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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 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 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 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 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 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 7:赫尔姆霍兹的雕像位于柏林洪堡大学前。
- 1873 年,赫尔姆霍兹当选为美国哲学会会员。\(^\text{[23]}\)
- 1881 年,他被选为爱尔兰皇家外科医学院名誉院士。\(^\text{[24]}\)
- 同年 11 月 10 日,他被授予法国荣誉军团勋章指挥官级别(三级军官勋章,第 2173 号)。
- 1883 年,赫尔姆霍兹教授受皇帝褒奖,被晋升为贵族,自此他和其家族可冠以 “冯” 字头,称作 “冯·赫尔姆霍兹”。这一荣耀虽非封爵或头衔,却具有世袭性质,并赋予其一定社会声望。
- 1884 年,赫尔姆霍兹被苏格兰工程师与造船师学会授予名誉会员称号。\(^\text{[25]}\)
- 德国最大的科研机构联盟——赫尔姆霍兹协会即以他命名。\(^\text{[3][26]}\)
- 小行星 11573 号 “Helmholtz”、月球上的赫尔姆霍兹环形山,以及火星上的赫尔姆霍兹撞击坑,均以他命名以示纪念。\(^\text{[27][28][29]}\)
- 在柏林夏洛滕堡区,有一条街道名为 “赫尔姆霍兹街”,以纪念冯·赫尔姆霍兹。\(^\text{[30]}\)
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
- 《论力的守恒》(Über die Erhaltung der Kraft,德文),莱比锡:Wilhelm Engelmann 出版社,1889 年。
- 《电磁光学理论讲义》(Vorlesungen über die elektromagnetische Theorie des Lichts,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1897 年。
- 《声学数学原理讲义》(Vorlesungen über die mathematischen Principien der Akustik,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1898 年。
- 《离散质点动力学讲义》(Vorlesungen über die Dynamik discreter Massenpunkte,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1898 年。
- 《连续分布质量的动力学》(Dynamik continuirlich verbreiteter Massen,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1902 年。
- 《热力学理论讲义》(Vorlesungen über die Theorie der Wärme,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1903 年。
- 《理论物理讲义》(Vorlesungen über Theoretische Physik,德文),莱比锡:Johann Ambrosius Barth 出版社,1903 年。
翻译作品
- 《论力的守恒》(On the Conservation of Force,1847 年),HathiTrust 提供。
- 《作为音乐理论生理基础的音调感觉学说》(Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik,法文),巴黎:Masson 出版社,1874 年。
- 赫尔曼·冯·亥姆霍兹(1876 年),“显微镜光学能力极限研究”,《每月显微镜杂志》(Monthly Microscopical Journal),第 16 卷,第 15–39 页。doi:10.1111/j.1365-2818.1876.tb05606.x
- 《通俗科学讲座》,纽约:Appleton 出版社,1885 年。
- 《论力的守恒》(1895 年版),卡尔斯鲁厄 1862–1863 年冬季系列讲座导论,英文翻译。
- 《作为音乐理论生理基础的音调感觉》,加州数字图书馆提供下载,基于 1877 年第四版德文版的第三版英文翻译,由赫尔曼·冯·亥姆霍兹与亚历山大·约翰·埃利斯合著,Longmans, Green 出版社,1895 年,576 页。
- 《作为音乐理论生理基础的音调感觉》,可通过 Google Books 下载,第四版英文译本,赫尔曼·冯·亥姆霍兹与亚历山大·约翰·埃利斯合著,Longmans, Green 出版社,1912 年,575 页。
