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第23章 万能博士亥姆霍兹

能量守恒定律是19世纪的重大科学发现之一。亥姆霍兹(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz,1821~1894)曾为这个定律的建立起过重要作用。他是德国物理学家、生理学家,1821年8月31日诞生于德国柏林附近的波茨坦的一个贫穷的知识分子家庭,父亲是一位哲学和文学教师。

亥姆霍兹幼年体质比较弱,父亲在家里亲自给他进行初级教育,不仅教他许多基础知识,而且还教会他拉丁语、英语、法语。亥姆霍兹小时候算不得聪明,学话也晚,但是有强烈的好奇心,喜欢问东问西。他在父亲的指导下养成了看书的习惯,曾经看过海吉利的《自然哲学》等书。亥姆霍兹对物理学特别爱好,但是父亲劝他学医。1838年他进入柏林的弗里德里奇?威海姆医学院学医。由于医学院师资力量不足,学生们常要到柏林大学听课,他在那里结识了著名生理学家缪勒(1801~1858)和物理学教授马格诺斯(1802~1870)。

亥姆霍兹1843年毕业,应征到普鲁士军队当军医。1848年前往阿尔贝托大学任解剖学助理研究员和非常任生理学教授。1849年他应聘柯尼斯堡大学生理学和普通病理学教授。1858年任海德尔堡大学生理学教授。1871年接替马格诺斯任柏林大学物理学教授。1873年当选为英国伦敦皇家学会的外国会员,被授予柯普利奖章。1882年受封爵位。1887年被任命为新成立的柏林复洛滕堡物理技术学院院长。

亥姆霍兹原来是研究生理学的,在对生理过程和动物热的来源进行分析的时候,发现著名化学家李比希的活力学说有问题。李比希认为活的机体会从一种“活力”取得能量。亥姆霍兹认为,如果生物机体除了从食物发热取得能量外,还可以从某种“活力”得到能量,那么生物机体就成了永动机。说得通俗一点,就是人不吃饭也可以从“活力”中得到能量而活下去。亥姆霍兹认为永动机是不可能实现的。他把自己的观点加以整理,写成《论力的守恒》一文,送到德国《物理学年鉴》,但却,被主编泼根道夫退了回来。

亥姆霍兹坚信自己的观点。1847年7月2日他在柏林物理学会的一次讲演中报告了这篇论文。

他全面阐述了能量守恒和转换定律,认为不仅热能和机械能,而且各种形式的能都是等效的。他用12mv2来表示“活力”,也就是现在所说的动能。这篇论文表明,亥姆霍兹是能量守恒定律的创立者之一。

亥姆霍兹对电动力学也很有研究,是正确阐述法拉第和麦克斯韦理论的第一批德国学者之一。他证明了法拉第感应电流之所以存在是由于能量守恒的结果。1871年亥姆霍兹普预言电磁感应的传播速度是每秒31万4千千米。1881年他从法拉第电解定律分析出电的基元可能是粒子。特别值得一提的是,1878年夏季,亥姆霍兹在柏林大学出了一个物理竞赛题目,征求用实验方法验证麦克斯韦电磁理论。在亥姆霍兹的鼓励和指导下,他的学生赫兹经过八九年的探索,终于在1887年成功地作出了电磁波的传播实验。

此外,亥姆霍兹对人眼的光学结构、色觉和乐音的物理性质都很有研究。1856年~1868年,亥姆霍兹完成了《生理学手册》的编著。他是第一位用物理学的方法研究神经系统的学者,1850年他成功地测量出神经脉动的传播速率大约是10倍声速的数量级。

亥姆霍兹是19世纪一位“万能”博士,一身兼任生理学家、物理学家、数学家以及机智的实验家等多种头衔。19世纪末,一位评论家对亥姆霍兹写过这样的话:“他从研究生理学开始,解剖了眼睛的耳朵,探索它们是怎样起作用的,准确构造是怎样的。但是,他发现要研究眼睛和耳朵的作用,就不能不同时研究光和声的本性,这导致他研究物理学。当他开始研究物理学的时候,已经是这个世纪最有成就的生理学家之一,以后他又成了这个世纪最伟大的物理学家之一。可是他又发现,要研究物理学不能不掌握数学,就又研究数学,成为这个世纪最有成就的数学家之一。”

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