书城科普读物站在巨人肩上-从伏打谈电化学
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第4章 亥姆霍兹

亥姆霍兹是一个什么样的人呢?普朗克是这样评价亥姆霍兹的:“他的人品也使我更亲近他,我赞扬他不但为他在科学上的成就,也为他的人品。他的整个为人、他的准确判断和他的谦逊态度都体现了他在学术上的严谨及值得信赖,所有这一切个人品德都给了我深刻的印象。在谈话中,当他用那安详的、询问的、仿佛可以看透人的、但又是完全友好的目光注视着我时,我完全被一种孩子般的信任感所征服了。我可以把脑中想到的完全无保留地向他吐露,肯定或称赞都使我远比其他成功更为愉快。”

亥姆霍兹是德国著名的物理学家、生理学家,他于1821年8月31日出生于柏林附近的波茨坦,父亲是一位教师,兄弟四人中亥姆霍兹最年长。少年时,亥姆霍兹就聪明好学。1838年,17岁的亥姆霍兹以优异的成绩考入了柏林弗雷德里克·威廉皇家医学院,在学习期间,他对医学和物理学都很有兴趣。

1843年,亥姆霍兹毕业后到波茨坦担任军医。1845年,他发表了一篇短文,纠正了化学家李比希的一个疏忽。亥姆霍兹指出:在动物体中的食物的燃烧热不可以直接地等同于构成这些食物的化学元素的燃烧热。同时,他把这一原理对物理学的各个部门的影响做了简要的论述。

1847年,亥姆霍兹发表了《力的守恒》一文,论述了他的能量守恒和转化方面的基本思想。他提出,自然科学的基本任务“就在于把一切自然现象归结为其领域之内的、不变的吸引力和排斥力”。他把中心力看成机械运动的最后的原因,并证明了这种力的性。他说:“在物质之间的吸引力和排斥力作用下,如果吸引力和排斥力的强度只与距离有关,那么张力在量上的损失始终等于活力的增加,反之张力的增量始终等于活力的损失。因而,所有活力和张力之和始终是一个常数。这条具有最普遍形式的定律,可以称为力的守恒原理。”

亥姆霍兹把这种力的保守性同永动机之不可能联系起来。他概括指出以下三点:“当自然界的物体在既与时间无关、又与速度无关的吸引力和排斥力的作用下时,系统中的张力和活力之和总是始终不变的;如果在物体间作用着与速度和时间有关的力,或者作用力的方向与联结这两个物体间的直线不吻合,例如是一处转动力,在这种情况下,力或者会无限地消失掉,或者会变成无限大;假如除中心力外还存在着另外的力,那么自然界的物体就能不因另外的物体的原因,而能自动地运动起来。”

亥姆霍兹的机械观点使他把所有的能量形式都归结为“活力”或“张力”。他研究了能量守恒原理在其他物理过程中的应用后指出:无摩擦的力过程、引力作用下的一切运动、不可压缩的液体和固体所传递的运动、理想弹性体的运动都属于这一类例子;光的干涉中出现的明暗条纹、并不表示能量的消失,而只是能量分布的不均。他证明了热质说的毫无根据,指出在存在摩擦或吸收作用的情况下,如果发生了活力损失,那就会转化为其他形式的力,首先是热。他写道:“热的数量可以通过机械力来使之增加,因此,热现象不可能以这种物质的存在为条件,而只能从某些熟知的有质体转化和运动中或者是从无质体如电或以太的变化或运动中推论出来。根据这个说法,到现在为止被称为热的量的那种东西,一部分是指热运动活力的量,另一部分是指原子之间张力的量,这些张力在原子的排列发生变化时能够引起热运动。第一部分相当于称之为自由热的部分,第二部分相当于称之为潜热的部分。”

至于化学反应中的热的产生,亥姆霍兹指出赫斯定律是能量原理的一个特殊情况。

在论文的最后一部分,亥姆霍兹指出把力的守恒原理应用于生物机体中所进行的过程的可能性。他用下面这句话结束了他的论述:“从上述内容可以证明,这一定律与自然科学中任何一个已知现象都不矛盾,而大量的现象倒很明显地证实了它。我力求更完全地叙述出这个定律同自然规律相结合所得出的结论,它们还需要加以实验的验证。我希望,目前研究的假说部分使我冷静下来,而这种研究的目的在于以尽可能充分的理由向物理学家们讲授这个定律在理论上重要的启发意义,而这个定律的完全证实将是未来不远的物理学家的基本任务之一。”

