后来表示,如果当时能读懂德文,他就不会根据 “谐波电报” 原理发明电话了 \(^\text{[14][15][16][17]}\)。

   亥姆霍兹于 1881 年的肖像,由路德维希·克瑙斯绘制。

   亚历山大·J·埃利斯翻译的英文版首次出版于 1875 年(根据 1870 年第三版德文原作);埃利斯根据 1877 年第四版德文原作的第二版英译本则于 1885 年出版;1895 年和 1912 年的第三、第四版英文版为第二版的重印 \(^\text{[18]}\)。

电磁学

图
图 5:赫尔姆霍兹共鸣器(i)及其仪器设备

   赫尔姆霍兹在 1869 年至 1871 年间研究了电振荡,并于 1869 年 4 月 30 日在海德堡自然历史与医学协会发表题为《论电振荡》的讲座中指出:当线圈与莱顿瓶连接时,所能察觉到的阻尼电振荡持续时间约为 1/50 秒 \(^\text{[19]}\)。

图
图 6:1881 年的赫尔姆霍兹,路德维希·瑙斯所绘肖像

   1871 年,赫尔姆霍兹从海德堡迁往柏林,出任物理学教授。他开始对电磁学产生兴趣,后来的赫尔姆霍兹方程便以他的名字命名。尽管他在这一领域并未做出重大贡献,但他的学生海因里希·鲁道夫·赫兹因首次实验证明了电磁辐射而闻名。

   奥利弗·赫维赛德曾批评赫尔姆霍兹的电磁理论,认为其允许纵波的存在是不合理的。赫维赛德基于对麦克斯韦方程的研究断言,在真空或均匀介质中不可能存在电磁纵波。然而他并未指出,在边界处或封闭空间中,电磁纵波是可以存在的 \(^\text{[20]}\)。

3. 哲学

   赫尔姆霍兹在生理学与力学领域的科学研究,使他在科学哲学方面也声名显赫,特别是他关于知觉定律与自然法则之间关系的思想,以及他对欧几里得几何作为唯一可能的几何科学的否定 \(^\text{[21]}\)。

   他的科学哲学在某种程度上游移于经验主义和先验主义之间【22】。尽管后者常被视为偏重于思辨,他的科学哲学却深受数学物理的影响,用以取代生命力论并阐明能量守恒的一般原理 \(^\text{[4]}\)。

   他否认欧几里得几何是唯一可能的空间科学,这一点对于理解他对康德空间哲学的重构至关重要。康德的哲学原本主张欧几里得几何是物理空间的独特先验科学,而赫尔姆霍兹则引入了空间先验性的新观念:即在感知空间中确定可能取向的多样体。这些发展激发了对康德哲学的新解读 \(^\text{[4]}\),并推动了现代晚期新康德主义哲学运动的兴起。

4. 学生与同事

   赫尔姆霍兹在柏林的其他学生与研究伙伴包括:马克斯·普朗克、海因里希·凯泽、欧根·戈尔德施泰因、威廉·维恩、阿图尔·克尼希、亨利·奥古斯都·罗兰、阿尔伯特·迈克耳孙、威廉·冯特、费尔南多·桑福德、阿瑟·戈登·韦伯斯特,以及迈克尔·伊万诺维奇·普平。与他于 1869 年至 1871 年在海德堡共事的利奥·柯尼希斯伯格于 1902 年撰写了他的权威传记。

