Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821 – 1894)
Er gilt als einer der größten Naturwissenschaftler und Universalgelehrten des 19. Jahrhunderts: Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz. Er wurde am 31. August 1821 in Potsdam als Sohn des Gymnasiallehrers Ferdinand Helmholtz und Caroline Penne, Tochter des königlich preußischen Hauptmann, geboren. Er war der älteste von sechs Kindern und ein etwas schwaches Kind. Bis zu seinem siebten Lebensjahr litt er an körperlichen Krankheiten und verbrachte die meiste Zeit im Bett. Trotzdem suchte er immer nach Unterhaltung und Beschäftigungen.
Eines seiner Lieblingstätigkeit war das Spielen mit Bauhölzern. Trotz seiner regelmäßigen Krankheiten besuchte er schon mit sieben Jahren die Volksschule des Potsdamer Schullehrerseminars und überraschte schon damals die Lehrer durch seine schnelle Auffassung und seinem Wissen in der Geometrie. Durch viele Sportübungen und Spaziergänge mit seinem Vater verbesserte sich die Gesundheit von Hermann von Helmholtz und er entdeckte dadurch auch seine Vorliebe zur Natur. Im Jahr 1830 kam er an das Gymnasium in seiner Heimatstadt, das er bis 1838 besuchte und an dem auch sein Vater als Direktor tätig war. Unter seinen Lehrern galt er als ein guter Schüler, er folgte dem Unterricht mit Eifer, so dass die Teilnahme am Unterricht sehr gelobt wurde. Auch die Zeugnisse zeigen, wie zufrieden die Lehrer mit ihm waren und er erlangte somit schon nach einem Jahr die Reife für die Quarta. Er hatte jedoch noch Mängel mit seinem Gedächtnis, beispielsweise konnte er, wenn er neue Sprachen lernte, sich die Vokabeln nicht merken oder die unregelmäßigen Formen der Grammatik. Wohingegen er sich Gedichte von großen Meistern leicht merken konnte, jedoch die gekünstelte Verse von Meistern zweiten Ranges lange nicht so gut.
Erst das Studium, dann der Militärdienst
Schon mit 17 Jahren hatte er dafür sehr großes Interesse an Physik und der Naturwissenschaft. Er fand während seiner Schulzeit in der Bibliothek physikalische und chemische Bücher seines Vaters, die er mit sehr großem Interesse las. Nach dem Abitur wollte Helmholtz Physik und Naturwissenschaft studieren, jedoch gab es damals für diese Studiengänge noch nicht so viel Geld. Deshalb wollte der Vater, dass sein Sohn in der 1795 gegründeten Pepinière, ab 1818 königlich-medizinischen-chirurgischen Friedrich-Wilhelms-Institut genannt, Medizin studiert, da er damals als Lehrer nicht so gut verdiente. Jedes Jahr erhielten in diesem militärärztlichen Arbeitsraum 80 bis 90 Schüler ein kostenfreies und vierjähriges Studium, doch mit der Voraussetzung, dass sie danach acht Jahre dem Militär dienen. Somit begann Hermann von Helmholtz ab 1838 in Berlin, Medizin zu studieren. Während seiner Ausbildung besuchte er viele Vorlesungen an der Universität in Berlin wie beispielsweise Chemie, klinische Medizin, Anatomie und Physiologie und er vertiefte gleichzeitig seine Kenntnisse aus Büchern.
Dies weckte letzten Endes bei Helmholtz Interesse an physikalisch-chemischen Ursachen des Lebens und übte gleichzeitig einen bleibenden Eindruck auf ihn aus. Im Jahr 1841 begann Helmholtz mit Hilfe von Johannes Peter Müller seine Doktorarbeit zum Thema Histologie des Nervensystems zu schreiben. Er hatte sich nämlich das Ziel gesetzt, schon mit 20 Jahren zu promovieren. Und dies schaffte er auch 1842 mit einer Arbeit in mikroskopischer Anatomie, in der er erstmalig an wirbellosen Tieren den Ausgang der Nervenfasern von den Ganglienzellen nachwies. Diese Arbeit wurde zu einer wichtigen Grundlage der Neuroanatomie und der Neurophysiologie und somit arbeitete er ein Jahr als Unterarzt an der Charité und leistete eine Zeit lang praktische Dienste im Laboratorium von Johannes Müller.
