هرمان فون هلمهولتز، نام اصلی هرمان لودویگ فردیناند هلمهولتز، (زاده 31 اوت 1821، پوتسدام، پروس [آلمان] – درگذشت 8 سپتامبر 1894، شارلوتنبورگ، برلین، آلمان)، دانشمند و فیلسوف آلمانی که در زمینه فیزیولوژی و اپتیک کمک های اساسی کرد. ، الکترودینامیک، ریاضیات و هواشناسی نیز از زمینه های فعالیت او بود. برای خواندن ادامه مقاله با مجله علمی آندرومدامگ همراه باشید.
او بیشتر به دلیل بیان قانون بقای انرژی شناخته شده است. او توانایی تجزیه و تحلیل مفروضات فلسفی را که بیشتر علم قرن نوزدهم بر آن استوار بود، به تحقیقات آزمایشگاهی خود آورد و این کار را با وضوح انجام داد.
اوایل زندگی
هلمهولتز بزرگترین فرزند از چهار فرزند بود و به دلیل سلامتی ظریفش در هفت سال اول زندگی‌اش در خانه محبوس بود. پدرش معلم فلسفه و ادبیات در ورزشگاه پوتسدام بود و مادرش از نسل ویلیام پن، بنیانگذار پنسیلوانیا بود. آرامشی که در تمام زندگی او را تحت تاثیر قرار داده بود از مادرش سرچشمه می گرفت. از پدرش میراث فکری غنی را به ارث بوده بود. زبان های کلاسیک و همچنین فرانسوی، انگلیسی و ایتالیایی را به او آموخت. او همچنین او را با فلسفه امانوئل کانت و یوهان گوتلیب فیشته و رویکرد به طبیعت که برخاسته از بینش فلسفی آنهاست، آشنا کرد. این «فلسفه طبیعت»، در دستان محققین اوایل قرن نوزدهم، به یک علم نظری تبدیل شد که در آن احساس می‌شد که نتایج علمی را می‌توان از ایده‌های فلسفی استنتاج کرد، نه از داده‌های تجربی جمع‌آوری‌شده از مشاهدات جهان طبیعی را شامل می شود. بیشتر کارهای بعدی هلمهولتز به رد این دیدگاه اختصاص داشت. با این حال، تجربه گرایی او همیشه عمیقاً تحت تأثیر حساسیت زیبایی شناختی بود که پدرش به او منتقل کرد و موسیقی و نقاشی نقش بزرگی در علم او داشتند.
هلمهولتز پس از فارغ التحصیلی ازجیمنیزیوم در سال 1838 وارد مؤسسه پزشکی فردریش ویلهلم در برلین شد و در آنجا تحصیلات پزشکی رایگان دریافت کرد به شرط اینکه هشت سال به عنوان پزشک ارتش خدمت کند. در موسسه زیر نظر بزرگترین فیزیولوژیست آلمانی آن روز، یوهانس مولر، تحقیق کرد. او در سخنرانی‌های فیزیک شرکت کرد، کتاب‌های استاندارد ریاضیات عالی را طی کرد و نواختن پیانو را با مهارتی آموخت که بعداً به او در کار بر روی احساس لحن کمک کرد.
هلمهولتز پس از فارغ التحصیلی از دانشکده پزشکی در سال 1843 به یک هنگ در پوتسدام منصوب شد. چون وظایف ارتشش کم بود، آزمایشاتی را در آزمایشگاه موقتی که در پادگان راه اندازی کرده بود انجام داد. در آن زمان او همچنین با اولگا فون ولتن، دختر یک جراح نظامی ازدواج کرد. دیری نپایید که استعدادهای علمی آشکار هلمهولتز منجر به رهایی او از وظایف نظامی شد. در سال 1848 او به عنوان دستیار در موزه آناتومیک و مدرس آکادمی هنرهای زیبا در برلین منصوب شد و سال بعد به کونیگزبرگ در شرق پروس (کالینینگراد کنونی) نقل مکان کرد تا استادیار و مدیر مؤسسه فیزیولوژیک شود. اما آب و هوای سخت کونیگزبرگ برای سلامتی همسرش مضر بود و در سال 1855 استاد آناتومی و فیزیولوژی در دانشگاه بن شد و در سال 1858 به هایدلبرگ نقل مکان کرد. در این سالها علایق علمی او از فیزیولوژی به فیزیک پیشرفت کرد. رشد علمی او در سال 1871 با پیشنهاد استادی فیزیک در دانشگاه برلین شناخته شد. در سال 1882، با ارتقاء او به اشراف. و در سال 1888 با انتصاب او به عنوان اولین مدیر مؤسسه فیزیک و فنی در برلین، سمتی را که تا پایان عمر حفظ کرد.
