Hermann von Helmholtz

Hermann von Helmholtz (sünninimega Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz; 31. august 1821 Potsdam, Preisimaa, Saksamaa – 8. september 1894 Charlottenburg, Berliin, Saksamaa) oli saksa teadlane ja filosoof.

Ta andis olulise panuse nii psühholoogia, optika, elektrodünaamika, matemaatika kui ka meteoroloogia alustesse. Tema suurimaks teadussaavutuseks peetakse energia jäävuse seadust. Ta tõi oma laboratoorsetesse uuringutesse oskuse analüüsida filosoofilisi oletusi, millel põhines suur osa 19. sajandi teadusest, ning ta tegi seda selguse ja täpsusega.

Helmholtz sündis gümnaasiumi direktori Ferdinand Helmholtzi pojana. Isa oli õppinud klassikalist filoloogiat ja filosoofiat ning oli kirjastaja ja filosoofi Immanuel Hermann Fichte lähedane sõber. Fichte ja Immanuel Kanti mõju on tunda ka Hermann von Helmholtzi loomingus: ta püüdis nende teooriaid ühendada empiiriliste andmetega, mis saadi näiteks füsioloogiast. Noorena huvitus Helmholtz loodusteadustest, aga isa soovil õppis ta meditsiini Berliinis asuvas Charité ülikoolis, sest seal olid meditsiinitudengitele stipendiumid. Ta töötas algul sõjaväearstina, hiljem 1849–1871 Königsbergi, Bonni ja Heidelbergi ülikoolis füsioloogiaprofessorina. Alates 1868 oli ta Peterburi ülikooli väliskorrespondentliige, alates 1871 Berliini Teaduste Akadeemia liige ja Friedrich Wilhelmi Ülikooli professor ning alates 1888 Berliini Riikliku Füüsika- ja Tehnikainstituudi president.

Tema doktoritöö juhendaja oli Johannes Peter Müller.^[1] Tema enda õpilaste hulka kuulusid teiste seas Max Planck, Albert Abraham Michelson ja Heinrich Rudolf Hertz.

Helmholtz oli pere neljast lapsest vanim. Nõrga tervise tõttu viibis ta esimesed seitse aastat kodus. Tema isa oli filosoofia ja kirjanduse õpetaja Potsdami gümnaasiumis ning tema ema pärines Pennsylvania asutaja William Penni suguvõsast. Oma emalt oli ta saanud rahuliku ja tagasihoidliku meele, mis iseloomustas teda terve elu. Isalt oli ta saanud rikka, kuigi segunenud, intellektuaalse pärandi. Isa õpetas talle klassikalisi keeli, samuti prantsuse, inglise ja itaalia keelt. Ta tutvustas pojale Immanuel Kanti ja Johann Gottlieb Fichte filosoofiat ning lähenemist loodusele, mis pärines nende filosoofilistest nägemustest. See "loodusfilosoofia" muutus varase 19. sajandi uurijate kätes spekulatiivseks teaduseks, milles leiti, et teaduslikke järeldusi saab tuletada filosoofilistest ideedest, mitte loodusliku maailma jälgimisel kogutud empiirilistest andmetest. Paljud Helmholtzi hilisematest töödest olid pühendatud selle vaatenurga ümberlükkamisele. Tema empiirilisus oli sellest hoolimata alati sügavalt mõjutatud isalt päritud esteetilisest tundlikkusest ning ka muusika ja maalikunst mängisid suurt rolli tema lähenemises teadusele.^[2]

Pärast gümnaasiumi lõpetamist astus Helmholtz 1838. aastal Friedrich Wilhelmi meditsiiniinstituuti Berliinis, kus ta sai tasuta meditsiinihariduse tingimusel, et ta teenib 8 aastat sõjaväes arstina. Instituudis tegi ta uuringuid tolleaegse parima saksa arsti Johannes Peter Mülleri käe all. Ta käis füüsikaloengutes, töötas läbi kõrgema matemaatika õpikud ning õppis mängima klaverit tasemel, mis hiljem aitas tal töötada kõla tunnetamise teooriatega.^[2]

