一位偉大的科學(xué)全才
——紀(jì)念偉大的物理學(xué)家亥姆霍茲誕辰200周年

田 川 董 彥

（1.重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030；2.重慶市沙坪壩區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院，重慶 400030）

1991年3月27日至29日，全國(guó)首屆音樂物理與音樂心理研討會(huì)在北京大學(xué)北京現(xiàn)代物理研究中心召開.著名物理學(xué)家李政道教授為大會(huì)欣然題辭：“物理與音樂共鳴，聲波為科學(xué)交響”.全國(guó)許多著名物理學(xué)家、音樂家、心理學(xué)家和生理學(xué)家濟(jì)濟(jì)一堂.許多代表在講演中都談到了對(duì)物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、聲學(xué)做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的德國(guó)科學(xué)家亥姆霍茲.［1］

1 因?yàn)榧揖称胀ǘ鴱氖箩t(yī)學(xué)

1806年，拿破侖的大軍橫掃德意志，于是代表德國(guó)新興資產(chǎn)階級(jí)利益的改革者在奮起改造社會(huì)的同時(shí)，提出要以法國(guó)為榜樣，徹底改造德國(guó)的科學(xué)體制.洪堡、李比希、瑪格內(nèi)斯就是這些留法學(xué)生中的佼佼者.而瑪格內(nèi)斯后來的接班人便是亥姆霍茲.

赫爾曼·路德維?！じサ夏系隆ずツ坊羝潱℉ermannLudwigFerdinandvonHelmholtz）1821年8月31日生于柏林附近的波茨坦.亥姆霍茲的父親是一位大學(xué)預(yù)科教師，他的興趣廣泛，對(duì)美術(shù)、語言學(xué)、哲學(xué)、數(shù)學(xué)等都有廣泛的研究.這無疑對(duì)后來的亥姆霍茲產(chǎn)生過深遠(yuǎn)的影響.亥姆霍茲的母親是一位軍官的女兒，她把自己的全部精力都奉獻(xiàn)給了教育子女和勤儉持家的系列瑣事.

兒時(shí)的亥姆霍茲體弱多病，床上的積木陪他度過了8歲前的大部分時(shí)光，周圍的鄰居為小亥姆霍茲錯(cuò)過了一些學(xué)校教育而表示遺憾時(shí)，老亥姆霍茲則認(rèn)為，8歲前什么也沒有學(xué)或許不是什么壞事.父親常常帶著他在家鄉(xiāng)優(yōu)美的環(huán)境中散步借此培養(yǎng)他對(duì)大自然的無限熱愛之情.

入學(xué)后的亥姆霍茲對(duì)生硬的記背并不感興趣，但他的自學(xué)能力受到了高度的肯定.他甚至還能自制顯微鏡.15歲以后，亥姆霍茲的學(xué)習(xí)熱情像火山噴發(fā)一般，此時(shí)的亥姆霍茲向父親表達(dá)了自己想投身科學(xué)的強(qiáng)烈愿望.無奈，父親無法負(fù)擔(dān)大學(xué)教育的費(fèi)用，他不得不放棄直接從事所熱愛的物理學(xué)的想法，而進(jìn)入由軍隊(duì)贊助的威廉醫(yī)學(xué)院的定向軍醫(yī)專業(yè)，條件是畢業(yè)后從事數(shù)年的軍醫(yī).就這樣亥姆霍茲開始了他的醫(yī)學(xué)之旅.由于醫(yī)學(xué)院的師資不足，學(xué)生們常常要到柏林大學(xué)去旁聽，亥姆霍茲結(jié)識(shí)了著名的生理學(xué)家米勒（Muller）和物理學(xué)家瑪格內(nèi)斯.這段經(jīng)歷對(duì)亥姆霍茲日后的研究產(chǎn)生了重要而且積極的影響.

1842年11月2日亥姆霍茲憑借論文《論無脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)》通過答辯，獲得博士學(xué)位.

2 因?yàn)獒t(yī)學(xué)而走向生理學(xué)

1845年亥姆霍茲通過論文指出化學(xué)權(quán)威李比希關(guān)于食物發(fā)酵與腐敗是“純粹化學(xué)原因”的論斷存在問題，指出還存在其它原因.該研究使得亥姆霍茲名聲大噪，巴斯德（Pasteur）正是沿著這條思路繼續(xù)研究從而創(chuàng)立了“微生物學(xué)”.

