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, 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.

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 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.

1854 formulierte HELMHOLTZ in einem Vortrag über die Wechselwirkung der Naturkräfte:

„Wenn ich eine ungeheure Wärmemenge unserem System ohne Ersatz verloren gehen ließ, so ist das kein Widerspruch gegen das Prinzip von der Erhaltung der Kraft. Die Wärme ist wohl unserem Planetensystem verloren gegangen, nicht aber dem Weltall. Sie ist hinausgegangen und geht noch täglich hinaus in den unendlichen Raum; und wir wissen nicht, ob das Mittel, welches die Licht- und Wärmeschwingungen fortleitet, irgendwo Grenzen hat, an welchen die Strahlen umkehren müssen, oder sie für immer ihre Reise in die Unendlichkeit hinein fortsetzen.

Übrigens ist auch der noch gegenwärtig in unserem Planetensystem vorhandenen Vorrat an mechanischer Kraft ungeheuren Wärmemengen gleichwertig. Könnte unsere Erde plötzlich durch einen Stoß in ihrer Bewegung um die Sonne zum Stillstand gebracht werden, so würde durch diesen Stoß soviel Wärme erzeugt, wie die Verbrennung von 14 Erden aus reiner Kohle liefern würde. Fiele die Erde dann aber, wie es der Fall sein müßte, wenn sie zum Stillstand käme, in die Sonne hinein, so würde die durch einen solchen Stoß entwickelte Wärme noch 400-mal so groß sein.

Unsere Erde trägt, wie erwähnt, die Spuren ihres alten feurig-flüssigen Zustandes noch an sich. Die granitene Grundlage ihrer Gebirge zeigt ein Gefüge, welches nur durch das kristallinische Erstarren geschmolzener Massen entstanden sein kann. Noch jetzt zeigen die Untersuchungen der Temperatur in Bergwerken und Bohrlöchern, daß die Wärme mit der Tiefe zunimmt. Vorausgesetzt, daß diese Zunahme gleichmäßig ist, findet sich schon in einer Tiefe von 10 Meilen eine Hitze, bei der alle unsere Gebirgsarten schmelzen. Noch jetzt fördern unsere Vulkane von Zeit zu Zeit gewaltige Massen geschmolzenen Gesteins aus dem Erdinnern hervor, als Zeugen von der Glut, die dort herrscht. Aber schon ist die Erstarrungskruste der Erde so dick geworden, daß, wie die Berechnung ihrer Wärmeleitungsfähigkeit ergibt, die von innen hervordringende Wärme, verglichen mit der von der Sonne gesandten, außerordentlich klein ist und die Temperatur der Oberfläche nur etwa um 1/30 Grad erhöhen kann. Der Rest des alten Kraftvorrats, welcher als Wärme im Innern der Erde aufgespeichert ist, beeinflußt daher die Vorgänge an der Oberfläche nur noch in den vulkanischen Erscheinungen. Jene Vorgänge gewinnen ihre Triebkraft vielmehr fast ganz aus der Einwirkung anderer Himmelskörper, namentlich aus dem Licht und der Wärme der Sonne, teilweise auch, wie bei der Flutbewegung, aus der Anziehungskraft der Sonne und des Mondes.

Wie ist es nun mit der Arbeit der organischen Wesen? Hier zeigt es sich, daß die Fortdauer des Lebens an die fortwährende Aufnahme von Nahrungsmitteln gebunden ist. Diese sind verbrennliche Stoffe, welche denn auch wirklich, nachdem sie verdaut und in die Blutmasse übergegangen sind, in den Lungen einer langsamen Verbrennung unterworfen werden. Der Körper des Tieres unterscheidet sich also durch die Art, wie er Wärme und Kraft gewinnt, nicht von der Dampfmaschine, wohl aber durch die Zwecke und die Weise, zu welchen und in welcher er die gewonnene Kraft weiter benutzt. Er ist jedoch in der Wahl seines Brennmaterials beschränkter. Die Dampfmaschine würde nämlich mit Zucker, Stärkemehl und Butter ebenso gut geheizt werden können wie mit Steinkohle und Holz.