5. 荣誉与遗产

图
图 7:赫尔姆霍兹的雕像位于柏林洪堡大学前。
图
图 8:授予赫尔姆霍兹(在首页列出)的法国荣誉军团勋章的法令

6. 作品

翻译作品

7. 参见

8. 参考文献

引文

  1. David Cahan (1993).《赫尔曼·冯·亥姆霍兹与十九世纪科学的基础》,加利福尼亚大学出版社,第 198 页,ISBN 978-0-520-08334-9。
  2. Bobba, Kumar Manoj (2004 年 1 月 1 日).《稳健流动稳定性:近壁湍流中的理论、计算与实验》(学位论文),Bibcode:2004PhDT.......158B。
  3. “这位兼具实践感的博学者”,德国亥姆霍兹联合会官网,检索日期:2024 年 10 月 4 日。
  4. Patton, Lydia. “赫尔曼·冯·亥姆霍兹”,2008 年,*斯坦福哲学百科全书*。
  5. Heis, Jeremy (2018). “新康德主义”,斯坦福哲学百科全书,检索日期:2024 年 10 月 6 日。该运动受到多位哲学家的启发,主要包括库诺·费舍尔(Fischer 1860)、赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Helmholtz 1867, 1878)、弗里德里希·朗格(Lange 1866)、奥托·李布曼(Liebmann 1865)和爱德华·策勒(Zeller 1862)——这些人于十九世纪中叶提倡回归康德哲学,以对抗思辨形而上学和唯物主义(参见 Beiser 2014b)。
  6. R. S. Turner,《在眼中的心灵:视觉与亥姆霍兹-黑林之争》,普林斯顿大学出版社,2014 年,第 36 页。
  7. 《爱丁堡皇家学会前院士传记索引 1783–2002》,PDF 格式,爱丁堡皇家学会,2006 年 7 月,ISBN 0-902198-84-X;原 PDF 于 2013 年 1 月 24 日存档,检索日期:2016 年 10 月 21 日。
  8. 英文译本载于《科学文集:从外国科学院和外国期刊中选编的自然哲学论文》(1853 年),第 114 页,由约翰·丁道尔翻译。见 Google Books, HathiTrust。
  9. Peter J. Bowler 和 Iwan Rhys Morus (2005).《构建现代科学:一项历史考察》,芝加哥大学出版社,第 177 页,ISBN 978-0-226-06861-9。
  10. Ian Glynn (2010).《科学的优雅》,牛津大学出版社,第 147–150 页,ISBN 978-0-19-957862-7。
  11. 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 (1850)。《关于神经刺激传播速度的初步报告》。载于:《解剖学、生理学与科学医学档案》。柏林:Veit & Comp.,第 71–73 页。柏林马克斯·普朗克科学史研究所(MPIWG)
  12. 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 (1850)。《关于动物肌肉收缩的时间进程及神经中刺激传播速度的测量》。载于:《解剖学、生理学与科学医学档案》。柏林:Veit & Comp.,第 276–364 页。MPIWG 柏林
  13. 冯·亥姆霍兹,赫尔曼 (1885)。《作为音乐理论生理基础的音调感觉》。亚历山大·J·埃利斯(Alexander J. Ellis)译(第二版英文)。伦敦:朗文·格林公司,第 44 页。检索日期:2010 年 10 月 12 日。
  14. 《PBS 美国传奇:电话——关于贝尔的更多信息》。PBS。原文于 2000 年 5 月 11 日存档。
  15. MacKenzie 2003,第 41 页。
  16. Groundwater 2005,第 31 页。
  17. Shulman 2008,第 46–48 页。
  18. 赫尔曼·L·F·亥姆霍兹医学博士 (1912)。《作为音乐理论生理基础的音调感觉》(第四版)。朗文·格林公司。ISBN 9781419178931。
  19. 科尼希斯伯格,利奥 (2018 年 3 月 28 日)。《赫尔曼·冯·亥姆霍兹》。牛津:克拉伦登出版社。ISBN 978-0-486-21517-4。检索日期:2018 年 3 月 28 日 – 来源:Google Books。
  20. 约翰·D·杰克逊,《经典电动力学》,ISBN 0-471-30932-X。
  21. 赫尔曼·冯·亥姆霍兹 (1977)。《论几何公理的起源与意义》。载于:《认识论著作集》,波士顿科学哲学研究丛书,第 37 卷,第 1–38 页。doi:10.1007/978-94-010-1115-0_1。ISBN 978-90-277-0582-2。检索日期:2024 年 10 月 13 日。
  22. Liesbet De Kock (2018)。《亥姆霍兹 “差异心理学” 的历史化》。载于:《分析哲学史杂志》,第 6 卷第 3 期。doi:10.15173/jhap.v6i3.3432。hdl:1854/LU-8552480。S2CID 187618324。检索日期:2022 年 1 月 1 日。关于赫尔曼·冯·亥姆霍兹在其整体科学哲学及感知理论中,在经验主义与先验主义之间的摇摆,是科学史与科学哲学中备受争议并被充分记录的主题。
  23. “美国哲学学会会员记录”。search.amphilsoc.org。检索日期:2021 年 5 月 3 日。
  24. “自 1784 年以来的爱尔兰皇家外科医学院荣誉院士”。爱尔兰家谱项目,2013 年。原文于 2018 年 2 月 3 日存档。检索日期:2016 年 8 月 4 日。
  25. “荣誉会员与院士名单”。苏格兰工程师与造船师协会。
  26. “亥姆霍兹协会网站 “关于我们” 页面中名称历史”。原文于 2012 年 4 月 14 日存档。检索日期:2012 年 4 月 30 日。
  27. “11573 号小行星亥姆霍兹(1993 SK3)”。小行星中心。检索日期:2018 年 2 月 2 日。
  28. “月球上的亥姆霍兹撞击坑”。行星命名公报,美国地质调查局天体地质研究项目。
  29. “火星上的亥姆霍兹撞击坑”。行星命名公报,美国地质调查局天体地质研究项目。
  30. “亥姆霍兹街”。berlin.de,2014 年 9 月 21 日。检索日期:2018 年 7 月 18 日。

资料来源

9. 延伸阅读

10. 外部链接

                     

© 保留一切权利