הרמן פון הלמהולץ

הרמן לודוויג פון הלמהולץ (בגרמנית: Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz;‏ 31 באוגוסט 1821 – 8 בספטמבר 1894) היה רופא ופיזיקאי גרמני אשר תרם משמעותית למגוון של תחומים נרחבים של המדע המודרני. בפיזיולוגיה ובפסיכולוגיה, הוא ידוע בשל התאוריה המתמטית שלו על העין האנושית, תאוריות על הראייה, רעיונות על התפיסה החזותית של המרחב, מחקריו על ראיית צבעים, על חישה של צלילים ותפיסה של הקול, ואמפיריציזם בפיזיולוגיה של החישה. בפיזיקה, הוא ידוע בשל התאוריות שלו על שימור האנרגיה, עבודתו באלקטרומגנטיות, תרמודינמיקה של תגובות כימיות, ובשל הביסוס המכני של התרמודינמיקה. כפילוסוף, הוא ידוע בשל פילוסופיית המדע שלו, רעיונות על הקשר שבין חוקי התפיסה וחוקי הטבע, מדע האסתטיקה, ורעיונות על השפעת המדע על החברה והתרבות. אביו של הלמהולץ, פרדיננד הלמהולץ, היה מנהל הגימנסיה של פוטסדאם, אשר למד פילולוגיה קלאסית ופילוסופיה והיה חבר קרוב של הפילוסוף עמנואל הרמן פיכטה. עבודתו של הלמהולץ הבן הושפעה מהפילוסופיה של אביו של פיכטה, יוהאן גוטליב פיכטה, ושל עמנואל קאנט. הלמהולץ ניסה לקשר את התאוריות שלהם לנושאים אמפיריים כמו פיזיולוגיה. כאיש צעיר, הלמהולץ התעניין במדעי הטבע, אך אביו רצה שילמד רפואה. הוא סיים הכשרה כרופא צבאי במכון הקיסר פרידריך וילהלם לרפואה וכירורגיה, ובילה שנה בסטאז' בבית החולים שאריטה שבברלין, כיוון שהייתה תמיכה כלכלית לתלמידי רפואה. אף שהכשרתו הפורמלית הייתה בפיזיולוגיה בלבד, הלמהולץ כתב על נושאים רבים אחרים, החל מפיזיקה תאורטית ועד לגיל כדור הארץ ולמקורה של מערכת השמש. המשרה האקדמית הראשונה של הלמהולץ הייתה כמורה לאנטומיה באקדמיה לאמנויות בברלין, בשנת 1848. בשנת 1849 הוא מונה למשרת הוראה באוניברסיטה של קניגסברג, וב-1855 קיבל משרת פרופסור באנטומיה ופיזיולוגיה באוניברסיטת בון. הוא לא היה מרוצה בבון, ושלוש שנים מאוחר יותר עזב לאוניברסיטת היידלברג בבאדן, בה כיהן כפרופסור לפיזיולוגיה. ב-1871 הוא קיבל את המשרה האקדמית הסופית שלו, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת הומבולדט של ברלין. ההישג המדעי החשוב הראשון שלו, חיבור בפיזיקה משנת 1847 על שימור האנרגיה, נכתב בהקשר של מחקריו הרפואיים ומנקודת מוצא פילוסופית. הוא גילה את העיקרון של שימור האנרגיה בעת שחקר את המטבוליזם של שרירים. הוא ניסה להוכיח כי אין איבוד אנרגיה בתנועת שריר, תוך התנגדות לעקרונות הוויטליזם שהיו מקובלים ברפואה הגרמנית באותה תקופה. בהתבסס על עבודות קודמות של סאדי קרנו, אמיל קלפרון וג'יימס ג'ול, הלמהולץ שיער את קיומו של קשר בין מכניקה, חום, אור, חשמל ומגנטיות בכך שטיפל בהם כהתגלויות שונות של כוח יחיד (אנרגיה במונחים מודרניים). הוא פרסם את התאוריות שלו בספרו Über die Erhaltung der Kraft (על שימור הכוח, 1847). קיימת