Ге́льмго́льц Ге́рман, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz) (31.8.1821, Потсдам – 8.9.1894, Шарлоттенбург, ныне в составе Берлина), немецкий физик, математик, физиолог, врач, психолог 19 в. Внёс значительный вклад в математическую физику, оптику, акустику, электродинамику, термодинамику, гидродинамику, физиологию сенсорных систем. Пионер в исследованиях зрения и слуха человека, первым измерил скорость распространения импульса по нервным путям, внёс вклад в разработку трёхкомпонентной теории цветового зрения, стоял у истоков научной психологии.

Детство, юность, формирование профессиональной позиции

Отец Германа, Фердинанд Гельмгольц (1792–1859), получил университетское образование (изучал философию и филологию); мать, Каролина Гельмгольц (урождённая Пенн, 1797–1854), дочь офицера, имела английские и французские корни. Герман Гельмгольц был старшим из шести детей в семье (два младших брата умерли в детстве).

Отец был первым учителем сына и повлиял на формирование его характера, мировоззрение и выбор дальнейшей карьеры. После обучения в начальной школе (1828–1830) Герман поступил в гимназию Потсдама, обнаружил склонность к эстетике и языкам (изучал латынь и древнегреческий, английский и итальянский, арабский и иврит), однако в старших классах его основным интересом стали физика и математика, в это время он пробовал конструировать свои первые оптические приборы.

Первоначально Гельмгольц хотел изучать в университете физику, однако из-за весьма скромного финансового положения семьи отец убедил его получить военно-медицинское образование, которое поддерживало правительство. Во время обучения в гимназии (март 1837) Гельмгольц прошёл в Берлине проверки знаний и здоровья, необходимые для поступления в Королевский военный медико-хирургический институт Фридриха Вильгельма (Pépinière). В результате был подписан документ, согласно которому Гельмгольцу гарантировалось обучение со стипендией, а он обязывался после окончания института отработать восемь лет военным врачом в прусской армии. В августе – сентябре 1838 г. Гельмгольц сдал выпускные экзамены и 26 сентября 1838 г. в возрасте 17 лет покинул родной дом для получения высшего образования.

Обучение в Медико-хирургическом институте продолжалось четыре года. Помимо медицинских предметов, Гельмгольц изучал ботанику, химию, физику, языки и историю, а также посещал учебные курсы по химии и физиологии в Берлинском университете, что открывало дальнейшие возможности для академической карьеры. В качестве самообразования он изучал математику, читал философскую и художественную литературу, занимался музыкой, фехтованием и плаванием, посещал театры и оперу, летние каникулы проводил в путешествиях. Знакомство с трудами И. Канта повлияло на его научную позицию, в течение всей жизни он оставался последователем кантианской теории познания.

Из преподавателей двое стали его настоящими учителями: анатом И. Л. Шёнлейн и физиолог И. П. Мюллер. В круге учеников Мюллера Гельмгольц познакомился с Э. фон Брюкке и Э. Г. Дюбуа-Реймоном, дружеские отношения с которыми сохранял всю жизнь.

В возрасте 21 года Гельмгольц окончил Королевский медико-хирургический институт, защитив докторскую диссертацию «О строении нервной системы у беспозвоночных» («De fabrica systematis nervosi evertebratorum», на латыни, под руководством И. П. Мюллера). 2 ноября 1842 г. он получил докторскую степень.

В течение следующего года (30 сентября 1842 – 30 сентября 1843) он завершил обучение, работая в военном госпитале Шарите сначала как хирург, а затем в глазной клинике. Согласно договору на обучение, с 1 октября 1843 г. до лета 1848 г. Гельмгольц занимал должность эскадронного хирурга гусарского полка в Потсдаме. В это время он продолжал самообразование, в личной физико-физиологической лаборатории исследовал процесс теплообразования при мышечном сокращении.

