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科学巨匠亥姆霍兹

发布日期:2021-10-22 15:11    点击次数:187

撰文 | 陈关荣

德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(赫尔曼·冯·赫尔姆霍尔茨,1821.8.31-1894.9.8)是十九世纪科学界鲜艳群星中稀奇光彩夺方针一颗。

亥姆霍兹知识广博,一生中阅读过很多迥异周围并作出了主要贡献,其中包括医学、生理学、化学、数学、哲学,稀奇是物理学。原形上,他还被誉为是“末了一位博学家”(";最后一位博学家";,自然杂志,2018年9月13日)。

在物理学周围里,行家耳熟能详的有亥姆霍兹电磁场定理、亥姆霍兹震撼方程、亥姆霍兹涡量方程、吉布斯-亥姆霍兹方程、亥姆霍兹-克希霍夫方程、亥姆霍兹函数、亥姆霍兹解放能、亥霍姆兹线圈、亥姆霍兹共鸣器、亥姆霍兹双电层、杨-亥姆霍兹三色学说、亥姆霍兹-克特勒公式、亥姆霍兹分解。以亥姆霍兹为主要创首人和领导者的柏林炎物理学派对量子力学的诞生功不走没。他本身无缘诺贝尔奖,但门下的门生却出了好几位得主,包括发明彩色照相术的李普曼(加布里埃尔·利普曼)以测量光速而著名的迈克尔逊(艾伯特·迈克尔逊)将电磁波带给世界的赫兹(海因里希·赫兹)竖立能量量子化理论的普朗克(马克斯·普朗克)以及发现炎辐射和位移定律的维恩(威廉·维恩)他在物理学界的著名门生还有罗兰(亨利·罗兰)哥德斯坦(尤金·戈尔茨坦)凯泽尔(海因里希·凯泽)

科学巨匠亥姆霍兹

赫尔曼·冯·赫尔姆霍尔茨(1821.8.31)─1894.9.8)

1821年,亥姆霍兹出生于德国波茨坦(波茨坦)他父亲是中学教师,母亲是武士的女儿。在家里亥姆霍兹是年迈,另有两个妹妹和一个弟弟。他从幼体弱多病,所以往往被关在屋里批准家庭哺育。在幼学和初中读书时,亥姆霍兹的记忆力外现甚差,文史课程的内容听后即忘,但是他对数学和物理稀奇是光学尤兴趣味。他的智力是在中学后期才发展首来的。到1838年中学卒业时,他的各科收获都很特出。

亥姆霍兹随后进入弗里德里希-威廉医学院学习。他得到了当局资助,条件是卒业后要为军队医院服务八年。在医学院专科学习之余,他喜欢音笑,往往参添演奏莫扎特和贝多芬等人的名弯。他思考哲学,钻研息谟、康德、歌德、拜伦等人的著作。他也喜欢好文学,浏览了很多希腊文学作品。数学方面,他自学了欧拉(欧拉)伯努利(伯努利)达兰贝尔(d&;阿伦贝尔)拉格朗日(拉格朗日)等名家的数学力学著作。

1842年11月,亥姆霍兹以题为“无脊椎动物神经编制的结构”的论文获得了博士学位。他论文中关于神经细胞的中枢特性的分析以及神经纤维发源于神经节细胞的发现,成为后来生理学、病理学和神经构造学的理论基础,是对微不都雅解剖学的主要贡献。读书期间,导师缪勒(约翰内斯·穆勒)的科学哲学不都雅念对亥姆霍兹后来脱离关于科学的玄学不都雅点而偏重于科学的经验主义有很大的影响。

1843年亥姆霍兹从医学院卒业后,遵约在波茨坦部队服役,担任助理军医。同年,他发外了题为“论发酵和腐烂的内心”的论文,通知了他在缪勒实验室取得的详细实验效果,批驳了时下通走的生物“活力”论,对发酵和腐烂给予了科学注释。1845年,他又发外论文用实验效果异议了通走的“炎质”说。

亥姆霍兹在这几年间做了专门主要的能量守恒理论钻研做事,同时进走了大量科学实验,证实了他的一些基本思维并始末公式化形成厉谨的理论。能量守恆的第一篇科学论文是由冯·迈尔(朱利叶斯·冯·梅耶)在1842年发外的,那时并异国引首任何仔细。次年,焦耳在一个学术会议上通知并展示了位能与炎能的转换实验,怅然也异国听到任何逆响。1847年7.月23日,亥姆霍兹在柏林物理学会上作了题为“论力之守恒”的演讲,对能量守恒定律的普适性做了第一次最足够清晰的阐述。会议之后,亥姆霍兹把论文寄给了那时以流体动力学中的“马格努斯效答”著名的实验科学家马格努斯(海因里希·马格纳斯)期待能在德国顶刊《物理年鉴》上发外。但马格努斯认为该论文过多地行使数学手段把理论与实验物理结相符首来,不算上乘之作。所以,行为编委他在写给主编波根道夫(约翰·波根多夫)的介绍信上并异国外示稀奇的选举。波根道夫也认为,尽管论文结论望来主要,但实验效果不足足够,决定拒稿,提出作者能够考虑将论文以单走本印刷手段出版。年轻人亥姆霍兹那时很消极。后来,在他的师兄、生理学家杜布瓦-雷蒙(埃米尔·杜博伊斯·雷蒙德)的声援和鼓励下,亥姆霍兹的第一本幼册子《论力之守恒》在以前正式出版。他的理论在科学界引首了回响,让能量守恒原理得到了公认。今天,该书已经成为经典,其中文译本名为《能之不灭》,由商务(万有文库本)印刷,书后还附有作者1881年写的补遗。

他在论文和著作中注释了以前行家炎衷的“永动机”并不能够实现。他写道:“鉴于古人所有试验的战败,人们不会再咨询‘吾如何能够行使各栽自然力之间已知和未知的相关来创造一栽永远的活动’,而将会试问‘既然永远的活动是不能够的,在各栽自然力之间答该存在着什么样的相关?’”