Pärast meditsiinikooli lõpetamist 1843. aastal suunati Helmholtz Potsdami rügementi. Kuna tal oli vähe sõjaväelisi kohustusi, tegi ta eksperimente oma kasarmusse püsti pandud ajutises laboratooriumis. Sel ajal abiellus ta ka Olga von Velteniga, kes oli sõjaväes töötava kirurgi tütar. Peagi vabastas Helmholtzi ilmselge teaduslik võimekus ta kohustustest sõjaväe ees. 1848. aastal määrati ta assistendiks anatoomiamuuseumis ning õppejõuks Kunstide akadeemias Berliinis. Järgmisel aastal kolis ta Königsbergi Ida-Preisimaal (nüüdne Kaliningrad), et saada abiprofessoriks ja Füsioloogilise instituudi direktoriks. Paraku mõjus Königsbergi karm kliima halvasti tema naise tervisele, nii et 1855. aastal sai temast anatoomia ja füsioloogia professor Bonni ülikoolis ning 1858. aastal kolis ta Heidelbergi. Nende aastate jooksul suundusid tema teaduslikud huvid füsioloogiast füüsikasse. Tema kasvavat teaduslikku tähtsust tunnustati 1871. aastal füüsika professori ametikoha pakkumisega Berliini ülikooli; 1882. aastal tõstmisega aadliseisusse; ning 1888. aastal määramisega kõrgeimaks direktoriks Füüsika-tehnika instituudis Berliinis. Sellel ametikohal töötas ta oma elu lõpuni.^[2]

Ametikohtade mitmekesisus näitab tema huvisid ja kompetentsi, kuid ei peegelda viisi, kuidas tema mõistus töötas. Ta mitte ei alustanud meditsiinis, ei liikunud edasi füsioloogiasse ega jätkanud matemaatika ja füüsikaga, vaid suutis kogemusi, mida ta omandas eri distsipliinidest, rakendada igale probleemile, mida uuris. Tema suurimat tööd, "Füsioloogilise optika käsiraamatut" (1867), kirjeldati – nagu ka kõiki teisi tema teaduslikke töid – terase filosoofilise nägemusena, mida kujundavad täpsed füsioloogilised uuringud ning illustreerivad matemaatiline täpsus ja tugevad füüsikalised põhitõed. Laiem teema, mis kulgeb läbi enamuse, kui mitte kogu Helmholtzi töö, pärineb tema "loodusfilosoofiast" loobumisest. Loobumise kirglikkus võib näidata just selle kaasakiskuva nägemuse varajast atraktiivsust tema jaoks. "Loodusfilosoofia" pärines Kantilt, kes 1780. aastatel pani ette, et aja, ruumi ja põhjuslikkuse kontseptsioonid ei ole meelte kogemuse tulemid, vaid mõistuslikud atribuudid, mille kaudu on võimalik tajuda maailma. Sellest tulenevalt ei salvestanud teadvus pelgalt looduse korrapära, nagu empiirikud väitsid, vaid organiseeris tajude maailma selliselt, et peegeldades jumalikku põhjuslikkust, suudab ta järeldada maailma süsteemset toimimist mõnest aluspõhimõttest tulenevalt. Helmholtz oli sellele seisukohale vastu, väites, et kogu teadmine tuleb läbi meelte. Veelgi enam, kogu teadus saab olla ja peab olema taandatud klassikalise mehaanika seadustele, mis tema arvates ületavad mateeriat, jõudu ja hiljem ka energiat kui täiuslik reaalsus. Helmholtzi lähenemine loodusele oli ilmne juba tema esimestes teadustöödes, mida ta tegi Mülleri laboratooriumis oma doktoritöö raames. Nagu enamus biolooge, oli Müller vitalistina veendunud, et on võimatu taandada eluprotsesse tavalistele mehaanilistele füüsika ja keemia seaduspärasustele. Organism tervikuna oli tema arvates suurem kui pelgalt selle füsioloogiliste osade summa. Peab olema mingi elutähtis jõud, mis koordineerib organite füsioloogilist toimimist selleks, et tagada harmooniline ja orgaaniline toimimine, mis iseloomustab üht elusolendit. Selline elutähtis jõud ei allu teaduslikule katsetamisele ning Müller järeldas, et tõeliselt eksperimentaalne füsioloogia on seetõttu võimatu.^[2]