Он посещал учителей и друзей-коллег в Берлине, работал в лаборатории и принимал участие в коллоквиуме физика Г. Г. Магнуса. В январе 1845 г. ученики Магнуса и Мюллера (среди них – Брюкке, Дюбуа-Реймон, В. фон Сименс) организовали Берлинское физическое общество (ныне Немецкое физическое общество), и вскоре Гельмгольц вступил в него, участвовал в издании журнала общества Fortschritte der Physik («Успехи физики»). Члены общества называли себя «органическими физиками», понимали физику как экспериментальную основу всего естествознания, физиологию рассматривали как раздел физики, дали клятву объяснять все явления живой природы, в том числе физиологию живого организма, исключительно в категориях физики и химии с использованием математических методов; это вошло в историю как создание физико-химической школы в физиологии.

После 5-месячного перерыва в медицинской службе для подготовки к экзаменам Гельмгольц в конце 1845 г. сдал в Берлине государственные экзамены на звание врача-хирурга и с 7 февраля 1846 г. продолжил службу в Потсдаме.

23 июля 1847 г. на заседании Берлинского физического общества Гельмгольц сделал доклад «О сохранении силы» («Über die Erhaltung der Kraft»), в котором, отталкиваясь от своего изучения мышечного метаболизма, математически обосновал закон сохранения силы (в современной терминологии – энергии), подчеркнул, что этому всеобщему закону подчиняются и процессы в живых организмах.

По рекомендации А. фон Гумбольдта в 1848 г. он был освобождён от трёх оставшихся лет военной службы. 30 сентября 1848 г. Гельмгольц занял место преподавателя анатомии в Академии художеств в Берлине, а также ассистента в анатомическом музее, преподавал остеологию и миологию, готовил препараты для анатомического театра.

Многие исследования Гельмгольца носят междисциплинарный характер, однако с некоторой условностью в научной деятельности Гельмгольца можно выделить два периода: в основном физиологический (до 1871) и физический (1871–1894).

Научная карьера от Кёнигсберга до Гейдельберга (1849–1871)

После перемещения Э. фон Брюкке из Кёнигсбергского в Венский университет Гельмгольц (по рекомендации И. П. Мюллера) получил приглашение на должность экстраординарного профессора кафедры физиологии в Кёнигсберг (ныне Калининград, Россия), стал экстраординарным (19 мая 1849), а позднее ординарным (17 декабря 1851) профессором физиологии и общей патологии. За время пребывания в Кёнигсберге (1849–1855) он исследовал работу мышц, создал прибор для записи мышечных сокращений (кимограф), а также прибор для измерения мельчайших периодов времени (маятник Гельмгольца), проделал и опубликовал исследования в области физиологии зрения и слуха, изучил явление аккомодации глаза, определил скорость проведения нервного импульса – в среднем 26,4 м/с в диапазоне от 24,6 до 38,4 м/с (1850), предложил свою теорию звукового резонанса и сконструировал прибор – шаровидный резонатор Гельмгольца (1850), создал офтальмоскоп для исследования глазного дна и сетчатки (1850), офтальмометр для определения радиуса кривизны роговицы глаза (1851), факоскоп для определения изменений кривизны хрусталика глаза при аккомодации (1851), внёс вклад в разработку трёхкомпонентной теории цветового зрения (1852), определил латентное время рефлекса (1854), исследовал иллюзии восприятия. Наблюдая за своими сыном и дочерью, он описал, как ребёнок, совмещая зрение и ощупывание руками (манипулирование), осваивает зрительное восприятие пространства.

Также Гельмгольц совершил несколько поездок в физиологические лаборатории Германии, Франции, Италии, Швейцарии, Австрии, что упрочило его международную репутацию. Среди поездок выделяется визит в Великобританию (август 1853), где он познакомился с английскими физиками, в том числе М. Фарадеем, подружился с У. Томсоном.

Гельмгольц был мастером публичных докладов. В кёнингсбергский период из них наиболее известны «О природе ощущений человека» (28 июня 1852), «О естественно-научных работах Гёте» (18 января 1853), «О зрении человека» (27 февраля 1855); выступив с последним докладом, Гельмгольц принял участие в сборе средств на создание памятника И. Канту перед зданием Кёнигсбергского университета.

