HERMANN VON HELMHOLTZ lebte in einer Zeit der schnellen Entwicklung von Naturwissenschaft und Technik. Sein Werk erstreckte sich von der physikalischen Physiologie bis zur experimentellen und theoretischen Physik. Er war damit einer der vielseitigsten Wissenschaftler seiner Zeit. Durch sein Wirken wurde Berlin Ende des 19. Jahrhunderts zu einem Zentrum physikalischer Forschung. Darüber hinaus nahm HELMHOLTZ eine führende Stellung in der deutschen Wissenschaftspolitik ein.
Kindheit, Jugend und Ausbildung
HERMANN HELMHOLTZ wurde am 31. August 1821 als ältestes von vier
Kindern eines Gymnasiallehrers geboren. Sein Vater unterrichtet am Gymnasium
in Potsdam Deutsch und Philosophie, manchmal auch alte Sprachen und Naturwissenschaften.
HELMHOLTZ selbst schilderte ihn später als einen Mann, der von den
Fachgebieten, die er vertrat, begeistert war und der sich bemühte,
diese Begeisterung auch seinem Sohn zu vermitteln.
HERMANN HELMHOLTZ lernte früh lesen und schreiben. Seine Stärken
in der Schule waren Fächer, die sich logisch zusammenhängend
gut erschließen ließen. Schon früh beschäftigte
er sich intensiver mit Geometrie und Physik. 1838 legte er erfolgreich
das Abitur ab.
Seinen Wunsch, Physik zu studieren, konnte er aber aus finanziellen Gründen nicht realisieren. Vielmehr nahm er am Königlich-Medizinischen-Chirurgischen-Institut in Berlin ein Medizinstudium auf. An diesem Institut wurden Militärärzte ausgebildet. Die Ausbildung war weitgehend kostenlos. Als Gegenleistung dafür mussten sich aber die Studenten zu einem achtjährigen Militärdienst nach Beendigung des Studiums verpflichten. Die Ausbildung erfolgte an der Universität, die praktischen Übungen an der Charité.
Besonders beeindruckt war HELMHOLTZ während seines Studiums von
zwei seiner Lehrer - dem Physiologen JOHANNES MÜLLER (1801-1858)
und dem Physiker GUSTAV MAGNUS (1802-1870). Durch sie wurde die Forschungen
von HELMHOLTZ in den nächsten Jahrzehnten entscheidend beeinflusst.
Im Sommer 1842 schloss HELMHOLTZ sein Studium mit dem Erwerb des Doktortitels
ab.
Militärarzt und Hochschullehrer
Ab 1843 war HERMANN HELMHOLTZ als Militärarzt in Potsdam tätig.
Doch bereits 1847 legte er der 1845 gegründeten Physikalischen Gesellschaft
in Berlin eine Arbeit vor, die den Titel "Über die Erhaltung
der Kraft" trug. Das trug ihm das Lob seiner Vorgesetzten ein. Man
war - ausgehend vom Titel der Arbeit - der Meinung, dass es sich um eine
Arbeit zur Erhöhung der Kampfkraft der Arme handeln würde. Tatsächlich
aber ging es in der Arbeit um die Umwandlung der Energie in ihre verschiedenen
Formen. HELMHOLTZ hat in dieser Arbeit besonders klar den Energieerhaltungssatz
formuliert.
1848 wurde HELMHOLTZ aufgrund seiner anerkannten wissenschaftlichen Arbeiten
vorzeitig aus dem Militärdienst entlassen und war zunächst als
Lehrer für Anatomie an der Berliner Kunstakademie tätig.
Bereits 1849 wurde er zum Professor für Physiologie und Pathologie
nach Königsberg berufen. Dort erfand er 1850 auch den Augenspiegel
(Bild 2), eine Anordnung, mit deren Hilfe man die Netzhaut eines Patienten
beobachten konnte.
