Hermann von Helmholtz

Hermann von Helmholtz

Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (* 31. August 1821 in Potsdam; † 8. September 1894 in Charlottenburg) war ein deutscher Physiologe und Physiker. Als Universalgelehrter war er einer der vielseitigsten Naturwissenschaftler seiner Zeit und wurde auch Reichskanzler der Physik genannt. Seit 1995 ist die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren, ein Verbund großer außeruniversitärer Forschungszentren, nach Hermann von Helmholtz benannt.

Leben

Hermann von Helmholtz
(Heliogravüre von 1894)

Hermann von Helmholtz war der Sohn von August Ferdinand Julius Helmholtz und Caroline Penne (1797–1854). Er besuchte das Gymnasium „Große Stadtschule“ in Potsdam, an dem sein Vater als Direktor tätig war. Zu seinem jüngeren Bruder Otto, der Ingenieur wurde, hatte er zeit seines Lebens eine enge Verbindung.

Schon der siebzehnjährige Helmholtz hatte großes Interesse an der Physik. Die Naturwissenschaften, insbesondere die Physik, galten jedoch als Fächer der brotlosen Kunst^[1]. Daher studierte Helmholtz ab 1838 Medizin am Medicinisch-chirurgischen Friedrich-Wilhelm-Institut in Berlin. Helmholtz promovierte 1842 mit einer Arbeit in mikroskopischer Anatomie und war danach ein Jahr Unterarzt an der Charité. Er war ein überdurchschnittlicher Absolvent, jedoch deutete zunächst wenig auf eine akademische Karriere hin. Ab 1843 diente Helmholtz in Potsdam. Dies musste er, weil das Studium an dem von ihm gewählten Institut die Verpflichtung zu einem anschließenden achtjährigen Militärdienst einschloss. 1846 wurde er Militärarzt im königlichen Regiment.

1848 wurde er auf Empfehlung Alexander von Humboldts vorzeitig aus dem Militärdienst entlassen und unterrichtete zunächst Anatomie an der Berliner Kunstakademie. 1848 nahm Helmholtz in Nachfolge von Ernst Wilhelm von Brücke eine Professur für Physiologie in Berlin an. Helmholtz war kurz nach seiner Heirat (am 26. August 1849 mit Olga von Velten (1827–1859)) mehr auf seine Arbeit konzentriert und kümmerte sich 1848 weniger um die politischen Vorgänge (1848 Revolution) – anders als sein Kollege Du-Bois.

1849 erhielt er einen Ruf als Professor der Physiologie und Pathologie nach Königsberg. Seine tuberkulosekranke Frau vertrug jedoch das rauhe Klima in Ostpreußen nicht. Unter Vermittlung von Alexander von Humboldt zog Helmholtz im Jahr 1851 nach Bonn, um dort den vakanten Lehrstuhl für Physiologie anzunehmen. Ab 1858 nahm Helmholtz eine gut bezahlte Professur in Heidelberg an, wo von 1858 bis 1863 Wilhelm Wundt sein Assistent war.

Anna Helmholtz

Im Dezember 1859 starb seine Frau, die ihn mit zwei kleinen Kindern zurückließ. Am 16. Mai 1861 heiratete Helmholtz seine zweite Frau, Anna von Mohl (1834–1899). Aus beiden Ehen gingen fünf Kinder (drei Söhne und zwei Töchter) hervor. Ein Sohn aus erster Ehe war der Eisenbahnkonstrukteur Richard von Helmholtz (1852–1934). 1870 wurde Helmholtz zum Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften ernannt.

Im Jahr 1870 starb der Ordinarius für Physik an der Universität Berlin, Heinrich Gustav Magnus, in Berlin. Helmholtz wurde diese Professur angeboten. Da Helmholtz sich in den letzten Jahren mehr mit Physik als mit Physiologie befasst hatte, nahm er das Angebot an. Helmholtz galt schon damals als einer der größten, vielseitigsten Denker und Forscher in Deutschland. Mit großem Aufwand wurde er von der gebildeten Bevölkerung Heidelbergs verabschiedet.

Von 1879 bis 1883 arbeitete der junge Heinrich Hertz in Berlin bei Helmholtz. Im Jahr 1883 wurde Helmholtz in den Adelsstand erhoben. Ab 1882 war Helmholtz, neben Wilhelm Foerster und Werner von Siemens, einer der Initiatoren für die spätere Gründung der Physikalisch-Technische Reichsanstalt. Die vielen Neuerungen in der Elektrotechnik, der Messung von Strommengen bedurfte einer einheitlichen Normung. 1888 wurde Helmholtz der erste Präsident der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg.