Mülleri laboratooriumis kohtus Helmholtz grupi noorte meestega, kelle hulgas oli ka Emil Heinrich Du Bois-Reymond, eksperimentaalse neurofüsioloogia asutaja, ja Ernst Wilhelm von Brücke, kellest sai hiljem inimsilma operatsioonide ekspert. Du Bois-Reymond väljendas nende vastuseisu Mülleri vaadetele avaldusega, mis täielikult väljendas ka Helmholtzi enda vaateid. "Brücke ja mina," kirjutas Du Bois-Reymond, "oleme lubanud üksteisele, et kinnitame elementaarset tõde selle kohta, et organismis ei ole muudel jõududel mingit võimu peale tavaliste füsiokeemiliste jõudude …"^[2]

Selle suhtumisega alustas Helmholtz 1842. aastal oma doktoritöö tegemist närvirakkude ja närvikiudude ühenduste teemal. See juhtis ta peagi laiemale uurimispõllule – loomade soojuse allikale. Hiljutised avaldatud kirjutised Prantsusmaal olid kahtluse alla seadnud varasemad kindlad veendumused sellest, et kogu soojus, mille looma keha toodab, tekib erinevate keemiliste elementide, nagu süsinik, vesinik ja hapnik koosmõju tulemusena. 1842. aastal üritas Justus von Liebig taasluua looma soojuse mehaanilist teooriat oma raamatus "Looma keemia" ("Animal Chemistry") või "Orgaaniline keemia ja selle rakendused füsioloogias ja patoloogias" ("Organic Chemistry in Its Application to Physiology and Pathology"). Liebig proovis teha seda eksperimentidega, samas kui Helmholtz valis palju üldisema tee. Olles omandanud teadmisi nii füüsikas kui ka matemaatikas, suutis Helmholtz seda, mida ükski tolle aja füsioloog isegi ei proovinud – allutada probleemi matemaatilisele ja füüsikalisele analüüsile. Ta eeldas, et kui eluline soojus ei ole kõikide orgaanilises kehas toimuvate keemiliste reaktsioonide ja neis osalevate ainete summa, siis peab selleks olema mõni muu soojusallikas, mis ei allu füüsikaseadustele. See oligi ju täpselt vitalistide argument. Kuid selline allikas, jätkas Helmholtz, annaks võimaluse luua igavesti liikuva masina juhul, kui seda soojust saaks mingil moel talitseda. Füüsika oli sellise igavesti liikuva masina loomise võimaluse ümber lükanud juba 1775. aastal kui Pariisi teaduste akadeemia sellisest otsusest teada andis. Seetõttu, järeldas Helmholtz, peab eluline soojus olema organismi mehaaniliste jõudude tulem. Sealt edasi üldistas ta oma tulemused teatades, et kogu soojus on seotud tavapäraste jõududega ning lõpuks kinnitades, et jõudu ennast ei saa kunagi hävitada. Tema uurimistöö "Jõu säilitamisest" ("On the Conservation of Force"), mis ilmus 1847. aastal, märkis epohhi lõppu nii füsioloogia kui ka füüsika ajaloos. Füsioloogias pani see aluse orgaanilise looduse määratlusele, mis lubas füsioloogidel edaspidi katsetada materjali ja energia tasakaaluga samamoodi nagu tegid seda kolleegid füüsikas ja keemias. Füüsika teadustele andis see ühe esimese ja kindlasti kõige selgema energia jäävuse printsiibi.^[2]