Весной 1855 г. Гельмгольц получил приглашение на кафедру анатомии и физиологии в Рейнском университете Фридриха Вильгельма (Бонн). Будучи профессором этого университета (1855–1858), проводил исследования по оптике и физиологии зрения, акустике, аэро- и гидродинамике.

Для изучения стереоскопического зрения им был создан прибор телестереоскоп. Гельмгольц применил обнаруженный им принцип улучшения стереоскопического изображения для фотографирования отдалённых предметов, указал на возможность стереоскопического фотографирования небесных тел, планет. В Бонне Гельмгольц закончил первый том «Руководства по физиологической оптике» (1856). Также проводил исследования в области физиологии слуха. В 1856 г. Гельмгольц определил возраст Земли – 22 млн лет. Обширность и разноплановость исследований учёного проявились, в частности, в том, что на Съезде немецких естествоиспытателей и врачей (Бонн, сентябрь 1857) Гельмгольц сделал несколько докладов: на секции медицины (о миографе и скорости нервной проводимости), анатомии (о работе органа слуха), физики (о комбинированных тонах), на пленарном заседании (о телестереоскопе, а также о необходимости государственной и общественной поддержки научных исследований).

Отказавшись от первого приглашения возглавить кафедру физиологии в Гейдельбергском университете Рупрехта и Карла (1857), Гельмгольц принял повторное (1858), включающее также обещание создать для него Институт физиологии. Тринадцать лет Гельмгольца в Гейдельберге (1858–1871) были одними из самых продуктивных в его жизни. Он завершил серию исследований по физиологии сенсорных систем, закончил второй (1860) и третий (1866) тома «Руководства по физиологической оптике», в котором изложил теорию восприятия пространства (глубины), цветового зрения, восприятия движения, а также описал значение для восприятия «бессознательных умозаключений», в результате которых формируются субъективные образы.

В области физиологической акустики для экспериментального изучения законов колебания звучащих струн он изобрёл вибрационный микроскоп, создал сирену, которая позволяла комбинировать любые звуки, исследовал комбинационные тоны, явления консонанса и диссонанса. Подобно смешению цветов, его интересовало смешение звуков и их распознавание, например в хоровом пении. А также явления, характерные именно для слуховой системы человека: когда одновременно человек слышит чужую речь или пение и может сам в это время говорить или петь, феномен слышания самого себя. Гельмгольц, основываясь на принятой маркировке труб немецких производителей орга́нов, предложил систему для точной записи высоты тона в музыке на основе комбинации буквенных и графических символов (с большой или маленькой латинской буквы, штрихи, запятые, арабские цифры). Нотация Гельмгольца широко используется музыкантами, а также (ныне в несколько модернизированном виде) учёными и врачами при необходимости обозначения высоты звука. Занимался проблемами музыкального строя, в частности описал настройку двухмануальной фисгармонии с рядом чистых больших терций. Эта темперация в англоязычном музыковедении получила название «темперация Гельмгольца» или «схизматическая темперация». Масштабные результаты исследования по теории музыки и восприятию звука были опубликованы им в виде книги «Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки» («Die Lehre von den Tonempfindungen als Physiologische Grundlage für die Theorie der Musik», 1863; перевод на русский язык, 1875).

С 1866 г. интересы Гельмгольца начали всё больше сдвигаться в сторону физики. Он занимался вопросами теоретической физики (гидродинамика и электродинамика) и математическими вопросами (использование рядов Фурье в объяснении акустических явлений, геометрические свойства неевклидова и риманова пространств). Уже в 1858 г. были опубликованы три теоремы Гельмгольца, касающиеся гидромеханики. Им была создана теория вихревого движения, сначала – жидкости, затем она была распространена на область аэродинамики и имела значение для авиации и метеорологии. Закладывая основы метеорологии, Гельмгольц математически описал грозы, глетчеры и морские волны. В докладе «Об электрических колебаниях» на заседании Общества естествознания и медицины (Гейдельберг, 30 апреля 1869) он сообщил об исследованиях затухающих электрических колебаний с помощью лейденской банки, показал, что аналогичные колебания возникают в индукционной катушке, соединённой с конденсатором (т. е., по существу, создал колебательный контур, состоящий из индуктивности и ёмкости).

