Hermann von Helmholtz

Bedeutung und Lebensweg

Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz, ab 1883 von Helmholtz, wurde am 31. August 1821 in Potsdam geboren und starb am 8. September 1894 in Charlottenburg bei Berlin. Er war Mediziner, Physiologe und Physiker und gilt als einer der einflussreichsten Naturwissenschaftler seiner Zeit. Als Universalgelehrter arbeitete er unter anderem zur mathematischen Theorie der Optik, Akustik, Elektrodynamik, Thermodynamik und Hydrodynamik. Besonders wichtig sind seine endgültige Formulierung des Energieerhaltungsgesetzes, die erste Messung der Nervenleitgeschwindigkeit und seine Beiträge zur Dreifarbentheorie des Sehens.

Helmholtz besuchte die „Große Stadtschule“ in Potsdam, an der sein Vater Direktor war. Weil Physik damals als unsichere berufliche Grundlage galt, studierte er ab 1838 Medizin am Medizinisch-chirurgischen Friedrich-Wilhelm-Institut in Berlin. 1842 wurde er mit einer Arbeit über das Nervensystem der Wirbellosen promoviert. Danach arbeitete er kurz an der Charité und diente ab 1843 in Potsdam als Militärarzt. 1848 wurde er auf Empfehlung Alexander von Humboldts vorzeitig aus dem Militärdienst entlassen und unterrichtete Anatomie an der Berliner Kunstakademie.

Seine akademische Laufbahn führte ihn über Professuren für Physiologie in Berlin, Königsberg, Bonn und Heidelberg. 1871 übernahm er eine Professur für Physik an der Friedrich-Wilhelms-Universität Berlin. Von 1877/1878 war er Rektor der Universität, von 1878 bis 1894 Präsident der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin. 1888 wurde er erster Präsident der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Charlottenburg, die für einheitliche Normen in Messwesen und Elektrotechnik wichtig wurde.

Physiologie: Auge, Ohr und Nerven

In der Physiologie untersuchte Helmholtz vor allem Nerven, Muskeln, Auge und Ohr. Bereits 1842 wies er in seiner Doktorarbeit den Ursprung der Nervenfasern aus Ganglienzellen nach. 1846 verfasste er eine experimentelle Arbeit über den Stoffwechselverbrauch bei Muskelaktionen. Zusammen mit Emil Du Bois-Reymond, Ernst Brücke und Carl Ludwig gehörte er zu einer einflussreichen Gruppe, die physiologische Vorgänge mit physikalischen Methoden untersuchte.

Eine seiner wichtigsten Erfindungen war der Augenspiegel, auch Ophthalmoskop genannt. Er entwickelte ihn im Herbst 1850 ausgehend vom Prinzip der Totalreflexion. Mit diesem Instrument konnte man den Augenhintergrund, besonders die Netzhaut, im lebenden Auge betrachten. Dadurch wurden krankhafte Veränderungen sichtbar, etwa Retinopathien bei manchen Nierenleiden. Ab 1851 eröffnete der Augenspiegel der Augenheilkunde neue Möglichkeiten.

Helmholtz entwickelte außerdem eine Apparatur zur Messung der Nervenleitgeschwindigkeit an Fröschen, das Myographion. Er zeigte, dass ein Reiz nicht sofort, sondern in messbarer Zeit entlang eines Nervs weitergeleitet wird. Bei großen Fröschen mit 50 bis 60 Millimeter langen Nerven maß er unter bestimmten Temperaturbedingungen eine Zeitdauer von 0,0014 bis 0,0020 Sekunden.

Für das Verständnis des Sehens war Helmholtz ebenfalls zentral. 1852 verhalf er der von Thomas Young aufgestellten additiven Theorie des Farbensehens zum Durchbruch: Drei Grundfarben genügen, um alle anderen Farben zu erzeugen. Daraus leitete er die Vermutung ab, dass es drei Arten von Fotorezeptorzellen im Auge geben müsse; dies wird Dreifarbentheorie genannt. 1851/1852 erfand er das Ophthalmometer zur Bestimmung der Krümmungsradien der Augenhornhaut. 1855 formulierte er in „Ueber die Accommodation des Auges“ eine bis heute gültige Theorie der Akkommodation, also der Anpassung der Linse beim Nahsehen durch den Ziliarmuskel.