1850. aastal lõi Helmholtz veel ühe naela vitalismi kirstu. Müller oli kasutanud närviimpulsi näitena elulisest funktsioonist, mida ei saa kunagi teaduslikult mõõta. Helmholtz leidis, et see impulss on täiesti mõõdetav ja on märkimisväärselt madala liikumiskiirusega 90 jalga (27 meetrit) sekundis. See mõõtmistulemus saavutati müograafi leiutamisega ning illustreerib Helmholtzi võimet luua uusi instrumente. Närviimpulsi aeglus toetas omakorda nende väidet, kes leidsid, et see peab sisaldama kaalu omavate molekulide ümberpaiknemist, mitte elulise jõu müstilist liikumist.^[2]

Helmholtzi kõige väärtuslikumate leiutiste hulgast leiab ka optalmoskoobi ja optalmomeetri (või keratomeetri), mõlemad valmisid aastal 1851. (Inglise matemaatik ja leiutaja Charles Babbage arendas 1847. aastal välja instrumendi, mis sarnanes väga optalmoskoobiga). Töötades silmade kallal, ning muuhulgas näidates, et need pole sugugi perfektselt tehtud ning seega pole kooskõlas vitalistliku ideega jumalikust loomistööst, avastas Helmholtz, et ta saab suunata võrkkestalt peegelduvat valgust nii, et tekib koest selge kujutis. Optalmoskoop on jäänudki arstide üheks tähtsaimaks tööriistaks, mida saab kasutada uurimaks võrkkesta veresooni ning leidmaks viiteid kõrgele vererõhule või arteriaalsetele haigustele. Optalmomeeter suudab mõõta silma kohandumist muutuvate optiliste tingimustega aidates muuhulgas ka määrata sobivaid prille.^[2]

Helmholtzi uuringud silmade kohta sisalduvad tema "Füsioloogilise optika käsiraamatus" ("Handbook of Physiological Optics"), mille esimene osa ilmus aastal 1856. Teises osas (1867) uurib Helmholtz edasi optilisi ilminguid, ning mis kõige tähtsam, jõuab filosoofilise probleemini, mis köitis teda mitmeid aastaid – Kanti väide, et sellised baaskontseptsioonid nagu aeg ja ruum ei ole läbi kogemuste omandatavad, vaid on mõistuse loodud selleks, et mõista seda, mida me kogeme. Probleemi tegi keerulisemaks Mülleri väide, mida ta kutsus spetsiifiliste närvienergiate seaduseks. Müller avastas, et sensoorsed organid reageerisid alati endale omase aistinguga/tajuga olenemata sellest, kuidas neid stimuleeriti. Näiteks löök vastu silma, millel ei ole iseenesest midagi tegemist optiliste fenomenidega, kutsub esile löögi saajal "tähtede" nägemise. Ilmselgelt ei vahenda silm väga täpselt välismaailma, kuna reaalsuseks on löök, mitte tähed. Kuidas on siis võimalik usaldada seda, mida meie meeled annavad teada välismaailma kohta? Helmholtz uuris seda küsimust põhjalikult nii oma optikat käsitlevates töödes kui oma 1863. aastal ilmunud meistriteoses "Kõla tajumisest kui füsioloogilisest alusest muusikateooriale" ("On the Sensation of Tone As a Physiological Basis for the Theory of Music"). Mida ta üritas teha, täieliku eduta, oli jälgida aistingute liikumist läbi sensoorsete närvide ja anatoomiliste struktuuride (näiteks sisekõrva) ajju lootuses avastada taju täieliku mehhanismi. Tuleb märkida, et see ülesanne pole tänaseni lahendust leidnud ning füsioloogid püüavad siiani avada müsteeriumi selle kohta, kuidas meie meel teab üldse midagi välismaailmast.^[2]