1848年，由于亥姆霍茲杰出的工作，在米勒和洪堡的斡旋下，亥姆霍茲提前告別軍醫(yī)的身份，來到柏林研究院任解剖學(xué)講師.有的人反應(yīng)遲鈍，有的人反應(yīng)敏捷，為何會(huì)如此？在亥姆霍茲研究該問題之前，其原因還是一個(gè)迷.1850年7月他以題為《動(dòng)物肌肉收縮的時(shí)間測(cè)量和神經(jīng)傳導(dǎo)的測(cè)量》的研究論文向世人揭示了“神經(jīng)傳導(dǎo)”這一新術(shù)語，并且通過實(shí)驗(yàn)成功測(cè)出神經(jīng)傳導(dǎo)的速度大約為空氣中聲速的10倍.［2］

在此期間，他創(chuàng)造了矯正近視眼、遠(yuǎn)視眼確定需要佩戴的眼鏡度數(shù)的檢查方法，亥姆霍茲還發(fā)明了一直沿用至今的“檢眼鏡”和“眼膜曲率計(jì)”.亥姆霍茲還發(fā)展了托馬斯·楊的三原色理論，楊—亥姆霍茲三原色理論能夠滿意地解釋當(dāng)時(shí)遇到的色覺現(xiàn)象，解釋了色盲的成因.這一原理為后來的印刷、攝影、電視技術(shù)提供了理論基礎(chǔ).

傅里葉在1822年證明，任何無規(guī)則的周期波都可以分解為一系列的正弦波.在此基礎(chǔ)上，亥姆霍茲提出了人耳的共鳴聽覺假說：耳蝸中的基膜上排列著的長(zhǎng)短不一的大約24000條的橫向纖維，這些長(zhǎng)短不一的橫向纖維就像鋼琴的一根根琴弦一樣，對(duì)不同頻率的聲音產(chǎn)生共鳴，從而分辨出疊加著不同頻率的聲音.匈牙利的物理學(xué)家貝克西（Bekesy）進(jìn)一步發(fā)展和完善了亥姆霍茲的聽覺理論，從而榮獲1961年度的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng).1858年，亥姆霍茲發(fā)表了題為《論協(xié)和音和不協(xié)和音的物理成因》，1863年亥姆霍茲的名著《論樂音的感覺——音樂理論的生理學(xué)基礎(chǔ)》出版，該著作被奉為聲音心理學(xué)的經(jīng)典，亥姆霍茲提出了樂音的三個(gè)特性：音調(diào)、響度以及音色.［3］

3 因?yàn)樯韺W(xué)而走向物理學(xué)

在研究動(dòng)物肌肉生熱的過程中，亥姆霍茲漸漸萌生了“能量守恒”的觀念，他指出假如體溫是由神秘的“生命力”產(chǎn)生的，那么就應(yīng)該把動(dòng)物體看做是一種“永動(dòng)機(jī)”，顯然這種認(rèn)識(shí)是荒謬的.1846年，在他寫成的《關(guān)于1845年對(duì)于動(dòng)物熱的理論所做的工作報(bào)告》一文中，亥姆霍茲指出機(jī)械力、電力、化學(xué)力（這里的力實(shí)際指能量）之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，一種自然力轉(zhuǎn)化為另一種自然力時(shí)，其中的當(dāng)量不變.1847年亥姆霍茲完成了他的偉大論著《論力的守恒》.與邁爾偏重思辨，焦耳偏于實(shí)驗(yàn)不同，亥姆霍茲（圖1從左至右依次為邁爾、焦耳、亥姆霍茲）給出了能量守恒的數(shù)學(xué)表示，并從多個(gè)方面論證了這個(gè)定律在自然界的普遍適用性.

1847年7月23日亥姆霍茲在柏林物理學(xué)會(huì)的大會(huì)上宣讀了《論力的守恒》一文，向世人宣告了能量轉(zhuǎn)化與守恒定律.在該文中，他引入了力學(xué)中的勢(shì)能的概念，首次提出用電勢(shì)與電荷的乘積來計(jì)算電勢(shì)能，［4］還獨(dú)立于科里奧利提出應(yīng)該用來表示“活力”（今指動(dòng)能）.