Im Jahr 1849 heiratete HELMHOLTZ OLGA VON VELTEN. Aus dieser Ehe gingen
zwei Kinder hervor. Nach dem Tod seiner ersten Frau im Jahr 1859 heiratete
er 1861 ANNA VON MOLL. Ihre gemeinsame Tochter wurde 1884 die Ehefrau
des ältesten Sohnes von WERNER VON SIEMENS.
1855 übernahm HELMHOLTZ die Professur für Anatomie und Physiologie in Bonn und 1858 den neu gegründeten Lehrstuhl für Physiologie in Heidelberg. Hier widmete er sich vorrangig seinen sinnesphysiologischen Forschungen. 1870 wurde er zum Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften ernannt.
Seine Hinwendung zur Physik gipfelte 1871 in seiner Berufung als Physikprofessor nach Berlin, wo er den Neubau eines modernen Physikinstituts veranlasste. In Berlin entstanden seine Arbeiten zur Elektrodynamik.
1883 wurde HELMHOLTZ in den erblichen Adelsstand erhoben. Er durfte sich seitdem HERMANN VON HELMHOLTZ nennen.
Wissenschaftsorganisator und Forscher
1887 wurde HELMHOLTZ zum ersten Präsidenten der neu gegründeten
Physikalisch-Technischen
Reichsanstalt in Charlottenburg bei Berlin (heute: Berlin-Charlottenburg)
berufen, an deren Aufbau neben ihm auch WERNER VON SIEMENS (1816-1892)
maßgeblich beteiligt war. Sie schufen mit der Physikalisch-Technischen
Reichsanstalt ein neuartiges Institut für physikalische Präzisionsmessungen
sowie für die Messinstrumentenherstellung und -kontrolle. HELMHOLZ
war bis zu seinem Tode am 8. September 1894 Präsident dieser Einrichtung.
Sein Grab befindet sich auf dem Friedhof in Berlin-Wannsee.
Der Beitrag vom HELMHOLTZ zum Energieerhaltungssatz
Aus Untersuchungen über physiologische Wärmeerscheinungen
(Gärung, Fäulnis, Wärmeproduktion der Lebewesen) entwickelte
HELMHOLTZ um 1840 erste Überlegungen zum Energieprinzip. Er folgerte,
dass die vorherrschende Hypothese einer alle Lebensvorgänge aufrecht
erhaltenden "Lebenskraft" gleichbedeutend sei mit der Annahme
eines Perpetuum mobile.
In seiner Abhandlung "Über die Erhaltung der Kraft" von
1847 (Bild 3) behandelte er auf mechanisch-mathematischer Grundlage die
verschiedensten Energieumwandlungen und zeigte so die allgemeine Gültigkeit
des Energieerhaltungssatzes. HELMHOLTZ formulierte den Energieerhaltungssatz
klarer und detaillierter, als es J. R. Mayer 1842 getan hatte, und trug
so wesentlich zur Anerkennung dieses zunächst sehr umstrittenen Gesetzes
bei. Eine Formulierung, die auf HELHOLTZ zurückgeht, lautet:
Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden. Sie kann nur von einer Form in andere Formen umgewandelt werden.
Erst nach 1870 kam HELMHOLTZ auf die Energieproblematik bei chemischen Vorgängen zurück, unterschied zwischen gebundener und freier Energie und leitete die später nach ihm und GIBBS benannte GIBBS- HELMHOLTZ-Gleichung her. Damit trug er zur Herausbildung der physikalischen Chemie bei.
Physiologische Forschungen
HELMHOLTZ führte zahlreiche physiologische Untersuchungen durch.
Er war einer der Mitbegründer der physikalischen Physiologie.
Frühe Untersuchungen über den Zusammenhang von Nervenfasern
und Ganglienzellen (Inhalt seiner Doktorarbeit) sowie über die Geschwindigkeit
der Fortleitung von Reizen in den Nerven boten Anknüpfungspunkte
für seine Forschungen zur physiologischen Akustik und Optik.