تنوع پست‌هایی که او داشت نشان‌دهنده علایق و شایستگی‌های اوست، اما نشان‌دهنده روشی نیست که ذهن او در آن کار می‌کرد. او در پزشکی شروع نکرد، به فیزیولوژی رفت، سپس به ریاضیات و فیزیک رفت. بلکه می‌توانست بینش‌هایی را که از تجربه‌اش در این رشته‌ها به‌دست آورده بود، هماهنگ کند و آنها را در هر مسئله‌ای که بررسی می‌کرد به کار گیرد. بزرگترین اثر او، کتاب راهنمای اپتیک فیزیولوژیکی (1867) – مانند همه آثار علمی او – با بینش فلسفی دقیق، ساخته شده توسط تحقیقات دقیق فیزیولوژیکی، و با دقت ریاضی و اصول فیزیکی درست نشان داده شده است.
مضمون کلی که در اکثر آثار هلمهولتز وجود دارد، اگر نگوییم همه، ممکن است در رد فلسفه طبیعت جستجو شود، و خشونت ناشی از رد این دیدگاه اغواکننده از جهان ممکن است به خوبی نشان دهنده جذابیت اولیه ای باشد که برای او داشته است. فلسفه طبیعت برگرفته از کانت است که در دهه 1780 پیشنهاد کرده بود که مفاهیم زمان، مکان و علیت محصول تجربه حسی نیستند، بلکه ویژگی های ذهنی هستند که به وسیله آنها می توان جهان را درک کرد. بنابراین، همانطور که تجربه گرایان اصرار داشتند، ذهن صرفاً نظم را در طبیعت ثبت نمی کرد. بلکه ذهن عالم ادراکات را سامان داد تا با انعکاس عقل الهی، نظام جهان را از چند اصل اساسی استنباط کند. هلمهولتز با اصرار بر اینکه همه دانش از طریق حواس به دست می آید با این دیدگاه مخالفت کرد. علاوه بر این، تمام علم را می‌توان و باید به قوانین مکانیک کلاسیک تقلیل داد، که به نظر او ماده، نیرو و بعداً انرژی، به عنوان کل واقعیت را در بر می‌گرفت.
رویکرد هلمهولتز به طبیعت در اولین تحقیقات علمی که او در حین کار برای دکترای خود در آزمایشگاه مولر انجام داد مشهود بود. مانند بسیاری از زیست شناسان، مولر حیات گرا بود که متقاعد شده بود که هرگز نمی توان فرآیندهای زنده را به قوانین مکانیکی معمولی فیزیک و شیمی تقلیل داد. او اصرار داشت که ارگانیسم در کل از مجموع اجزای فیزیولوژیکی آن بزرگتر است. باید نیروی حیاتی وجود داشته باشد که عملکرد فیزیولوژیکی اندام ها را برای ایجاد رفتار ارگانیک هماهنگ که مشخصه موجود زنده است، هماهنگ کند. چنین نیروی حیاتی مستعد بررسی تجربی نبود و مولر به این نتیجه رسید که فیزیولوژی آزمایشی واقعا غیرممکن است.
هلمهولتز در آزمایشگاه مولر با گروهی از مردان جوان ملاقات کرد که در میان آنها امیل هاینریش دوبوآریموند، بنیانگذار فیزیولوژی عصبی تجربی، و ارنست ویلهلم فون بروکه، که بعداً در عملیات چشم انسان متخصص شد، بودند. Du Bois-Reymond مخالفت خود را با نظرات مولر در بیانیه ای که کاملاً موضع هلمهولتز را بیان می کرد، ابراز کرد. دو بوآ ریموند نوشت: «بروکه و من، ما با یکدیگر سوگند یاد کرده‌ایم که این حقیقت اساسی را تأیید کنیم که در یک موجود زنده هیچ نیروی دیگری جز نیروهای فیزیکوشیمیایی رایج تأثیری ندارد».