Viele Schicksalsschläge verdüsterten das Leben von Helmholtz in der letzten Phase: der Tod seines Sohnes Robert (1889), des Freundes Werner von Siemens (1892) (auch Schwiegervater seiner Tochter Ellen), des Schülers Heinrich Hertz (1894), des Kollegen August Kundt (1894). Am 8. September 1894 starb Helmholtz an einem zweiten Schlaganfall.

Forschung

Hermann von Helmholtz (Porträt von Ludwig Knaus, 1881)

Helmholtz-Statue vor der Humboldt-Universität zu Berlin auf einem Sockel aus Marxgrüner Marmor

Gedenktafel am Beethoven-Gymnasium Bonn (ehemals Helmholtz-Gymnasium)

Bereits 1842 wies Helmholtz in seiner Doktorarbeit den Ursprung der Nervenfasern aus Ganglienzellen nach. Zu Beginn seiner wissenschaftlichen Arbeit gelangte Helmholtz durch Untersuchungen über Gärung, Fäulnis und die Wärmeproduktion der Lebewesen (die er hauptsächlich auf Muskelarbeit zurückführte) zur Formulierung des Gesetzes von der Erhaltung der Energie.

Ab Oktober 1845 kam Helmholtz mit dem Physik-Professor Heinrich Gustav Magnus in Kontakt. Zur Physiker-Gruppe unter Magnus gehörten damals Ernst Wilhelm Brücke (Mediziner), Emil Du Bois-Reymond (Mediziner), Werner von Siemens (Leutnant der Artillerie), Johann Georg Halske (Mechaniker). 1845 gründete sich um die Gruppe die Physikalische Gesellschaft zu Berlin und eine Zeitschrift mit dem Titel „Fortschritte der Physik“. 1846 richtete sich Helmholtz, während seiner Zeit als Militärarzt in Potsdam, ein Labor ein^[2] und verfasste eine experimentelle Arbeit „Ueber den Stoffwechselverbrauch bei Muskelaktionen“.

In seinem Buch Über die Erhaltung der Kraft (1847) formulierte er den Energieerhaltungssatz detaillierter, als Julius Robert von Mayer es 1842 getan hatte, und trug so wesentlich zur Anerkennung dieses zunächst sehr umstrittenen Prinzips bei. Die Vorwürfe des Plagiats vieler seiner Zeitgenossen wehrte er ab, indem er sagte, dass er die fünf Jahre davor erschienene Arbeit von Mayer nicht kannte. Durch Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf Lebewesen widersprach Helmholtz den Vitalisten, die eine Vitalkraft als Grundkraft des Lebens annahmen.

Ab 1849 widmete sich Helmholtz, als Professor der Physiologie und Pathologie in Königsberg, bei seinen Forschungen intensiv den Sinnesorganen Auge und Ohr. Hier entwickelte er den Augenspiegel zur Betrachtung des Augenhintergrundes. Ferner entwickelte Helmholtz eine Apparatur zur Messung der Nervenleitgeschwindigkeit an Fröschen.

1852 gelang ihm die Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Nervenerregungen. Anknüpfend an diese physiologischen Forschungen beschäftigte er sich mit der Physiologie des Hörens und Sehens. Er entwickelte eine mathematische Theorie zur Erklärung der Klangfarbe durch Obertöne, die Resonanztheorie des Hörens und darauf basierend Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik (1863). Helmholtz verhalf der von Thomas Young aufgestellten additiven Theorie des Farbensehens zum Durchbruch, wobei er zeigte, dass drei Grundfarben (Young hatte sechs benötigt) zur Erzeugung aller anderen genügen (Dreifarbentheorie). Er erfand 1850 das Ophthalmoskop (Augenspiegel) zur Untersuchung des Augenhintergrundes, 1851 das Ophthalmometer zur Bestimmung der Krümmungsradien der Augenhornhaut sowie 1857 das Telestereoskop.

Ab 1858 befasste sich Helmholtz in Heidelberg mit medizinischen Grundlagen der optischen und akustischen Physiologie, mit Fragen der theoretischen Physik (Hydro- und Elektrodynamik), mit mathematischen Fragestellungen (Geometrie). Helmholtz interessierte sich auch für die Zusammenhänge von Physik, Physiologie, Psychologie und Ästhetik.