圖1

亥姆霍茲將該論文寄送給《物理與化學(xué)年鑒》，和邁爾（Mayer）當(dāng)年的遭遇一樣，主編波根道夫（Poggendorff）認(rèn)為亥姆霍茲的論文含有過多的思辨缺乏可靠性而將其退稿.最后，亥姆霍茲自費(fèi)以小冊(cè)子的形式出版.這本小冊(cè)子的內(nèi)容分為“活力的守恒原理”“力的守恒原理”“原理在力學(xué)定理中的應(yīng)用”“電過程的力當(dāng)量”“磁和電磁現(xiàn)象的力當(dāng)量”等幾個(gè)部分.在論文的結(jié)尾處，亥姆霍茲寫到：“從上述內(nèi)容可以證明，這一定律與自然科學(xué)中任何一個(gè)已知的現(xiàn)象都不矛盾，而大量的現(xiàn)象反倒很明顯地證實(shí)了它”.［5］

能量的轉(zhuǎn)化與守恒定律的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)史上非常重要的事件.恩格斯把它和細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)以及達(dá)爾文的進(jìn)化論一起說成是19世紀(jì)自然科學(xué)的3大發(fā)現(xiàn).亥姆霍茲所提出的能量守恒定律的光輝思想主宰了從法拉第和麥克斯韋的電磁學(xué)研究到1900年普朗克引入量子理論之間的這段時(shí)期里的物理學(xué).［6］

4 因?yàn)槲锢韺W(xué)而走向數(shù)學(xué)

1852年，亥姆霍茲開始著手研究電流在導(dǎo)體中的分布規(guī)律，第二年寫成《論電流在導(dǎo)中的分布定理及其在動(dòng)物電實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用》，文中涉及的高超的數(shù)學(xué)分析能力，使得亥姆霍茲在數(shù)學(xué)界嶄露頭角.

在對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算要求極高的流體動(dòng)力學(xué)方面，亥姆霍茲于1858年奠定了流體渦動(dòng)理論的基礎(chǔ)，他所創(chuàng)立的相關(guān)原理可以解釋一系列氣象學(xué)現(xiàn)象和海浪的形成機(jī)理.

1859年，亥姆霍茲在《空氣在開口管中的運(yùn)動(dòng)理論》一文中首次得出一個(gè)波動(dòng)方程“▽2φ+k2φ=0”，后來該方程被稱為亥姆霍茲方程.

1868年，亥姆霍茲憑借《論幾何學(xué)的事實(shí)基礎(chǔ)》一文震驚了數(shù)學(xué)界.這篇論文連同黎曼（Riemann）在1854年發(fā)表的題為《論幾何學(xué)的基本假設(shè)》被視為19世紀(jì)下半頁(yè)數(shù)學(xué)界劃時(shí)代的論著.

1869年，亥姆霍茲運(yùn)用數(shù)學(xué)方法證明了萊頓瓶放電的振蕩特性，［7］換句話說，中學(xué)物理教科書中的LC振蕩電路規(guī)律的相關(guān)數(shù)學(xué)證明最早就是由亥姆霍茲完成的.為了紀(jì)念他在電磁學(xué)方面做出的成就，人們將一種在小范圍內(nèi)創(chuàng)設(shè)近似勻強(qiáng)磁場(chǎng)的線圈稱為“亥姆霍茲線圈”.

從1847年到1873年，亥姆霍茲與韋伯在“超距作用”與“近距作用”的觀念上展開了長(zhǎng)期的爭(zhēng)鳴.韋伯和紐曼發(fā)展了安培的理論認(rèn)為電磁現(xiàn)象是一種超距所用，形成了“大陸派電動(dòng)力學(xué)”.這場(chǎng)爭(zhēng)鳴降低了韋伯的威信，使得支持韋伯超距作用的“大陸學(xué)派”逐漸轉(zhuǎn)而接受麥克斯韋的電磁學(xué)理論，對(duì)麥克斯韋電磁學(xué)在歐洲大陸的傳播產(chǎn)生了積極的影響.

為了進(jìn)一步證明麥克斯韋理論的正確性，就需要找到關(guān)鍵性證據(jù)——即證明“位移電流”的存在.為此，亥姆霍茲于1879年在柏林科學(xué)院設(shè)立了題為“用實(shí)驗(yàn)建立電磁力和絕緣介質(zhì)極化的關(guān)系”的有獎(jiǎng)?wù)n題.赫茲接下這一研究任務(wù)，并于1887年11月5日發(fā)表了《論在絕緣體中電過程引起的感應(yīng)現(xiàn)象》一文，驗(yàn)證了麥克斯韋的預(yù)言，該文立即轟動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界.