با این نگرش بود که هلمهولتز پایان نامه دکترای خود را در سال 1842 در مورد ارتباط بین رشته های عصبی و سلول های عصبی آغاز کرد. این به زودی او را به یک حوزه تحقیقاتی گسترده تر، یعنی منبع گرمای حیوانات سوق داد. انتشارات اخیر در فرانسه این ادعای مطمئن قبلی را که تمام گرمای تولید شده در بدن یک حیوان نتیجه گرمای ترکیب عناصر شیمیایی مختلف، به ویژه کربن، هیدروژن و اکسیژن است، مورد تردید قرار داده بود. در سال 1842، یوستوس فون لیبیگ تلاش کرد تا نظریه مکانیکی گرمای حیوانات را در کتاب شیمی حیوانی خود بازگرداند. یا، شیمی آلی در کاربرد آن در فیزیولوژی و آسیب شناسی. لیبیگ سعی کرد این کار را با آزمایش انجام دهد، در حالی که هلمهولتز مسیر بسیار کلی تری را در پیش گرفت. هلمهولتز با تسلط بر فیزیک و ریاضیات، می‌توانست کاری را انجام دهد که هیچ فیزیولوژیست دیگری در آن زمان حتی نمی‌توانست انجام دهد – مسئله را در معرض تجزیه و تحلیل ریاضی و فیزیکی قرار دهد. او فرض می کرد که اگر گرمای حیاتی مجموع تمام گرمای مواد درگیر در واکنش های شیمیایی درون بدن آلی نباشد، باید منبع دیگری از گرما وجود داشته باشد که تابع قوانین فیزیکی نباشد. این، البته، دقیقاً همان چیزی بود که حیات گرایان استدلال می کردند. اما هلمهولتز ادامه داد، چنین منبعی اجازه ایجاد یک ماشین حرکت دائمی را می دهد اگر گرما بتواند به نحوی مهار شود. با این حال، فیزیک در اوایل سال 1775، زمانی که آکادمی علوم پاریس خود را در مورد این سؤال اعلام کرده بود، امکان وجود یک ماشین حرکت دائمی را رد کرده بود. از این رو هلمهولتز نتیجه گرفت که گرمای حیاتی باید حاصل نیروهای مکانیکی درون ارگانیسم باشد. از آنجا او نتایج خود را تعمیم داد و بیان کرد که تمام گرما مربوط به نیروهای معمولی است و در نهایت بیان کرد که خود نیرو هرگز نمی تواند از بین برود. مقاله او “درباره حفظ نیرو” که در سال 1847 منتشر شد، دوره ای را در تاریخ فیزیولوژی و تاریخ فیزیک رقم زد. برای فیزیولوژی، بیانیه ای اساسی در مورد طبیعت آلی ارائه کرد که از این پس به فیزیولوژیست ها اجازه می داد تا همان نوع تعادل مواد و انرژی را مانند همکاران خود در فیزیک و شیمی انجام دهند. برای علوم فیزیکی، یکی از اولین و مطمئناً واضح ترین اظهارات اصل بقای انرژی را ارائه کرد.
هلمهولتز در سال 1850 میخ دیگری به تابوت حیات گرایی کوبید. مولر از تکانه عصبی به عنوان مثالی از عملکرد حیاتی استفاده کرده بود که هرگز به اندازه‌گیری آزمایشی ارائه نمی‌شد. هلمهولتز دریافت که این تکانه کاملاً قابل اندازه‌گیری است و سرعت بسیار پایینی در حدود 90 فوت (27 متر) در ثانیه دارد. (این اندازه گیری با اختراع مایوگرافی به دست آمد و توانایی هلمهولتز در ایجاد ابزارهای جدید را نشان می دهد.) کندی تکانه عصبی بیشتر از کسانی حمایت می کند که اصرار داشتند باید شامل بازآرایی مولکول های قابل تأمل باشد، نه عبور مرموز یک نیروی حیاتی. .
در میان ارزشمندترین اختراعات هلمهولتز، افتالموسکوپ و چشم‌سنج (یا کراتومتر) بودند که هر دو در سال 1851 ساخته شدند. هلمهولتز دریافت که می تواند نور منعکس شده از شبکیه چشم را متمرکز کند تا تصویری واضح از بافت ایجاد کند. افتالموسکوپ یکی از مهم‌ترین ابزار پزشک است که می‌تواند از آن برای بررسی رگ‌های خونی شبکیه استفاده کند که از آن سرنخ‌هایی از فشار خون بالا و بیماری‌های شریانی مشاهده می‌شود. چشم‌سنج امکان اندازه‌گیری میزان تطابق چشم با شرایط نوری در حال تغییر را فراهم می‌کند و از جمله موارد دیگر، امکان تجویز صحیح عینک را فراهم می‌کند.