Mit der Aufstellung der Wirbelsätze^[3] (1858 und 1868) über das Verhalten und die Bewegung von Wirbeln in reibungsfreien Flüssigkeiten lieferte Helmholtz wichtige Grundlagen der Hydrodynamik. In Untersuchungen zur Elektrodynamik suchte Helmholtz einen Kompromiss zwischen den Theorien von Franz Ernst Neumann und James Clerk Maxwell. Mathematisch ausgearbeitete Untersuchungen über Naturphänomene wie Wirbelstürme, Gewitter oder Gletscher machten Helmholtz zum Begründer der wissenschaftlichen Meteorologie.

In erkenntnistheoretischen Diskussionen setzte sich Helmholtz mit Problemen des Zählens und Messens sowie der Allgemeingültigkeit des Prinzips der kleinsten Wirkung auseinander. Auf der Grundlage seiner optischen und akustischen Untersuchungen modifizierte er den klassischen Wahrnehmungsbegriff, lehnte im Gegensatz zu Kant die Existenz fester Anschauungsformen ab, und hielt es daher für möglich, nichteuklidische Geometrien anschaulich zu machen. Das Vier-Phasen-Modell des kreativen Prozesses geht auf Beobachtungen von Helmholtz zurück.

Im letzten Band seines 1856–67 erschienenen Werks Handbuch der Physiologischen Optik stellte er dar, welche Rolle der unbewusste Schluss für die Wahrnehmung spielt.

Zu den herausragendsten späteren Leistungen von Helmholtz stehen die drei Abhandlungen über die „Thermodynamik chemischer Vorgänge“ (1882/1883). Hier wandte Helmholtz die Hauptsätze der Thermodynamik auf die Elektrochemie an. Er führte den Begriff der Freien Energie ein. Durch die freie Energie lässt sich voraussagen, ob eine chemische Reaktion nach Gesetzen der Thermodynamik (Gibbs-Helmholtz-Gleichung) möglich ist.

Helmholtz-Spule

→ Hauptartikel: Helmholtz-Spule

Die Helmholtz-Spule ist eine häufig verwendete, einfache Geometrie zur Erzeugung eines allseitig zugänglichen nahezu homogenen Magnetfeldes. Die Anordnung besteht aus zwei sich koaxial im Abstand gleich dem ihres Radius gegenüberstehenden Ringspulen mit gleicher Windungszahl.

Wenn die Einzelspulen gleichsinnig stromdurchflossen werden, erhält man einen großen Bereich mit konstanter Feldstärke. Werden die Spulen gegensinnig durchflossen, erhält man im inneren Bereich einen weitgehend konstanten Feldgradienten.

Helmholtz-Resonator

→ Hauptartikel: Helmholtz-Resonator

Ein zur Klanganalyse verwendeter akustischer Resonator (schwingungsfähiges System, das bei Anregung mit der Eigenfrequenz zu schwingen beginnt) besteht aus einer luftgefüllten Hohlkugel mit Öffnung. Der Helmholtz-Resonator wird heute vielseitig angewendet, z. B. bei der Resonanzaufladung in Porsche-Motoren zur Leistungssteigerung und Verbrauchsreduzierung.

Helmholtz-Differentialgleichung

→ Hauptartikel: Helmholtz-Differentialgleichung

Als Helmholtz-Gleichung wird die allgemeine partielle Differentialgleichung

$ \Delta \varphi +k^{2}\varphi =0 $

bezeichnet. $ \Delta $ ist dabei der Laplace-Operator.

In der Elektrodynamik ergibt sich die Helmholtz-Gleichung aus der Wellengleichung für das Vektorpotential bei Annahme harmonischer Zeitabhängigkeit:

$ \triangle \mathbf {A} +\omega ^{2}\mu \epsilon \cdot \mathbf {A} =\triangle \mathbf {A} +{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}\cdot \mathbf {A} =0 $

Überlagerungsprinzip nach Helmholtz

Sind in einem Netzwerk nur lineare Widerstände und unabhängige Quellen (Stromquellen und/ oder Spannungsquellen) vorhanden, so gilt folgende Beziehung:

"Die Wirkung (Strom oder Spannung) an einer beliebigen Stelle des Netzwerkes, die von allen Quellen hervorgerufen wird, ist gleich der Summe der Wirkungen jeder einzelnen Quelle, wenn zugleich die restlichen Quellen durch ihre idealen Innenwiderstände ersetzt werden." Ideale Spannungsquellen sind daher kurzzuschließen, ideale Stromquellen sind durch einen Leerlauf zu ersetzen."