Auch das Hören untersuchte er physikalisch und mathematisch. Er entwickelte eine Theorie, die Klangfarbe durch Obertöne erklärt, sowie eine Resonanztheorie des Hörens. Darauf aufbauend erschien 1863 „Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik“.

Physik und Energieerhaltung

In der Physik wurde Helmholtz besonders durch seine Abhandlung „Über die Erhaltung der Kraft“ von 1847 bekannt. Darin formulierte er den Energieerhaltungssatz genauer aus, als Julius Robert von Mayer es 1842 getan hatte, und trug wesentlich dazu bei, dass dieses zunächst umstrittene Prinzip anerkannt wurde. Der Energieerhaltungssatz besagt, dass Energie nicht verloren geht oder aus dem Nichts entsteht, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt wird. Helmholtz wandte dieses Prinzip auch auf Lebewesen an und widersprach damit den Vitalisten, die eine besondere „Vitalkraft“ als Grundkraft des Lebens annahmen.

Mit seinen Wirbelsätzen von 1858 und 1868 beschrieb Helmholtz das Verhalten und die Bewegung von Wirbeln in reibungsfreien Flüssigkeiten. Damit lieferte er wichtige Grundlagen der Hydrodynamik; die mathematischen Grundlagen wurden als Helmholtz-Theorem bekannt. In der Elektrodynamik suchte er einen Ausgleich zwischen den Theorien von Franz Ernst Neumann und James Clerk Maxwell.

Helmholtz arbeitete auch zu Naturphänomenen wie Wirbelstürmen, Gewittern und Gletschern. Durch mathemisch ausgearbeitete Untersuchungen solcher Vorgänge wurde er als Begründer der wissenschaftlichen Meteorologie bezeichnet. Zu seinen späteren wichtigen Leistungen gehören drei Abhandlungen über die „Thermodynamik chemischer Vorgänge“ von 1882/1883. Darin wandte er die Hauptsätze der Thermodynamik auf die Elektrochemie an und führte den Begriff und die Funktion der freien Energie ein. Mit ihr lässt sich voraussagen, ob eine elektrochemische Reaktion nach den Gesetzen der Thermodynamik möglich ist; in diesem Zusammenhang steht die Gibbs-Helmholtz-Gleichung.

Geräte, Gleichungen und Prinzipien

Mehrere Begriffe und Geräte tragen Helmholtz’ Namen. Die Helmholtz-Spule ist eine einfache Anordnung zur Erzeugung eines nahezu homogenen Magnetfeldes, also eines Magnetfeldes mit fast gleicher Feldstärke in einem größeren Bereich. Sie besteht aus zwei koaxial gegenüberstehenden Ringspulen mit gleicher Windungszahl; ihr Abstand ist gleich ihrem Radius. Werden beide Spulen gleichsinnig von Strom durchflossen, entsteht ein Bereich mit konstanter Feldstärke. Werden sie gegensinnig durchflossen, entsteht innen ein weitgehend konstanter Feldgradient.

Der Helmholtz-Resonator ist ein akustischer Resonator, also ein schwingungsfähiges System, das bei seiner Eigenfrequenz besonders stark mitschwingt. Er besteht aus einer luftgefüllten Hohlkugel mit Öffnung und wurde zur Klanganalyse verwendet. Heute findet das Prinzip verschiedene Anwendungen, zum Beispiel bei der Resonanzaufladung in Automotoren zur Leistungssteigerung und Verbrauchsreduzierung.

Die Helmholtz-Gleichung ist eine allgemeine partielle Differentialgleichung. Sie lautet: Δφ + k²φ = 0. Dabei ist Δ der Laplace-Operator. In der Elektrodynamik ergibt sich eine entsprechende Helmholtz-Gleichung aus der Wellengleichung für das Vektorpotential in Lorenz-Eichung: ΔA⃗ + ω²με A⃗ = ΔA⃗ + (ω²/c²)A⃗ = 0.

