Этой статьёй я начну очередной биографический цикл, посвященный ученым, благодаря которым мы знаем о физической природе звука действительно много.
Мой выбор не случаен, так как Герман Гельмгольц заложил фундаментальные основы таких областей научного знания как: акустика, электродинамика, физиология слуха, психоакустика. Вклад этого ученого в физику в целом и в акустику в частности сложно переоценить. Относительно звуковой аппаратуры и музыкальных инструментов, сложно представить что-либо, где не используются открытия и исследования этого человека.
Гельмгольц впервые создал электромеханический прообраз синтезатора звука, описал механизм слуха, построил модель человеческого уха, обосновал волновую природу звука. К заслугам ученого относится первое, и одно из самых стройных определений тембра (по мнению профессора Алдошиной, на 100 лет предопределило исследования звука в этой области), создание резонатора, подробные исследования колебания струн. Как истинный сын своего времени, Гельмгольц занимался не только акустикой, среди работ исследователя – исследования в области математики, природы электричества, психологии, термодинамики, оптики, физиологии, медицины, метеорологии.
Иными словами Гельмгольц занимался всем, что в его время можно было назвать инновационным, всем, что было авангардом науки и прогресса. Именно Гельмгольц был одним из лидеров физического сообщества Германии в середине – конце 19 века. Не случайно именно его именем названо крупнейшее объединение немецких научно-исследовательских центров.
Детство гения: сын гуманитария-националиста, посредственный гимназист
Герман Гельмгольц родился 31 августа 1821 года, в семье профессора филологии Фердинанда Гельмгольца, преподавателя немецкого языка, субректора Потсдамской гимназии, и домохозяйки Каролины Гельмгольц (в девичестве Пенн), американского происхождения.
Интересно, что отец ученого Август-Фердинанд-Юлиус Гельмгольц изучал в Берлинском университете теологию, позже завершил обучение на факультете немецкой филологии, т.е. был гуманитарием до костей.
Как настоящий националист, грезивший о возрождении Германии, Фердинанд прерывал обучение в университете и как вольноопределяющийся доброволец учувствовал в боевых действиях в 1813-1815 годах. Завершив обучение в 1820 году, Август Фердинанд занимает место учителя гимназии в Потсдаме и в том же году женится на Каролине Пенн. Через год на свет появляется первенец, которому суждено стать гением и изменить (а в ряде случаев сформировать) представления современников о природе огромного количества явлений.
Как ни странно, в детстве Герман Гельмгольц не проявлял признаков гениальности и в принципе не подавал никаких надежд на многообещающее будущее. По воспоминаниям родителей, будущий ученый был очень болезненным и с раннего возраста страдал расстройством памяти, с большим трудом различал правую и левую стороны. Обучаясь в гимназии, в которой преподавал его отец, Герман был крайне посредственным учеником, испытывал проблемы с грамматикой. Последнее обстоятельство особенно странно, учитывая образование отца.
Однако недостатки гуманитарных способностей с лихвой компенсировались склонностью к точным и естественным наукам: физике, биологии и математике. По воспоминаниям самого ученого, он ещё в школьные годы интересовался оптикой, и, будучи гимназистом, сформулировал несколько оптических теорем. Так или иначе, но таланты Гельмгольца не были восприняты учителями гимназии, и в 17-летнем возрасте Герман завершил обучение с не очень впечатляющим аттестатом.
Лучший физик среди врачей
Не смотря на относительно высокий социальный статус семьи будущего ученого, финансовое положение родителей не позволило молодому Гельмгольцу учиться за собственные средства. В качестве альтернативы, по рекомендации родственников, Герман выбирает карьеру военного хирурга. Не исключено, что на выбор молодого человека повлиял успешный опыт военной службы и убеждения отца.
Считается, что выбор был обусловлен возможностью бесплатно получить образование в берлинском королевском медико-хирургическом институте Фридриха-Вильгельма, с обязательным распределением в качестве военного врача на 8 лет. После успешного окончания университета Гельмгольц практиковал на родине в Потсдаме. В уютном «медсанбате» Потсдамских «казарм» врач и физик прозябал вплоть до 1848 года, когда благодаря праведным трудам на научной ниве не получил «досрочное освобождение» от казенного распределения. Нужно отметить, что во время службы Гельмгольц находит время и возможности для исследований. Этот период жизни ученого связан с открытиями в области фундаментальных физических законов.
Досрочное окончание ученым военной службы было связано с ходатайством Гумбольдта, который восхитившись монографией Гельмгольца «Über die Erhaltung der Kraft» — («О сохранении силы»), надавил на начальство физика своим авторитетом европейского научного светилы. В этом фундаментальном труде Гельмгольц поддерживает закон сохранения энергии Майера, формулируя его более точно и не оставляя поводов для споров о его существовании. Позже, теме сохранения энергии в химических процессах ученый посвятит еще несколько работ, и 1881 году сформирует представление о свободной энергии.
В 1848 году после окончания службы Гельмгольц становится преподавателем анатомии в берлинской академии художеств. Однако в этой должности пребывает меньше года. Уже через год слава восходящей звезды немецкой науки приносит ему звание профессора физиологии и патологии, а также место в престижном Кёнигсбергском университете.