- 《生理光学论》(Treatise on Physiological Optics,1910 年),三卷本,美国光学学会于 1924–1925 年翻译成英文。
- 《通俗科学讲座》,1885 年。
- 《通俗科学讲座·第二辑》,1908 年。
7. 参见
- 亥姆霍兹线圈
- 柏林人物列表
- 以赫尔曼·冯·亥姆霍兹命名的事物列表
- 新康德主义
- 色彩理论
8. 参考文献
引文
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资料来源
- Cahan, David.《赫尔姆霍兹:科学人生》。芝加哥大学出版社,2018 年。ISBN 978-0-226-48114-2。
- Cohen, Robert 与 Wartofsky, Marx(编、译)。《赫尔姆霍兹:认识论文集》。雷德尔出版社,1977 年。
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- Groundwater, Jennifer.《亚历山大·格雷厄姆·贝尔:发明精神》。卡尔加里:海拔出版公司,2005 年。ISBN 1-55439-006-0。
- Jackson, Myles W.《和谐三重奏:19 世纪德国的物理学家、音乐家与乐器制造者》。麻省理工学院出版社,2006 年。
- Kahl, Russell(编)。《赫尔姆霍兹文选》,卫斯理大学出版社,1971 年。
- Koenigsberger, Leo.《赫尔姆霍兹传》,Frances A. Welby 译。多佛出版社,1965 年。
- MacKenzie, Catherine.《亚历山大·格雷厄姆·贝尔》。蒙大拿州怀特菲什:凯辛格出版社,2003 年。ISBN 978-0-7661-4385-2。检索日期:2009 年 7 月 29 日。
- Shulman, Seth.《电话赌局:追踪贝尔的秘密》。纽约:诺顿公司,2008 年。ISBN 978-0-393-06206-9。
9. 延伸阅读
- 麦肯德里克,约翰·格雷,《赫尔曼·路德维希·斐迪南·冯·赫尔姆霍兹》,T. Fisher Unwin 出版社,1899 年。
- 科尼希斯伯格,利奥,《赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹》,牛津大学克拉伦登出版社,1906 年。
- 大卫·卡恩:《赫尔姆霍兹:一位科学人生》,芝加哥大学出版社,2018 年,ISBN 978-0-226-48114-2。
- 史蒂文·沙平,〈一个 “(几乎)万能” 的理论家〉,《纽约书评》,第 66 卷第 15 期(2019 年 10 月 10 日),第 29–31 页。书评对象:David Cahan 所著《赫尔姆霍兹:一位科学人生》(芝加哥大学出版社,2018 年,937 页,ISBN 978-0-226-48114-2)。
- 大卫·卡恩(编):《赫尔姆霍兹与十九世纪科学的基础》,加州大学出版社,1994 年,ISBN 978-0-520-08334-9。
- 格雷戈尔·谢曼:《赫尔姆霍兹的机械论:确定性的失落——一项关于从经典到现代自然哲学转型的研究》,多德雷赫特:施普林格出版社,2009 年,ISBN 978-1-4020-5629-1。
- 弗朗茨·维尔纳:《赫尔姆霍兹的海德堡岁月(1858–1871)》(= 海德堡市档案馆特别出版物第 8 号),附 52 幅插图,柏林/海德堡:施普林格出版社,1997 年。
- 肯尼斯·L·卡内瓦:《赫尔姆霍兹与能量守恒:创造与接受的语境》,麻省理工学院出版社,剑桥(马萨诸塞州),2021 年,ISBN 978-0-262-04573-5。
10. 外部链接
- 《赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹》(讣告),英国皇家学会,1894 年,《伦敦皇家学会会刊》,伦敦:泰勒与弗朗西斯印刷,第 xvii 页。
- “赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹”,斯坦福哲学百科全书,撰文:莉迪亚·帕顿
- “赫尔曼·路德维希·斐迪南·冯·赫尔姆霍兹教授博士”,FamilySearch 网站
- 奥康纳,约翰·J;罗伯逊,埃德蒙·F,“赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹”,圣安德鲁斯大学 MacTutor 数学史档案
- 马克斯·普朗克科学史研究所虚拟实验室中的传记、书目和数字文献资源
- 国际乐谱图书馆项目(IMSLP)上的赫尔姆霍兹作品免费乐谱(《关于音感的理论》)
- 赫尔姆霍兹(1867 年)《生理光学手册》——来自琳达·霍尔图书馆的数字影印本(2019 年 4 月 12 日存档)
- 数学世系项目中的赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹资料
- LibriVox 公共领域有声书平台上的赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹作品