Das Überlagerungsprinzip nach Helmholtz gilt nur für Ströme und Spannungen, nicht für Leistungen!

Helmholtz als Namenspate

Nach Hermann von Helmholtz sind benannt:

• seit 1995 die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren,
• seit 1935 der Mondkrater Helmholtz,
• seit 1973 der Marskrater Helmholtz.
• Nach Helmholtz sollte die physikalische Einheit Helmholtz benannt werden.
• Die Helmholtz-Medaille der Preußischen Akademie der Wissenschaften trägt seinen Namen
• In Erinnerung an Helmholtz verleiht auch die Deutsche Gesellschaft für Akustik eine Helmholtz-Medaille.
• seit 1962 trägt ein Gymnasium in Bonn-Duisdorf seinen Namen.

Schriften

Ehrengrab auf dem Friedhof Wannsee, Lindenstraße

• Ueber die Wechselwirkung der Naturkräfte und die darauf bezüglichen neuesten Ermittelungen der Physik: ein populär-wissenschaftlicher Vortrag, gehalten am 7. Februar 1854, Gräfe & Unzer, Königsberg 1854 (bei der HU Berlin: Volltext)
• Über die akademische Freiheit der deutschen Universitäten – Rede beim Antritt des Rectorats an der Friedrich-Wilhelms-Universität zu Berlin am 15. October 1877 gehalten, August Hirschwald, Berlin 1878 (bei der HU Berlin: Volltext)
• Schriften zur Erkenntnistheorie, kommentiert von Moritz Schlick und Paul Hertz, hrsg. von Ecke Bonk, Wien; New York: Springer 1998, ISBN 3-211-82770-6
• Über die Erhaltung der Kraft (1847) / Über Wirbelbewegungen (1858), hrsg. von A. Wangerin, 2. Aufl., Reprint der Ausg. Leipzig, Engelmann, Thun; Deutsch, Frankfurt am Main 1996, ISBN 3-8171-3001-5
• Zur Geschichte des Princips der kleinsten Action, Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin 14, 1887 (bei der HU Berlin: Volltext)
• Abhandlungen zur Philosophie und Geometrie, Hrsg. u. eingel. von Sabine S. Gehlhaar, Cuxhaven : Junghans 1987, ISBN 3-926848-00-6
• Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik, Vieweg, Braunschweig 1863, Nachdruck: Minerva-Verlag, Frankfurt/Main 1981, ISBN 3-8102-0715-2 (Exzerpt)
• Beschreibung eines Augenspiegels zur Untersuchung der Netzhaut im lebenden Auge, Unveränd. Nachdr. d. Ausg. Leipzig, J. A. Barth, 1910, Leipzig 1968
• Physiological optics (Vol. 3) (J. P. C. Southall, Trans.) Rochester, N Y: Optical Society of America, 1925/1909
• Das Denken in der Naturwissenschaft, Unveränd. reprograf. Nachdr. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1968
• Die Tatsachen in der Wahrnehmung / Zählen und Messen erkenntnistheoretisch betrachtet, Unveränd. fotomechan. Nachdr. Wissenschaftl. Buchgesellschaft, Darmstadt 1959
• Vorträge und Reden, Bd. 1, Vieweg, Braunschweig 1896, 4th ed.
• Vorträge und Reden, Bd. 2, Vieweg, Braunschweig 1896, 4th ed.
• Handbuch der physiologischen Optik, L. Voss, Leipzig 1867