Dort entwickelte Helmholtz erste Überlegungen zum Energieprinzip, die er aus Untersuchungen sowie über physiologische Wärmeerscheinungen ableitete. Dabei nahm er an, dass die Hypothese einer besonderen, alle Lebensvorgänge aufrechterhaltenden „Lebenskraft“ gleichbedeutend sei. Somit erschien im Jahre 1843 seine Abhandlung „Über das Wesen der Fäulnis und Gärung“. Ab 1843 arbeitet Helmholtz in Potsdam als Eskadronchirurgus und als Militärarzt im königlichen Regiment, denn das kostenlose Studium in der Medizin, an dem von ihm gewählten Institut hatte seine Verpflichtungen. Er musste einen anschließenden achtjährigen Militärdienst ablegen und wurde 1846 Militärarzt im königlichen Regiment. Während der Zeit als Militärarzt richtete er sich ein Labor ein und verfasste eine experimentelle Arbeit namens „Über den Stoffwechselverbrauch bei Muskelaktionen“.
Er beschäftigte sich mit den Augen und Ohren
Er lernte auch in dieser Zeit seine zukünftige Frau Olga kennen. Eine weitere Arbeit von Helmholtz war auch die Einführung der Gruppe „Deutsche Physikalische Gesellschaft in Berlin“, die von jungen Wissenschaftlern, alle im Alter von 23 bis 28 Jahren, am 14. Januar 1845 gegründet wurde. In dieser Gruppe präsentierte er 1847 seine Untersuchung über die Erhaltung der Kraft, in der er den Energieerhaltungssatz formulierte, zusammen mit mechanischen Wirkungen, die Energieumwandlung bei elektromagnetischen, thermoelektrischen, thermischen und andere Vorgängen. Dabei stellte er auch für die Herleitung des allgemeinen Induktionsgesetzes eine Energiebilanz auf. Dieses Prinzip war jedoch sehr umstritten, da es zu Plagiats-Vorwürfen kam. Durch die Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf Lebewesen widersprach Helmholtz den Vorwürfen jedoch.
1848 wurde Helmholtz aus dem Militärdienst entlassen und bekam an der Berliner Kunstakademie eine neue Stelle. Dort unterrichtete er Anatomie. Ein Jahr später heiratete er seine Verlobte Olga von Velten und erhielt einen Ruf als Professor der Physiologie und Pathologie nach Königsberg. Dort beschäftigte er sich intensiv mit den Sinnesorganen Auge und Ohr. Durch die ganzen Forschungen entwickelte er 1850 den Augenspiegel zur Betrachtung des Augenhintergrundes durch die Pupille. Augenärzte verdanken heute Helmholtz den so genannten Augenspiegel, denn dadurch konnte man neue Heilmöglichkeiten bei Augenleiden erschließen.
Er musste sehr vorsichtig sein
Ebenso erfand er 1851 das Ophthalmometer zur Bestimmung der Krümmungsradien der Augenhornhaut, sowie 1857 das Telestereoskop. Ebenso befasste er sich mit der Messung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Nervenimpulses, indem er den Zeitunterschied zwischen Reizung und Zuckung des Froschmuskels maß und dabei eine Apparatur zur Messung der Nervenleitgeschwindigkeit an Fröschen entwickelte. Es dauerte eine Weile, dass sich der Reiz, welchen ein elektrischer Strom auf einen Frosch ausübt, bis zum Eintritt der Schenkelnerven in den Wadenmuskeln verteilt.