Das Überlagerungsprinzip nach Helmholtz gilt für Netzwerke mit nur linearen Widerständen und unabhängigen Quellen, also Stromquellen und/oder Spannungsquellen. Die Wirkung, also Strom oder Spannung, an einer Stelle des Netzwerkes ist gleich der Summe der Wirkungen jeder einzelnen Quelle, wenn die übrigen Quellen durch ihre idealen Innenwiderstände ersetzt werden. Ideale Spannungsquellen werden kurzgeschlossen, ideale Stromquellen durch einen Leerlauf ersetzt. Das Prinzip gilt nur für Ströme und Spannungen, nicht für Leistungen.

Wissenschaftliches Denken und Wahrnehmung

Helmholtz verband Physik, Physiologie, Psychologie und Ästhetik. Seine Forschung zeigte, dass biologische Vorgänge nicht von den Naturgesetzen getrennt betrachtet werden müssen. Aus Untersuchungen zu Gärung, Fäulnis und Wärmeproduktion der Lebewesen, die er vor allem auf Muskelarbeit zurückführte, gelangte er zur Formulierung des Energieerhaltungssatzes. In Heidelberg arbeitete er ab 1858 gleichzeitig an medizinischen Grundlagen der optischen und akustischen Physiologie, an theoretischer Physik wie Hydro- und Elektrodynamik sowie an mathematischen Fragen.

Auch erkenntnistheoretische Fragen waren für ihn wichtig. Erkenntnistheorie untersucht, wie Menschen Wissen gewinnen und begründen. Helmholtz beschäftigte sich mit Zählen und Messen sowie mit der Allgemeingültigkeit des Prinzips der kleinsten Wirkung. Aufgrund seiner optischen und akustischen Untersuchungen änderte er den klassischen Begriff der Wahrnehmung: Wahrnehmung war für ihn nicht bloß unmittelbares Abbilden, sondern enthält Verarbeitung. Im „Handbuch der Physiologischen Optik“ von 1867 beschrieb er die Rolle des unbewussten Schlusses für die Wahrnehmung. Damit meinte er, dass das Gehirn aus Sinneseindrücken Schlüsse zieht, ohne dass man diesen Vorgang bewusst bemerkt.

Im Gegensatz zu Kant lehnte Helmholtz feste Anschauungsformen ab und hielt es daher für möglich, nichteuklidische Geometrien anschaulich zu machen. Außerdem geht das Vier-Phasen-Modell des kreativen Prozesses auf Beobachtungen von Helmholtz zurück.

Familie, Anerkennung und Schriften

Helmholtz war zweimal verheiratet. 1849 heiratete er Olga von Velten, die 1859 starb. Aus dieser Ehe gingen Richard und Katharina hervor. 1861 heiratete er Anna von Mohl; mit ihr hatte er Robert, Ellen und Friedrich Julius. Insgesamt hatte Helmholtz fünf Kinder. In der letzten Phase seines Lebens trafen ihn mehrere persönliche Verluste, darunter der Tod seines Sohnes Robert 1889 und der Tod seines Freundes Werner von Siemens 1892. Helmholtz starb 1894 an einem zweiten Schlaganfall und wurde auf dem Friedhof Wannsee beigesetzt; sein Grab ist seit 1967 Ehrengrab der Stadt Berlin.

Helmholtz erhielt zahlreiche Ehrungen. Seine Heimatstadt Potsdam ernannte ihn am 31. August 1891, anlässlich seines 70. Geburtstages, zum Ehrenbürger. Nach ihm benannt sind unter anderem die Helmholtz-Medaille der Preußischen Akademie der Wissenschaften, die Helmholtz-Medaille der Deutschen Gesellschaft für Akustik, zahlreiche Helmholtz-Zentren und Helmholtz-Institute unter dem Dach der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren seit 1995, Schulen, Straßen, Plätze, die Pflanzengattung Helmholtzia, der Mondkrater Helmholtz, der Marskrater Helmholtz und der Asteroid (11573) Helmholtz.

Zu seinen wichtigen Schriften gehören „Über die Erhaltung der Kraft“ von 1847, „Beschreibung eines Augen-Spiegels zur Untersuchung der Netzhaut im lebenden Auge“ von 1851, „Ueber die Accommodation des Auges“ von 1855, „Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik“ von 1863 und das „Handbuch der physiologischen Optik“ von 1867. Diese Werke zeigen die Breite seiner Arbeit zwischen Medizin, Sinnesphysiologie, Physik, Mathematik und Erkenntnistheorie.