تحقیقات هلمهولتز در مورد چشم در کتاب راهنمای اپتیک فیزیولوژیکی او گنجانده شد که جلد اول آن در سال 1856 منتشر شد. در جلد دوم (1867)، هلمهولتز به بررسی بیشتر ظواهر نوری پرداخت و مهمتر از آن، با یک مشکل فلسفی برخورد کرد که این بود. تا چند سال او را به خود مشغول کند – اصرار کانت بر این که مفاهیم اساسی مانند زمان و مکان با تجربه آموخته نشده اند، بلکه توسط ذهن برای درک آنچه ذهن درک می شود ارائه شده است. این مشکل با بیانیه مولر در مورد آنچه او قانون انرژی های عصبی خاص می نامید، بسیار پیچیده شده بود. مولر کشف کرد که اندام های حسی بدون توجه به اینکه چگونه تحریک می شوند همیشه حس خود را “گزارش” می کنند. بنابراین، برای مثال، ضربه‌ای به چشم، که هیچ ربطی به پدیده‌های نوری ندارد، باعث می‌شود گیرنده «ستاره‌ها» را ببیند. بدیهی است که چشم به طور دقیق از دنیای بیرون گزارش نمی کند، زیرا واقعیت ضربه است، نه ستاره ها. پس چگونه می توان به آنچه حواس درباره جهان خارج گزارش می دهند اطمینان داشت؟ هلمهولتز این پرسش را به طور کامل هم در کار خود در مورد اپتیک و هم در اثر استادانه خود در مورد احساس لحن به عنوان مبنای فیزیولوژیکی برای نظریه موسیقی (1863) بررسی کرد. کاری که او بدون موفقیت کامل انجام داد، ردیابی احساسات از طریق اعصاب حسی و ساختارهای تشریحی (مانند گوش داخلی) به مغز بود، به این امید که مکانیسم کامل حس را آشکار کند. شاید بتوان گفت که این کار تکمیل نشده است و فیزیولوژیست ها هنوز درگیر حل معمای این هستند که چگونه ذهن از دنیای بیرون چیزی می داند.
بررسی دقیق هلمهولتز در مورد بینایی به او اجازه داد تا با نشان دادن اینکه چگونه حس بینایی ایده فضا را ایجاد می کند، نظریه فضا را رد کند. به گفته هلمهولتز، فضا یک مفهوم آموخته شده بود، نه یک مفهوم ذاتی. علاوه بر این، هلمهولتز همچنین به اصرار کانت مبنی بر اینکه فضا لزوماً سه بعدی است، حمله کرد، زیرا ذهن باید آن را تصور کند. او با استفاده از استعدادهای ریاضی قابل توجه خود، ویژگی های فضای غیر اقلیدسی را بررسی کرد و نشان داد که می توان آنها را به راحتی هندسه سه بعدی تصور کرد و با آنها کار کرد.
استعدادهای هلمهولتز در ریاضیات محدود به سطوح نظری مانند هندسه نااقلیدسی نبود. او به معادلاتی حمله کرد و معادلاتی را حل کرد که مدتها فیزیکدانان و ریاضیدانان را ناامید کرده بود. او در سال 1858 مقاله “در مورد انتگرال معادلات هیدرودینامیکی که حرکات گردابی مطابقت دارند” منتشر کرد. این نه تنها یک گشت و گذار ریاضی بود، بلکه برای مدت کوتاهی به نظر می رسید که کلیدی برای ساختار بنیادی ماده باشد. یکی از پیامدهایی که از تجزیه و تحلیل ریاضی هلمهولتز ناشی شد این بود که گرداب های یک سیال ایده آل به طرز شگفت انگیزی پایدار بودند. آنها می توانند به طور کشسانی با یکدیگر برخورد کنند، در هم تنیده شوند تا ساختارهای گره مانند پیچیده ای را تشکیل دهند، و تحت تنش و فشار قرار گیرند، همه بدون از دست دادن هویت خود. در سال 1866 ویلیام تامسون (بعدها لرد کلوین) پیشنهاد کرد که این گرداب ها، اگر از اتری تشکیل شده باشند که به نظر می رسد مبنایی برای پدیده های نوری، الکتریکی و مغناطیسی است، می توانند دقیقاً مانند اتم های اولیه ماده جامد عمل کنند. بنابراین اتر به تنها ماده موجود در کیهان تبدیل می‌شود و همه پدیده‌های فیزیکی را می‌توان برحسب ویژگی‌های ایستا و دینامیکی آن به حساب آورد.