Bei diesem Versuch arbeitete Helmholtz sehr vorsichtig, denn es war sehr schwer die kleinsten Zeiten zu messen. Dabei verwendete er eine rotierende rußgeschwärzte Trommel, das sogenannte „Myographion“. Damit konnte er die Verkürzungen des Muskels aufnehmen und die Erregungsleitungsgeschwindigkeit im Nerven anordnen, eine bedeutende Kombination aus einer physikalischen und einer physiologischen Methode. Im Juli 1850 wurden die Entwicklungen und Ergebnisse dieser Arbeit mit dem Titel „Messungen über den zeitlichen Verlauf der Zuckungen animalischer Muskeln und die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Reizung der Nerven“ veröffentlicht. 1851 zog Helmholtz mit seiner Frau Olga nach Bonn, da sie krank wurde und das kalte Klima in Königsberg nicht ertragen konnte.
Ein sehr beliebter Professor
Dort bekam er den vakanten Lehrstuhl für Anatomie und Physiologie. Doch war er dort mit seiner Stelle von Anfang an nicht zufrieden und nahm sieben Jahre später ein gutbezahltes Angebot an der Universität in Heidelberg an. Mit seiner Tätigkeit als Universitätsprofessor war er bei den Studierenden sehr beliebt, da er die Vorlesungen immer sehr interessant gestaltete und somit die Studenten mit voller Aufmerksamkeit an seinem Unterricht teilnahmen. In Heidelberg beschäftigte er sich auch gleichzeitig mit der akustischen und optischen Physiologie. Er versuchte 1863 durch eine mathematische Lösung die Klangfarbe durch Obertöne zu erklären und somit „Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik.
Mit mathematischen Fragestellungen der Geometrie und mit Hydro-und Elektrodynamik beschäftigte er sich auch, dabei suchte Helmholtz einen Mittelweg zwischen den Theorien von Franz Ernst Neumann und James Clerk Maxwell. Damit er die Theorie der Elektrodynamik untersuchen konnte, nahm er dabei viel Zeit in Anspruch. Er wollte wissen, wieso der Effekt so gering ist, wenn elektrische Induktionsschläge auf tiefergelegene Nerven im Körper des Menschen ausüben. Dabei stellte er fest, dass die Stärke der Schläge mit dem Abstand vom Elektrodenpaar schneller abnahm. Helmholtz hatte das Ziel, einander widersprüchlichen elektrodynamischen Theorien auf ihre mathematische und physikalische Stimmigkeit zu testen und durch Zusatzexperimente Beweise zu schaffen.
Helmholtz hatte ein sehr breites Forschungsgebiet
Er entwickelte auch die Vorstellungen M. Faradays und J. C. Maxwells von elektrischen und magnetischen Vorgängen weiter und vermutete, dass es elektromagnetische Wellen geben müsse, die sich wie Lichtwellen fortpflanzen. Sein großer Schüler, Heinrich Hertz, übernahm die Bearbeitung des ganzen Problems und wies 1888 die Existenz der elektromagnetischen Wellen experimentell nach. Des Weiteren beschäftigte er sich in der Hydrodynamik mit der Aufstellung der Wirbelsätze. Dabei beobachtete er das Verhalten und die Bewegung der Wirbeln in reibungsfreien Flüssigkeiten. Im Jahr 1871 nahm er die Stelle an der Friedrich-Wilhelm-Universität in Berlin als Professor für Physik und wurde Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. Sechs Jahre später wurde er zum Rektor der Berliner Universität gewählt und für seine Arbeiten wurde das „Physikalische Institut“ am Reichstagsufer gebaut.
Helmholtz hatte ein sehr breites Forschungsgebiet. Von der Medizin über Physik und Mathe bis hin zu Physiologie und Musik schaffte er viele Neuerungen in der Elektrotechnik und Optik. 1888 wurde Helmholtz zum ersten Präsidenten der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg gewählt. Zu seinen Ehren steht vor der Humboldt-Universität in Berlin eine Statue.