Er entwickelte eine Theorie der Kombinationstöne zur Erklärung der Klangfarbe. Aus der Anatomie des inneren Ohres entstand seine Resonanztheorie des Hörens als Grundlage der physiologischen Akustik und auch der Musik. Für seine Untersuchungen nutzte HELMHOLTZ u. a. luftgefüllte Hohlkugeln unterschiedlicher Größe, die man heute als HELMHOLTZ-Resonatoren (Bild 4) bezeichnet. 1863 fasste HELMHOLTZ seine Erkenntnisse in einem Werk zusammen, das unter dem Titel "Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik" erschien.
Nach der Erfindung des Augenspiegels (1850) erforschte HELMHOLTZ die Empfindlichkeit und die Akkomodation des Auges, vertiefte die von dem englischen Arzt und Physiker THOMAS YOUNG (1773-1829) aufgestellte Dreifarbentheorie des Sehens und entwickelte sie bezüglich der Rezeption der Netzhaut weiter. Diese und weitere Resultate seiner Forschungen veröffentlichte er in seinem dreibändigen "Handbuch der physiologischen Optik" (erschienen 1863-1867).
Beiträge zur theoretischen Physik
und zu anderen Wissenschaften
Bereits 1858 stellte HELMHOLTZ in mathematischer Form Gesetze für
strömende Flüssigkeiten und Gase auf (Wirbeltheorie).
Er bewies die Erhaltung der Wirbel, machte auf Analogien zwischen den
Wirbelgesetzen und den elektromagnetischen Gesetzen und damit auf Probleme
der mathematischen Modelbildung aufmerksam.
Seit 1870 setzte sich HELMHOLTZ mit den rivalisierenden Theorien der Elektrodynamik von W. WEBER und F. NEUMANN einerseits und M. FARADAY sowie J. C. MAXWELL andererseits auseinander. Er stellte eine eigene Theorie auf, die einen Kompromiss zwischen den Auffassungen der Fernwirkung und des elektromagnetischen Feldes darstellte. Seine Schüler forderte er zu Entscheidungsexperimenten heraus. Eine von ihm 1879 gestellte Preisaufgabe gab den Anstoß für die Entdeckung der elektromagnetischen Wellen durch HEINRICH HERTZ. Auf HELMHOLTZ gehen auch Versuchsanordnungen zurück, die heute noch genutzt werden. Zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes schlug HELMHOLTZ eine Anordnung aus zwei sich Spulen vor, die sich im Abstand ihres Radius gegenüberstehen. Eine solche Anordnung von Spulen bezeichnet man heute als HELMHOLTZ-Spulen.
Die Vielseitigkeit von HELMHOLTZ wird auch an seinen meteorologischen
und geologischen Studien deutlich. Darin beschäftigte er sich u. a.
mit der Entstehung von Föhnwinden und Wirbelstürmen und mit
den Ursachen der Gletscherbewegung.
HELMHOLTZ hat auch erhebliche Verdienste um die Vereinheitlichungen von
physikalischen Bezeichnungen und Einheiten. Er nahm z. B. an den
Kongressen zur Festlegung elektrischer Einheiten in Paris (1882, 1884)
und Chicago (1893) teil.
Philosophische Auffassungen
Das gesamte Schaffen von HELMHOLTZ wurde von erkenntnistheoretischen Überlegungen
begleitet: Das Ziel der naturwissenschaftlichen Forschung sei das Aufdecken
der kausalen Gesetze der Natur, die über "Zeichen", nicht
Abbilder der Wirklichkeit, empfunden und wahrgenommen werden können.
HELMHOLTZ bemühte sich auch um Unterscheidungsmerkmale zwischen Natur-
und Geisteswissenschaften. Nach ihm beruhen die Ersteren auf äußeren
Gesetzmäßigkeiten, die Letzteren im Wesentlichen auf inneren
psychischen Vorgängen.