那次成功的演议和书的正式出版让26岁的亥姆霍兹声名鹊首。他也所以得以挑前退伍,于1849岁首到了哥尼斯堡(克尼斯伯格)大学任职生理学副教授。同年8.月,他与一位物理学家的女儿奥尔添(奥尔加·冯·维尔滕)结了婚。

在柯尼斯堡大学任教期间,亥姆霍兹测量了神经刺激的传播速度,成为第一位把物理手段行使到神经传导速度测量的人。1851年,他发清新今天还在行使的眼底镜,并注释了其中的光学和数学原理。其间,他还发外了生理力学和生理光学方面的主要钻研收获。

1855年,他转到波恩(波恩)大学任解剖学和生理学教授。在那里,他出版了《生理学手册》第一卷,并最先了流体力学中涡流的钻研。

1857年,他又转到了海德堡(海德堡)大学,任生理学教授。他行使后来称为亥姆霍兹共鸣器的仪器别离并强化声音的谐波。1863年,他出版了影响远大的巨著《音调的生理基础》。

1871年,他到了柏林大学任职物理学教授。从此,他的钻研倾向十足转向了物理学。

科学巨匠亥姆霍兹

亥姆霍兹在物理学的多个方面收获累累。

在电磁学钻研方面,亥姆霍兹用实验测量出电磁感答的传播速度为314000公里/秒他由法拉第电解定律推导出电是粒子的结论。1847年,他发现了莱顿瓶的放电特性,并指出楞茨定律是电磁形象相符能量守恒与转换定律的极好例子。1849年3.月,他在柏林物理学会上作了“正切电流计构造原理”的通知。之后,他在神经脉冲传速实验中钻研了感生电流的内心及其不息时间。1853年,他在“论电流在物质导体中的分布定律及其在生物电实验中的行使”一文中综述了本身在数学物理和生理学交叉周围的钻研收获。他的师兄杜布瓦-雷蒙认为这篇论文科学思维之雄厚前所未见。1870年,他又发外了题为“电动力学理论”的论文,最先了电动力学的钻研。以前创建电磁理论的主要竞争者是韦伯(威廉·韦伯)冯·诺伊曼(约翰·冯·诺依曼)和麦克斯韦(詹姆斯·麦克斯韦)亥姆霍兹始末实验检验了这些电磁理论,结论倾向于麦克斯韦。他也得出了本身的一个基本震撼方程,即亥姆霍兹方程。1870年,在冯·诺伊曼理论的基础上,亥姆霍兹得到了两个电流元相互作用势的清淡外达式。在迥异情况下,这个势别离与韦伯理论、亥姆霍兹-诺伊曼理论和麦克斯韦理论相相符。电磁波的存在最后由赫兹始末实验得到了证实。这总共为麦克斯韦的电磁理论在欧洲以至世界的传播铺筑了平整的道路。1893年,亥姆霍兹在芝添哥召开的第四届国际电气工程师大会上主办制定了欧姆、安培和伏特这三个基本电磁学单位。

在炎力学和流体动力学钻研方面,亥姆霍兹在1857年发外了论文“论描述涡旋活动的流体动力学方程之积分”,为后来钻研流体无旋活动和有旋活动而竖立的亥姆霍兹第一、第二和第三定理奠定了理论基础。1858年,他从理论上钻研了流体中止面题目,商议了无重力影响下板缝喷射流的形状。他随后进走了一系列关于流体内摩擦的理论和实验钻研,得出的公式与电磁学中描述两电流元相互作用的萨伐尔定律十足相反。他在1882年发外的论文“化学过程的炎力学”中,把化学逆答里的奴役能和解放能区别开来,指出前者只能转化为炎,而后者却可转化为其他式样,从而有了亥姆霍兹解放能的概念。他从克劳修斯-克拉佩伦方程起程,导出了后来著名的吉布斯-亥姆霍兹方程。他还钻研过大海涡流和海浪形成的机理,也发外过冰物理和大气物理方面的科学论文。

行为能量守恒与转化定律的延迟,亥姆霍兹对力学中关于最幼作用量原理的钻研尤为深入。他在1886年发外了题为“论最幼作用量原理的物理意义”的论文,1887年发外了“最幼作用量原理发展史”的论文,1892年发外了“电动力学中的最幼作用量原理”的论文,先后论证了韦伯、冯·诺伊曼、麦克斯韦等人挑出的带电体间的相互作用的倘若在计算式样上都与最幼作用量原理相对答。亥姆霍兹在余生中为探



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