Literatur

• A. Paatzow: Helmholtz, Hermann von. In: Allgemeine Deutsche Biographie (ADB). Band 51, Duncker & Humblot, Leipzig 1906, S. 461–472.
• David Cahan (Ed.): Hermann von Helmholtz and the Foundations of Nineteenth-Century Science. Univ. California, Berkeley 1994, ISBN 978-0520083349.
• Wolfgang Eckart and Christoph Gradmann: Hermann Helmholtz und die Wissenschaft im 19. Jahrhundert, in: Spektrum der Wissenschaft (December 1994), p. 100 ff.
• Herbert Hörz: Über die Erkenntnistheorie von Helmholtz. In: Aufbau, 13 (1957) 10, S. 423-432.
• Herbert Hörz: Das generelle Problem behandelte ich. In: Über das Subjekt-Objekt-Verhältnis. In: Forschungen und Fortschritte, 31 (1957) 10, S. 297-299.
• Leo Koenigsberger: Hermann von Helmholtz. 3 Vols. Georg Olms, Braunschweig 1902, ISBN 3487119021, 9783487119021.
• Lorenz Krüger (Ed.): Universalgenie Helmholtz. Rückblick nach 100 Jahren. Akademie-Verlag, Berlin 1994, ISBN 978-3050026671.
• Theodor Leiber: Vom mechanistischen Weltbild zur Selbstorganisation des Lebens: Helmholtz' und Boltzmanns Forschungsprogramme und ihre Bedeutung für Physik, Chemie, Biologie und Philosophie, Freiburg (Breisgau) [etc.]: Alber, cop. 2000. (Alber-Reihe Thesen ; Band 6) ISBN 3-495-47979-1 Pp.
• Helmut Rechenberg: Hermann von Helmholtz. Bilder seines Lebens und Wirkens. Wiley, Weinheim 1994, ISBN 3-527-29276-4.
• Julius Reiner: Hermann von Helmholtz. Verlag Theod. Thomas, Leipzig 1905 (Digitalisat)
• Matthias Rieger: Helmholtz Musicus. Die Objektivierung der Musik im 19. Jahrhundert durch Helmholtz’ Lehre von den Tonempfindungen, WBG, Darmstadt, 2006, ISBN 3534192001 abstract
• Gregor Schiemann: Wahrheitsgewißheitsverlust. Hermann von Helmholtz’ Mechanismus im Anbruch der Moderne. Eine Studie zum Übergang von klassischer zu moderner Naturphilosophie. Wiss. Buchges., Darmstadt 1997, ISBN 978-3534132652 (Engl.: Hermann von Helmholtz's Mechanism: The Loss of Certainty. A Study on the Transition from Classical to Modern Philosophy of Nature. Dordrecht : Springer 2009).
• Dieter Ullmann: Helmholtz-Koenig-Waetzmann und die Natur der Kombinationstöne. Centaurus 29, 40-52(1986)
• Dieter Ullmann: Ohm-Seebeck-Helmholtz und das Klangfarbenproblem. NTM-Schriftenr. Gesch. Naturwiss., Techn., Med., Leipzig 25, H.1, 65-68 (1988)
• Emil Warburg, et al.: Helmholtz als Physiker, Physiologe und Philosoph.Müllersche Hofbuchhandlung, Karlsruhe 1922.
• Franz Werner: Hermann Helmholtz´ Heidelberger Jahre (1858-1871). Sonderveröffentlichungen des Stadtarchivs Heidelberg, Bd. 8. Mit 52 Abbildungen. Berlin, Heidelberg (Springer-Verlag) 1997.
• Franz Werner: Zum Tod des Physiologen und Physikers Hermann von Helmholtz. In: Zeitschrift für Geschichte des Oberrheins. 146 = NF 107 (1998). S. 544-551.

Einzelnachweise

Weblinks

Wikiquote: Hermann von Helmholtz – Zitate

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Commons: Hermann von Helmholtz – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Literatur von und über Hermann von Helmholtz im Katalog der Deutschen Nationalbibliothek
• Hermann von Helmholtz: Die Lehre von den Tonempfindungen als Physiologische Grundlage für die Theorie der Musik
• Hermann von Helmholtz: Handbuch der physiologischen Optik
• Wolfgang U. Eckart: Von der physikalischen Physiologie zur mathematischen Physik. (Hermann von Helmholtz' Tätigkeit in Heidelberg zwischen 1858 und 1871)
• Michael Heidelberger: Helmholtz als Philosoph
• Lydia Patton: Hermann von Helmholtz. In: Edward N. Zalta (Hrsg.): Stanford Encyclopedia of Philosophy
• Kurzbiografie (englisch) im Virtual Laboratory des Max-Planck-Instituts für Wissenschaftsgeschichte
• digitale Quellen im Volltext im Virtual Laboratory des Max-Planck-Instituts für Wissenschaftsgeschichte