С 22 апреля 1862 г. по 6 апреля 1863 г. Гельмгольц был проректором Гейдельбергского университета (что фактически означало быть ректором, т. к. должность ректора в то время была представительская и её занимал Фридрих I, глава Великого герцогства Баден). В лекции по случаю вступления в эту должность («Об отношении между естественными науками и наукой в целом») Гельмгольц говорил о тесной связи между физикой, физиологией, психологией и эстетикой. Вместе с выдающимися естествоиспытателями Р. В. Бунзеном и Г. Кирхгофом Гельмгольц много сделал для привлечения в университет наиболее способных немецких и иностранных студентов. Среди выдающихся учеников Гельмгольца гейдельбергского периода – В. Вундт, основоположник экспериментальной психологии, который с 1858 по 1864 гг. был ассистентом Гельмгольца. В физиологической лаборатории Гельмгольца работали и молодые русские учёные: И. М. Сеченов, И. М. Догель, Л. Л. Гиршман, Э. В. Адамюк, Н. И. Бакст, В. И. Дыбковский, Ф. Н. Заварыкин, Ф. П. Шереметевский, Э. А. Юнге и др. Во время своего пребывания в Гейдельбергском университете с Гельмгольцем познакомились и слушали его лекции Д. И. Менделеев, А. П. Бородин, К. А. Тимирязев, Н. И. Пирогов, А. Г. Столетов, М. П. Авенариус, Д. А. Лачинов, С. В. Ковалевская.

Берлинская школа физики (1871–1894)

После смерти Г. Г. Магнуса (1870) в марте 1871 г. Гельмгольц занял должность профессора кафедры физики Берлинского университета. В 1877 г. он создал Институт физики Берлинского университета и стал его руководителем (до 1887). Участие Гельмгольца и В. Сименса осенью 1881 г. в Международном конгрессе электриков и Международной электрической выставке в Париже стимулировало проведение в институте разработок нормирования измерений и стандартизации, особенно в области электричества. За 10 лет руководства Гельмгольца в институте были созданы лаборатории, привлечены в штат выдающиеся сотрудники, открыто обучение для студентов. Гельмгольц издал 25 собственных работ по физике, в основном в области электричества и магнетизма, в рамках «упругой» теории света развил теорию аномальной дисперсии (1874), выдвинул идею атомарного строения электричества (1881), ввёл понятия свободной и связанной энергии (1882).

Кульминацией научного пути Гельмгольца можно считать 1887 г., когда Гельмгольц стал президентом-основателем Императорского физико-технического института (Physikalisch-Technische Reichsanstalt; ныне Федеральный физико-технический институт, Physikalisch-Technische Bundesanstalt) в Шарлоттенбурге (ныне в черте Берлина). Этот пост учёный сохранял до конца своей жизни.

Проблемы физиологии продолжали интересовать Гельмгольца и в берлинский период. В день основания Берлинского университета он выступил с лекцией «Факты в восприятии» (3 августа 1878). Продолжая изыскания в метеорологии, в 1873 г. он выступил с изложением теоретических вопросов управляемого воздухоплавания, в 1888 г. дважды выступал перед коллегами по Прусской академии наук с докладами по метеорологии, о движениях воздуха в атмосфере, продолжал лабораторные исследования законов образования льда.

Всё это время он читал лекции по теоретической физике в Берлинском университете. После его кончины эти лекции были изданы и получили широкую известность: «Лекции по электромагнитной теории света» (1897); «Лекции по теоретической физике» (тома 1–6, 1897–1907).

Среди учеников Гельмгольца берлинского периода – Г. Герц и М. Планк, российские физики Р. А. Колли, Н. Н. Шиллер, П. А. Зилов, А. П. Соколов (1854–1928), Н. А. Гезехус, В. А. Михельсон, П. Н. Лебедев.