亥姆霍兹所拟定的纲领成为以后一个时期之内物理学发展的基本内容。他的研究和论著给了那个时代整个的物理学界以强有力的影响。

另外值得一提的是,亥姆霍兹的这一工作无疑是从理论上对能量守恒原理所做出的重要概括,他基本上是独立地做出这一发现的。但是,亥姆霍兹绝没有去要求这一发现的优先权。后来当他了解到迈尔在他之前已发表了两篇论文之后,他公正地说:“我们必须承认,迈尔不依赖于别人而独立地发现了这个思想,而这个思想使自然科学获得了新进展。”他还谦逊地说,“和焦耳的工作相比,在那时就已经谈不上想要为我提出什么优先权的要求了。”

1849年,亥姆霍兹在柯尼斯堡大学担任生理学教授。1855年,他任波恩大学解剖学和生理学教授。1859年,他任海德尔贝格大学生理学教授。亥姆霍兹兴趣广泛,知识渊博,他对很多学科都很熟悉,因此他可以综合地运用自己的知识对边缘学科进行研究。在生理光学问题上,他详细研究了眼睛的功能,他创造了确定需配近视、远视眼镜的度数的检查法。亥姆霍兹继承和发扬了托马斯·杨的关于色视觉现象的理论,解释了色盲的成因。1856~1866年,他完成了一部巨著——关于生理学和视觉物理学的重要著作《生物光学手册》。

亥姆霍兹是一个实验家,也是一个开拓者,他开创了语言物理学这门学科。亥姆霍兹用生理学的知识、物理学的手段对音乐进行研究,他提出了乐音的三个特性:音调、响度和音品以及决定这些特性的因素。他研究了耳朵内部的构造,解释了耳骨的机制,讨论了耳朵中耳蜗的作用。为了能分析复杂的乐音,他发明了共鸣器,每一套共鸣器包括大大小小许多只金属空心球,单只的共鸣器只能对某一频率的声音发生共鸣。他又研究了语言的发音原理,他说从喉头发生的音,在鼻腔内反响时成鼻音,在口腔内反响时就成为母音。他在1862年发表的《音色感觉》是生理声学的一部重要著作。另外,《音乐理论的生理基础》也是他在声学方面的重要著作。

1861~1867年,亥姆霍兹进行了电磁振荡现象的研究,并宣布了他的研究结果之一,即电磁感应波的速度大于314千米/秒。1869年,他受聘担任海德尔贝格大学生理学教授,在这所大学他任教两年。在海德尔贝格大学任教的两年时间里,他主要是研究流体力学方面的问题,他研究了流体的涡流运动,给出了亥姆霍兹涡流定理。

亥姆霍兹的一生是极其丰富的一生,他的研究领域十分广泛,除物理学外,在生理光学和声学、数学、哲学诸方面都做出了重大贡献。他测定了神经脉冲的速度,重新提出托马斯·杨的三原色视觉说,研究了音色、听觉和共鸣理论,发明了验目镜、角膜计、立体望远镜,他对黎曼创立的非欧几何学也有研究。他曾任柏林大学校长和国家物理工程研究所所长,主张基础理论与应用研究并重。他的成就被国际学术界所承认,1860年他被选为伦敦皇家学会会员,并获该会1873年度科普利奖章。

亥姆霍兹不仅自己取得了很大的成就,还培养出许多优秀的学生。许多来自不同国家的科学工作者到他的研究所工作,他们中的一些人后来通过自身的努力成为学术界的带头人。他们中最有名的是赫兹、罗兰德、迈克耳孙和普平,还有许多也有一定名气,这些学生把亥姆霍兹的精神带到了许多国家。亥姆霍兹在很多方面都可以和他的朋友开尔文勋爵相比,即使就头衔而言,他也曾被德国皇帝冠以“枢密顾问官阁下”的称号。

亥姆霍兹研究了能量守恒定律在电磁现象方面的应用,给出了静电力作功时电荷的活力改变的关系式,确立了静电势的概念。他还分析了电池中的化学——电作用,从力的守恒角度反对电池的所谓“接触论”。他在论文的最后一部分指出,把力的守恒这一原则用于生物机体中进行的过程上的可能性。

从以上种种可以看出,对于能量守恒与转化定律的确立来说,亥姆霍兹给出了他在力学中具体的数学形式,并且也论述了它在各个方面的应用。但是,限于机械论的观点,亥姆霍兹未能很好地注意到各种“力”在质上的差别,对于这一定律,他还没有认识到“不能仅仅从数量上去把握,而且必须从质量上去理解”。

1894年9月8日,亥姆霍兹这位伟大的科学家离开了人间。