Helmholtzi detailsed nägemise uuringud lubasid tal ümber lükata Kanti ruumi teooria, näidates väga täpselt kuidas nägemismeel loob ettekujutuse ruumist. Ruum oli Helmholtzi väitel õpitud, mitte loomulik kontseptsioon. Veelgi enam, Helmholtz ründas ka Kanti väidet, et ruum on kolmedimensiooniline, kuna sellisena pidi mõistus seda tajuma. Kasutades oma märkimisväärseid matemaatilisi andeid, uuris ta mitteeukleidilise ruumi omadusi ning näitas, et neid võib mõista ja nendega töötada sama lihtsalt kui kolmedimensioonilise geomeetriaga.^[2]

Helmholtzi matemaatilised anded ei olnud piiratud selliste teoreetiliste tasemetega nagu mitteeukleidilise geomeetria (non-Euclidean geometry). Ta ründas ja lahendas võrrandeid, mis olid füüsikuid ja matemaatikuid kaua frustreerinud. Aastal 1858 andis ta välja kirjutise teemal "Hüdrodünaamiliste võrrandite integraalid, millele kohanevad keeriste liikumised" ("On the Integrals of Hydrodynamic Equations to Which Vortex Motions Conform"). See ei olnud pelgalt matemaatiline jõuüritus, vaid lühikest aega tundus olevat võtmeks mateeria alusstruktuuridele. Üheks Helmholtzi matemaatilise analüüsi tulemuseks oli ideaalse vedeliku keeriste hämmastav stabiilsus, mis tähendas, et nad võisid elastselt üksteisega kokku põrgata, kokku põimuda ning moodustada keerulisi sõlmelaadseid struktuure ja taluda pinget ning rõhku kaotamata oma identiteete. Aastal 1866 tegi William Thomson (hiljem tuntud kui Lord Kelvin) ettepaneku, et need keerised, juhul kui nad koosnevad eetrist, mida peeti optiliste, elektriliste ning magnetiliste fenomenide aluseks, võiksid käituda täpselt nagu tahke aine iidsed aatomid. Seega saaks eetrist ainus kosmoses olev aine ning kõiki füüsikalisi fenomene saab mõõta selle staatiliste ja dünaamiliste omaduste kaudu.^[2]

Helmholtzi töö elektri ja magnetismiga näitas tema veendumust, et klassikaline mehaanika on ilmselt parim tõendusviis teaduslikes argumentatsioonides. Ta oli üks esimesi saksa teadlasi, kes hindas briti teadlaste Michael Faraday ja James Clerk Maxwelli töid elektrodünaamika valdkonnas. Faraday tundus raputavat Newtonliku füüsika alustalasid põlates ebatavalisel viisil kahe ruumis oleva keha omavahelise tegutsemise, muutmata nende vahel oleva meediumi, teooria. Maxwell omakorda näitas, tõlgendades Faraday seaduste matemaatikat, et newtonliku füüsika ning klassikalise mehaanika vahel ei ole vastuolusid. Helmholtz arendas edasi elektrodünaamilist matemaatikat. Ta veetis oma viimased aastad proovides edutult taandada kogu elektrodünaamikat väheste matemaatiliste printsiipideni. See oli katse, milles ta pidi üha rohkem toetuma eetri, mida peeti kogu ruumi läbivaks aineks, mehaanilistele omadustele.^[2]

Helmholtz ei nõustunud Maxwelliga täielikult elektri olemuse osas. Erinevalt Maxwellist oli Helmholtz huvitatud elektrokeemiast ning oli seda ka uurinud, eriti just galvaanilise raku olemust. Maxwell oleks pidanud elektrivoolu ainuüksi eetri, või mistahes meediumi kaudu vool liikus, polarisatsiooni tulemuseks. Helmholtz aga oli täiesti tuttav Faraday elektrolüüsi seadustega, mis seostasid elektrokeemilist rakku läbiva voolu hulga poolustele asetatud elementide samaväärsete raskustega. Aastal 1881 väitis Helmholtz Faraday auks peetud loengul Londonis, et kui teadlased aktsepteerisid keemiliste aatomite olemasolu, nagu ka enamik tolle aja keemikuid tegi, siis viitasid Faraday seaduspärasused elektri erilisele olemusele. See hüpoteetiline osake nimetati peagi elektroniks ning üksnes tema olemasolu füüsika aitas iroonilisel kombel ümber lükata Helmholtzi elektrodünaamika teooriad.^[2]