Helmholtz Spule
Einer der bekanntesten Erfindungen Helmholtz ist auch die Helmholtz Spule, die heute noch in der Schule gelehrt wird. Dabei geht es um zwei relativ kurze Spulen mit recht großem Radius. Die Spulen sind miteinander und mit einer Stromquelle verbunden und der Abstand zwischen den beiden Spulen ist gleich groß wie der Radius. Der Strom, der durch den Leiter fließt, löst ein unsichtbares Magnetfeld, doch bei einer einzelnen Spule geht das schwer, denn der zufließende Strom ist meistens ungleich. Somit muss man die beiden Spulen im richtigen Abstand aufstellen, damit sich beide Magnetfelder überlagern, sodass ein einziges homogen ausgerichtetes Magnetfeld entsteht. Das Feld ist dabei parallel ausgerichtet – für viele physikalische Experimente sehr bedeutend.
Helmholtz Resonator
Helmholtz-Resonatoren sind akustische Systeme und spielen eine wichtige Rolle in unserem Leben. Durch den deutschen Physiker Hermann von Helmholtz, der das Prinzip des Helmholtzresonators entdeckte, hat dieses inzwischen in vielen Bereichen Anwendung gefunden. Sie bestehen aus schwingenden Luftpfropfen und einem angekoppelten Luftvolumen. Es gibt viele Formen davon, wie beispielsweise Bassreflexgehäuse von Lautsprechern und Wandverkleidungen, leere Weinflaschen und Korpus eines Saiteninstruments. Wobei sich an leeren Weinflaschen die Geometrie und die Funktionsweise des Helmholtz-Resonators am einfachsten erklären lässt. Durch die Luft im Flaschenhals bildet sich ein Luftpfropfen und mit dem restlichen Luft das angekoppelte Luftvolumen. Aus der spezifischen Dichte der Luft und aus seiner Geometrie ergibt sich eine akustische Masse des Lufttropfens. Auf dem federnden Luftkissen lagert sich der restliche Flaschenvolumen. Mit einer Resonanzfrequenz bildet sich ein schwingendes System und somit lässt sich die Flaschenöffnung durch Anblasen anregen. Helmholtz-Resonatoren werden häufig genutzt, um Schall zu verstärken. Beispielsweise bei Saiteninstrumenten wird durch die Schwingung der Saiten viel zu wenig Schallenergie abgestrahlt. Erst durch die Ankopplung des Korpus mit seinen Öffnungen entsteht eine ausreichende Lautstärke.
Helmholtz-Differentialgleichung
Es gibt eine partielle Differentialgleichung nach Hermann von Helmholtz und diese lautet:
Die Helmholtz-Gleichung entsteht in der Elektrodynamik aus der Wellengleichung für das Vektorpotential bei Annahme harmonischer Zeitabhängigkeit.
Die Helmholtz-Gemeinschaft
Die Helmholtz-Gemeinschaft ist eine naturwissenschaftlich-technische und biologisch-medizinische Anstalt, in der sich 15 Forschungszentren zusammengeschlossen haben. Ziel dabei ist es, dauerhafte Forschungsziele des Staates und der Gesellschaft zu verfolgen.
Der Namensgeber der Gemeinschaft, Hermann von Helmholtz, gilt mit seinen Arbeiten in der Naturwissenschaft, Medizin, Physik und Chemie als einer der letzten Universalgelehrten. Helmholtz stellt in seiner Person die Physik in Theorie, Experiment und technologischer Anwendung dar. Er starb am 8. September 1894 in Berlin an den Folgen eines Schlaganfalls. Er war einer der gefragtesten Wissenschaftler seiner Zeit. Noch heute wird in seinem Sinne weiter geforscht. Die nach ihm benannte Helmholtz-Gemeinschaft ist mit über 31.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 17 Forschungszentren und einem Jahresbudget von rund 3,3 Milliarden Euro die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands.
Nach Hermann von Helmholtz sind benannt:
- 1891: Helmholtz-Statue vor der Humboldt-Universität Berlin
- 1892: Die Helmholtz-Medaille der Preußischen Akademie der Wissenschaften
- die Helmholtz-Medaille der Deutschen Gesellschaft für Akustik
- seit 1995: Die Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
- mehrere Gymnasien
- seit 1935 der Mondkrater Helmholtz
- seit 1973 der Marskrater Helmholtz
- Die Helmholtz-Spule
- Der Helmholtz-Resonator
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Helmholtz Differentialgleichung
