Hermann von Helmholtz

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.