Kuigi ta oli edutu oma püüdlustes sõnastada elektrodünaamikat, suutis Helmholtz peaaegu järeldada kõiki elektromagnetilisi mõjusid eetri oletatavatest omadustest. Raadiolainete avastamist tema õpilase Heinrich Hertzi poolt aastal 1888 käsitleti kui eksperimentaalset kinnitust Faraday, Maxwelli ja Helmholtzi teooriatele. Albert Einsteini pakutud erilised ja üldised relatiivsusteooriad hävitasid Helmholtzi teooriad eetri kõrvaldamise läbi.^[2]

Helmholtzi varased tööd heli ja muusika osas olid pannud ta uurima lainete liikumist. Tema töö energia jäävusega tutvustas talle energia kandumise probleeme. Need kaks valdkonda liitusid hiljem tema meteoroloogia uuringutes, aga uuritavad fenomenid olid nii keerulised, et ta ei suutnud muud kui viidata tulevikus uurimist vajavatele valdkondadele.^[2]

Helmholtzi töö oli klassikalise mehaanika arengu lõppsaadus. Ta nihutas piire nii kaugele kui sai. Kui Helmholtz suri, oli füüsika maailm revolutsiooni äärel. Röntgenikiire, radioaktiivsuse ning relatiivsuse avastamine viis uut sorti füüsikani, milles Helmholtzi saavutustel, olgugi muljetavaldavatel, ei olnud palju pakkuda uuele generatsioonile.^[2]

Füsioloogias uuris Helmholtz värvitaju. Uuringute põhjal lõi ta akommodatsiooniteooria, leiutas oftalmoskoobi ja resonaatori ning kasutas seda helianalüüsiks, uurides heli tekkimise taju füsioloogilisi aluseid. Ta avastas soojuse tekke lihastes ja mõõtis seda. 1845–1847 uuris ta lihase kontraktsiooni. 1850–1854 uuris ja mõõtis ta erutuse levimise kiirust närvides.

1847 andis Helmholtz mehhanistliku seletuse energia jäävuse seadusele ning kasutas seda keemiliste, elektriliste ja füsioloogiliste protsesside uurimisel. Ta võttis kasutusele vabaenergia mõiste termodünaamikas (seda nimetatakse tema järgi ka Helmholtzi energiaks). Ta tõestas 1881 teoreetiliselt elementaarlaengu olemasolu. Mehaanikas uuris ta vähima mõju printsiipi ja hüdrodünaamikas pööriste teooriat. Lisaks uuris ta dispersiooniteooriat. Tema arvukad teadustööd ulatuvad teoreetilise füüsika vallast Päikesesüsteemi tekkimise ja universumi vanuse arutamiseni.

Helmholtzi nimetatakse ka üheks psühholoogia loojaks. Tema panus psühholoogiasse:

1. Youngi-Helmholtzi värvitaju teooria;
2. kuulmise resonantsi teooria (Ohmi seaduse seletus);
3. Johannes Mülleri spetsiifilise närvienergia printsiibi laiendus ühe tajumodaalsuse siseselt ("märgitud liinid");
4. tajumise üldised printsiibid:
   • teadvustamata otsustuste (unbewusster Schluss) reegel;
   • tajude (Wahrnehmung) aistingutest (Perzeption) eristamise reegel;
   • tajude kasulikkuse reegel.

• 1868 – Matteucci medal
• 1873 – Copley medal
• 1881 – Faraday lektori auhind
• 1888 – Alberti medal

• Helmholtzi pool

Pildid, videod ja helifailid Commonsis: Hermann von Helmholtz

• Henning Schmidgen. "The last polymath" Nature, 11. september 2018