5 因?yàn)閿?shù)學(xué)而走向統(tǒng)一

通過對(duì)電池的功與能的熱力學(xué)相關(guān)數(shù)學(xué)理論展開研究，1882年2月亥姆霍茲向柏林科學(xué)院提交的論文《化學(xué)過程的熱力學(xué)》一文使他在物理化學(xué)方面的研究達(dá)到頂峰.隨后他又獨(dú)立于吉布斯（Gibbs）提出了解決定容問題的亥姆霍茲自由能.他指出等溫化學(xué)變化中，平衡條件是“自由能取極小”.正是對(duì)化學(xué)熱力學(xué)數(shù)學(xué)理論方面的研究引導(dǎo)他對(duì)物理學(xué)的統(tǒng)一性原理——“最小作用量原理”進(jìn)行了深度的探索.

水滴總是趨于球形（表面積最小），光程最短這些都是典型的“最小量原理”.亥姆霍茲試圖將該原理應(yīng)用于物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，從而實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的大一統(tǒng).

亥姆霍茲一生的最后10年致力于“物理學(xué)的大統(tǒng)一”理論的相關(guān)研究，雖然并未取得實(shí)質(zhì)性的突破，但卻為后來的攀登者點(diǎn)亮了一盞明燈.時(shí)至今日，統(tǒng)一場(chǎng)論已取得很大進(jìn)展，從愛因斯坦的幾何統(tǒng)一場(chǎng)論，到海森堡的量子統(tǒng)一場(chǎng)論，再到楊振寧—米爾斯的規(guī)范統(tǒng)一場(chǎng)論，［8］已歷經(jīng)了半個(gè)世紀(jì)的不懈追求，其思想精神內(nèi)核都來源于亥姆霍茲當(dāng)初“追尋統(tǒng)一性”的深邃觀念.

6 尾聲——科學(xué)的帝國(guó)首相

1871年，亥姆霍茲接替退休的瑪格內(nèi)斯任柏林大學(xué)物理學(xué)教授.1873年當(dāng)選為英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)的外國(guó)會(huì)員，并獲得科普利獎(jiǎng)?wù)?

1881年，通過研究法拉第的演講內(nèi)容，亥姆霍茲敏銳地洞察出法拉第電解定律的深刻意義在于揭示了“電原子”存在的可能性.

1893年，亥姆霍茲作為德國(guó)科學(xué)界的最高權(quán)威，遠(yuǎn)赴美國(guó)主持了在芝加哥舉辦的第4屆國(guó)際電氣工程師大會(huì)，這次會(huì)議制定了電磁學(xué)史上的第一套國(guó)際單位制（安培、歐姆、伏特）.

或許是往返歐美的舟車勞頓損害了亥姆霍茲的健康，1894年9月8日亥姆霍茲因腦出血離世，享年73歲.德意志皇帝、皇后以及各界名人悉數(shù)參加了12月14日舉行的追悼會(huì)，可見亥姆霍茲當(dāng)時(shí)的威望之高.“科學(xué)的帝國(guó)首相”的稱呼則深刻地體現(xiàn)了亥姆霍茲的同事和學(xué)生們對(duì)他的愛戴和崇敬.

亥姆霍茲的一生也是勤勉的一生，從1842年博士論文起，他共計(jì)發(fā)表了158篇對(duì)十余個(gè)學(xué)科產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的論文，甚至臨終前的1894年7月仍然繼續(xù)堅(jiān)持發(fā)表了最后一篇題為《對(duì)論文“電動(dòng)力學(xué)中最小作用原理”的補(bǔ)充》的論文.［9］亥姆霍茲以其高尚的人品，淵博的學(xué)識(shí)，深刻的思想栽培了一大批物理學(xué)天才，他們當(dāng)中有維恩、普朗克、赫茲、邁克爾遜.前兩位對(duì)量子力學(xué)的開創(chuàng)做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，后兩位的工作則間接的導(dǎo)致了狹義相對(duì)論的建立.而這兩項(xiàng)研究恰恰就是開爾文所說的“兩朵烏云”.由此可見，亥姆霍茲將經(jīng)典物理學(xué)推向巔峰的同時(shí)，也為近代物理的變革的到來培育了寶貴的“種子”.

亥姆霍茲的訃告寫到：正如有7個(gè)城市聲稱荷馬是它們的光榮一樣，有7個(gè)科學(xué)領(lǐng)域——物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、聲學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)、哲學(xué)都因?yàn)楹ツ坊羝澏陡序湴?他不愧為“一位偉大的科學(xué)全才”.

1971年和1994年，德國(guó)分別發(fā)行郵票紀(jì)念亥姆霍茲誕辰150周年和逝世100周年.［10］

“理論自然科學(xué)的最后目的就是去發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象的終極原因”——亥姆霍茲.