Wo kommen nun aber die Nahrungsmittel her, welche für das Tier die Quelle der Kraft sind? Die Antwort lautet: aus dem Pflanzenreiche. Denn nur pflanzliche Stoffe oder das Fleisch pflanzenfressender Tiere können als Nahrungsmittel gebraucht werden. Wenn man nun Einnahme und Ausgabe der Pflanzen untersucht, so findet man, daß ihre Haupteinnahme in den Verbrennungsprodukten besteht, welche das Tier erzeugt. Die Pflanzen nehmen den bei der Atmung zu Kohlensäure verbrannten Kohlenstoff aus der Luft auf. Den verbrannten Wasserstoff absorbieren sie als Wasser und den Stickstoff des Tieres erhalten sie ebenfalls in seiner einfachsten und engsten Verbindung als Ammoniak. Aus diesen Stoffen erzeugen sie mit Beihilfe weniger Bestandteile, die sie dem Boden entnehmen, von neuem die zusammengesetzten verbrennlichen Substanzen, wie Eiweiß, Zucker und Öl, von denen das Tier lebt. Hier scheint also ein Kreislauf zu sein, der eine ewige Kraftquelle ist. Die Pflanzen bereiten Nährstoffe; die Tiere nehmen diese auf, verbrennen sie langsam, und von den entstandenen Verbrennungsprodukten leben wieder die Pflanzen. Diese sind eine ewige Quelle chemischer, jene eine Quelle mechanischer Kraftgrößen. Sollte die Verbindung beider organischen Reiche das Perpetuum mobile verwirklichen? Wir dürfen nicht so rasch schließen. Die weitere Untersuchung ergibt nämlich, daß die Pflanzen verbrennliche Substanz nur unter dem Einfluß des Sonnenlichtes zu bereiten vermögen. Ein Teil der Sonnenstrahlen zeichnet sich durch merkwürdige Beziehungen zu den chemischen Kräften aus; er kann chemische Verbindungen schließen und lösen. Man nennt diese Strahlen, welche von blauer oder violetter Farbe sind, deshalb auch chemische Strahlen. Wir benutzen ihre Wirksamkeit namentlich bei der Anfertigung von Lichtbildern. Hier sind es Verbindungen des Silbers, welche an den Stellen, wo sie vom Lichte getroffen werden, sich zersetzen. In den grünen Teilen der Pflanze heben die Sonnenstrahlen die mächtige Verwandtschaft des Kohlenstoffs zum Sauerstoffe auf, geben letzteren der Atmosphäre zurück und häufen ersteren mit anderen Elementen verbunden als Holzfaser, Stärkemehl, Öl usw. in der Pflanze an. Es verschwindet also wirkungsfähige Kraft des Sonnenlichtes, während verbrennliche Stoffe in den Pflanzen erzeugt und aufgespeichert werden.

Wir erkennen somit, daß der ungeheure Reichtum von immer wechselnden klimatischen, geologischen und organischen Vorgängen auf unserer Erde fast allein durch die leuchtenden und erwärmenden Strahlen der Sonne im Gange erhalten wird, da die innere Wärme des Erdballs wenig Einfluß auf die Temperatur der Oberfläche besitzt. Man kann messen, wieviel Sonnenwärme hier auf der Erde in einer gegebenen Zeit eine gegebene Fläche trifft, und daraus berechnen, wieviel Wärme in einer gewissen Zeit von der Sonne ausgestrahlt wird. Dergleichen Messungen haben ergeben, daß die Sonne soviel Wärme abgibt, daß an ihrer ganzen Oberfläche stündlich eine zehn Fuß dicke Schicht Kohlenstoff abbrennen müßte, um diese Wärmemenge durch Verbrennung zu erzeugen. Für ein Jahr macht das eine Kohlenschicht von 3 1/2 Meilen Dicke aus. Würde diese Wärme dem ganzen Sonnenkörper gleichmäßig entzogen, so würde seine Temperatur jährlich doch nur um 1 1/3 Grad erniedrigt werden.“

(Aus: Hermann Helmholtz, Über die Wechselwirkung der Naturkräfte und die darauf bezüglichen neuesten Ermittlungen der Physik (Vortrag 7. Februar 1854), erschienen in: Populäre wissenschaftliche Vorträge, 1. Heft, Braunschweig 1865)