زندگی بعدی هرمان فون هلمهولتز
کار هلمهولتز در زمینه الکتریسیته و مغناطیس اعتقاد او را آشکار کرد که مکانیک کلاسیک احتمالاً بهترین روش استدلال علمی است. او یکی از اولین دانشمندان آلمانی بود که از کار دانشمندان بریتانیایی مایکل فارادی و جیمز کلرک ماکسول در زمینه الکترودینامیک قدردانی کرد. به نظر می رسید که فارادی با رد غیرمتعارف کنش در فاصله، یعنی کنش بین دو جسم در فضا بدون تغییر در محیط بین آنها، به شالوده فیزیک نیوتنی ضربه می زند. اما ماکسول با تفسیر ریاضیات قوانین فارادی، نشان داد که هیچ تناقضی بین فیزیک نیوتنی و مکانیک کلاسیک وجود ندارد. هلمهولتز ریاضیات الکترودینامیک را بیشتر توسعه داد. او آخرین سال‌های زندگی‌اش را به‌طور ناموفق در تلاش برای کاهش تمام الکترودینامیک به حداقل مجموعه‌ای از اصول ریاضی گذراند، تلاشی که در آن مجبور بود به طور فزاینده‌ای بر خواص مکانیکی اتری که تصور می‌شد در تمام فضا نفوذ می‌کند تکیه کند.
هلمهولتز در مورد ماهیت الکتریسیته کاملاً با ماکسول مطابقت نداشت. برخلاف ماکسول، هلمهولتز به الکتروشیمی، به ویژه ماهیت سلول گالوانیکی علاقه داشت و مطالعه کرده بود. ماکسول می‌توانست جریان الکتریکی را صرفاً نتیجه قطبش اتر یا هر رسانه‌ای که جریان از آن عبور می‌کند ساخته باشد. از سوی دیگر، هلمهولتز کاملاً با قوانین الکترولیز فارادی آشنا بود که مقدار جریانی را که از یک سلول الکتروشیمیایی عبور می‌کرد به وزن معادل عناصر رسوب‌شده در قطب‌ها مرتبط می‌کرد. در سال 1881، هلمهولتز در سخنرانی‌ای که به افتخار فارادی در لندن ایراد شد، استدلال کرد که اگر دانشمندان وجود اتم‌های شیمیایی را بپذیرند، همانطور که اکثر شیمی‌دانان آن زمان می‌پذیرفتند، قوانین فارادی لزوماً بر ذرات ذرات الکتریسیته دلالت دارند. این ذره فرضی به زودی به عنوان الکترون نامگذاری شد و از قضا، فیزیک وجود آن به جعل نظریه‌های الکترودینامیک هلمهولتز کمک کرد.
اگرچه هلمهولتز در هدف خود برای فرمول‌بندی الکترودینامیک ناموفق بود، اما تقریباً قادر بود تمام اثرات الکترومغناطیسی را از ویژگی‌های فرضی اتر استنتاج کند. کشف امواج رادیویی توسط شاگردش هاینریش هرتز در سال 1888 به عنوان تایید تجربی نظریه های فارادی، ماکسول و هلمهولتز در نظر گرفته شد. نظریه‌های نسبیت خاص و عام که توسط آلبرت انیشتین ارائه شد، با حذف اتر، نظریه‌های هلمهولتز را از بین برد.
کارهای اولیه هلمهولتز در زمینه صدا و موسیقی او را به مطالعه حرکت موج سوق داد. کار او در مورد بقای انرژی او را با مشکلات انتقال انرژی آشنا کرد. این دو منطقه در سال‌های آخر عمر او در مطالعات هواشناسی با هم ترکیب شدند، اما پدیده‌ها به قدری پیچیده بودند که او نمی‌توانست چیزی بیش از نشان دادن راه‌هایی برای حوزه‌های تحقیقاتی آینده انجام دهد.
کار هلمهولتز محصول نهایی توسعه مکانیک کلاسیک بود. تا جایی که می توانست آن را هل داد. وقتی هلمهولتز درگذشت، دنیای فیزیک در آستانه انقلاب قرار گرفت. کشف اشعه ایکس، رادیواکتیویته و نسبیت منجر به نوع جدیدی از فیزیک شد که در آن دستاوردهای هلمهولتز، اگرچه چشمگیر بود، اما چیزی برای ارائه به نسل جدید نداشت.