Герман Гельмгольц был членом многих академий наук и других научных обществ в своей стране и за рубежом: Баварской, Прусской (Берлинской) академий наук, Лондонского и Эдинбургского королевских обществ, Шведской королевской, Пражской, Петербургской академий наук, Королевского физиографического общества в Лунде, Американской академии искусств и наук, Шведской королевской музыкальной академии, Королевского общества наук в Уппсале, Американского философского общества, Королевского колледжа хирургов в Ирландии, Института инженеров и судостроителей Шотландии и др.

В 1883 г. император Вильгельм удостоил профессора Гельмгольца дворянского звания.

Личная жизнь

Гельмгольц был дважды женат. Первый брак был заключён 26 августа 1849 г. в Берлине с Ольгой фон Фельтен (Оlga von Velten; 1827–1859), дочерью врача. У пары было двое детей: Катарина (1850–1878) и Рихард (1852–1934).

После смерти первой жены Гельмгольц женился второй раз 16 мая 1861 г. в Гейдельберге на Анне фон Моль (1834–1899), дочери юриста, профессора и политика, депутата местного парламента. В этом браке родилось трое детей: Роберт (1862–1889), учёный-физик, получивший премию за свою работу «О лучеиспускании пламени», Эллен (1864–1941) и Фридрих Юлий (1868–1901).

Летом 1893 г. Гельмгольц совершил поездку в США, принял участие в Конгрессе электротехников в Чикаго. Возвращаясь в Европу на корабле, он упал, получил травму головы. Продолжил работать, но 12 июля 1894 г. в институте у него произошёл инсульт, от которого учёный уже не смог оправиться.

Могила Гельмгольца находится в семейном захоронении на кладбище Ваннзе (Линденштрассе) в Берлине.

Научное наследие

Гельмгольц – автор более 200 научных работ. Помимо упомянутого выше, его именем названы:

• теорема Гельмгольца о минимальной диссипации;

• уравнение Гиббса – Гельмгольца, которое связывает между собой изменение энергии системы с количеством выделенной или поглощённой ею теплоты;

• уравнение Гельмгольца в математической физике, применяемое для описания распространения волн в электродинамике, акустике, сейсмологии и других областях;

• интегральное уравнение (дифракционный интеграл) Кирхгофа – Гельмгольца, которому удовлетворяет решение уравнения Гельмгольца;

• уравнение Гельмгольца – Смолуховского, которое используется для описания процессов осмоса и электрофореза;

• неустойчивость Кельвина – Гельмгольца – нестабильность при наличии сдвига в течении одной среды (жидкости или газа) или на границе двух сред;

• механизм Кельвина – Гельмгольца – процесс, происходящий при остывании звезды или планеты;

• эффект Гельмгольца – Кольрауша – феномен восприятия, заключающийся в усилении воспринимаемой яркости цвета при увеличении насыщенности спектрального оттенка;

• катушка Гельмгольца – устройство для создания области почти однородного магнитного поля;

• машина Гельмгольца – архитектура нейронной сети, использующая принцип, схожий со сформулированным Гельмгольцем механизмом восприятия.

К объектам, получившим имя Гельмгольца, относится даже рояль. Будучи специалистом в области акустики, обладающим личной музыкальностью и имеющим музыкальное образование, он внёс вклад в практику конструирования музыкальных инструментов. Вместе с всемирно известной фирмой Steinway & Sons в Нью-Йорке он разработал систему Duplex Scale (дуплекс-шкала), которая обогащает звучание струн обертонами и доныне используется при создании концертных инструментов. Концертный рояль, оснащённый этой системой, получил золотую медаль на Всемирной выставке в Филадельфии (1876).

Именем Гельмгольца названы астероид, лунный кратер и кратер на Марсе, крупнейшая научно-исследовательская организация Германии – Ассоциация немецких исследовательских центров имени Гельмгольца, объединяющая 19 центров исследований по естественным, техническим и медико-биологическим наукам, Национальный медицинский исследовательский центр глазных болезней имени Гельмгольца в Москве.