Параллельно физике Гельмгольц занимается исследованиями в области физиологии. В фокусе внимания ученого находятся слух и зрение, а также нейрофизиологические процессы и рост нервных волокон. Многие считают ученого одним из «прадедов» современной когнитивной психологии, нейрофизиологии и неврологии. Именно он сделал первую попытку описать влияние бессознательных процессов на восприятие, отметил взаимосвязь психики и мышечных реакций, начал исследования процессов памяти и накопления опыта.
Среди исследований этого периода жизни физика можно выделить открытие скорости распространения нервного импульса. В то же время Гельмгольц активно экспериметирует с оптикой. Активные изыскания приносят плоды, в 1850-1851-м годах ученый изобретает офтальмоскоп и офтальмометр, приборы займут своё место в медицинской и научной практике.
Акустические открытия и изобретения
На протяжении всей своей научной деятельности ученый с большим интересом проводит исследования, связанные с физиологией слуха и психоакустикой. В 1849-1850-м годах ученый открывает явление акустического резонанса в полости (Резонанс Гельмгольца) и для анализа акустических сигналов создает специальный прибор — резонатор.
Резонатор Гельмгольца — медный сосуд сферической формы с открытой горловиной, изобретённый Гельмгольцем для анализа акустических сигналов, на основе наблюдаемых в нём явлений Гельмгольцем и Рэлеем разработана количественная теория резонанса данного типа.
Сегодня принцип резонатора Гельмгольца активно используется при акустической обработке помещений, создании концертных залов, демонстрационных комнат, звукозаписывающих студий, безэховых камер, а также автомобильных глушителей.
Акустические панели, в котрых применен принцип резонатора Гельмгольца
В 1855 ученый становится руководителем кафедры анатомии и физиологии в Бонне. В этой должности, в 1856 году, плотно занимаясь физиологией ощущений и физическими основами акустики, ученый создаёт модель человеческого уха, позволяющую изучать влияние звука на орган слуха человека. В том же году Гельмгольц исследует комбинационные тоны, закладывает базис для изучения нелинейных искажений звуковых волн. Создавая теорию комбинационных тонов, Гельмгольц первым обращает внимание на нелинейность слухового тракта человека, в частности барабанной перепонки.
В 1858 году ученый опять меняет место работы и становится руководителем кафедры физиологии в Гейдельберге, где продолжает физические, физиологические, психоакустические изыскания. Между 1850 – 1870 годом (о точном времени нет сведений) Гельмгольц разрабатывает один из первых прообразов современного синтезатора, прибор, позволяющий электромеханическим способом получать звук необходимой частоты, при нажатии на соответствующую клавишу. В данный момент аппарат известен как «Большой аппарат Гельмгольца для соединения тембров из 10 гармоник» или синтезатор Фурье.
В процессе изучения характеристик звука именно Гельмгольц дает первое научное определение тембра, на которое исследователи этого свойства звука будут опираться в течение десятилетий.
«Тембр – это разница в музыкальном качестве тона (тембре) зависит только от присутствия и силы парциальных тонов (обертонов), и не зависит от разности фаз, с которой эти парциальные тоны вступают в композицию».
Дополнить стройную концепцию тембра смогут только в 70-е годы 20-го столетия.
В многочисленных трудах по акустике и физиологии слуха Гельмгольц неопровержимо доказывает, что ощущения, в том числе слух имеют физическую природу. Тогда как господствующая доктрина того времени трактовала ощущения и восприятие на основе теологического подхода, как непостижимый духовный акт.
Мировое признание и закат солнца немецкой науки
В 1870 году ученый становится членом Прусской академии наук, где заведует первой физической кафедрой, а позже руководит физическим институтом. В этот период Гельмгольц концентрируется на изучении электродинамики. Ученый до конца своей жизни продолжает активные научные изыскания. Современников поражает плодовитость и неутомимость коллеги, который совмещает исследования с активной преподавательской деятельностью.
Хочу отметить, что акустика занимала ученого не меньше, а некоторые периоды даже больше, чем другие области физического знания. При этом прижизненное признание в мировой научной среде, ученый получает в первую очередь за исследования в области фундаментальной и математической физики. Понимание и значимость акустических исследований Гельмгольца приходит значительно позже, когда исследования находят практическое применение.
Среди учеников и партнёров Гельмгольца по исследованиям имена таких ученых как: В. Вундт, Г. Герц, Л. Больцман, И.М. Сеченов, Д. А. Лачинов, А.Г. Столетов, К.А. Тимирязев. Должности, которые занимал ученый, красноречиво говорят о его значимости для мировой и немецкой науки: директор Физического института, ректор Берлинского университета, президент имперского физико-технического института. О международном признании свидетельствует членство Гельмгольца в Британской, Пражской и Петербургской академиях наук.
В конце жизни ученый испытывает всё больше проблем с памятью, которые были знакомы ему с детских лет, но с маниакальным упорством продолжает работать и преподавать. Смерть настигла гения в Берлине в сентябре 1894 г.
Автор: Pult.ru