מחלוקת האם הלמהולץ ידע על גילוי חוק שימור האנרגיה בידי יוליוס רוברט פון מאייר בתחילת שנות ה-40 של המאה. הלמהולץ לא ציטט את מאייר בעבודתו והואשם על ידי בני דורו בגנבה ספרותית[דרוש מקור]. בשנות ה-50 וה-60 של המאה ה-19, בהתבסס על פרסומים קודמים של ויליאם תומסון, פיתחו הלמהולץ וויליאם רנקין את הרעיון של מות החום של היקום. במחקריו על דינמיקת נוזלים תרם הלמהולץ מספר תרומות חשובות, וביניהן משפטי הלמהולץ על ערבוליות בנוזלים חסרי צמיגות. הלמהולץ היה חלוץ במחקר המדעי של הראייה והשמיעה האנושית. הוא התעניין ביחסים בין גירויים פיזיים הניתנים למדידה לבין התפיסות האנושיות המתאימות להם. לדוגמה, המשרעת המשתנה של גל קול גורמת לצליל להישמע חזק יותר או חלש יותר, אך שינוי במשרעת לחץ הקול אינו גורם לשינוי ביחס ישר אליו בעוצמת הקול הנתפסת. כדי לגרום לתחושת עלייה ליניארית בעוצמת הקול, יש להעלות את משרעת הגל באופן מעריכי. בהתאם לכך, נהוג כיום למדוד את עוצמת הקול בסולם מעריכי, ביחידות דציבל. הלמהולץ היה מראשוני החוקרים הנסיוניים של הקשר בין האנרגיה הפיזית (פיזיקה) והדרך שבה היא נתפסת (פסיכולוגיה), מתוך מטרה לפתח "חוקים פסיכופיזיים". הפיזיולוגיה החושית של הלמהולץ הייתה הבסיס לעבודתו של וילהלם וונדט, תלמידו של הלמהולץ, הנחשב לאחד המייסדים של הפסיכולוגיה הניסויית. וונדט תיאר באופן מפורש יותר מהלמהולץ את מחקריו כמעין צורה של פילוסופיה אמפירית וכתחום מחקר של התודעה. הלמהולץ לעומתו דגל במטריאליזם, והתמקד באחדות התודעה והגוף. הלמהולץ חולל מהפכה בתחום רפואת העיניים בזכות המצאת האופתלמוסקופ, מכשיר המשמש כדי לבחון את החלק הפנימי של העין. ההמצאה הפכה אותו למפורסם בן לילה. תחומי ההתעניינות של הלמהולץ הלכו והתרכזו בהדרגה בפיזיולוגיה של מערכות החושים. ספרו המרכזי, שכותרתו Handbuch der Physiologischen Optik (חיבור על אופטיקה פיזיולוגית) סיפק תאוריות אמפיריות על תפיסת עומק, ראיית צבעים, ותפיסת תנועה, והוא הפך לעבודה המרכזית בתחום הזה במהלך המחצית השנייה של המאה ה-19. התאוריה שלו על פעולת העין לא אותגרה עד העשור האחרון של המאה ה-20. הלמהולץ המשיך לעבוד במשך מספר עשורים על מהדורות של ספרו, ועדכן אותו לעיתים קרובות בגלל חילוקי דעות עם עמיתו אוולד הרינג אשר החזיק בהשקפות מנוגדות על ראיית צבעים. המחלוקת הזו חילקה את ענף הפיזיולוגיה במשך המחצית השנייה של המאה ה-19. בניגוד לרבים שתארו ומתארים את העין כ"איבר מושלם" בגלל מורכבותו הרבה, הלמהולץ תיאר אותה כאיבר אופטי פגום: "אילו היה האופטיקאי מבקש למכור לי מכשיר שמצויים בו כל הפגמים האלה, הייתי רואה זכות לעצמי להטיח את דברי הגנאי החמורים ביותר כנגד רשלנותו, ולהחזיר לו את המכשיר". ביולוגים מודרניים מסבירים כי מבנה העין אכן מלא פגמים, אך מנגנונים אחרים מבצעים תיקונים להסתרת פגמים אלה. לדוגמה האיכות האופטית של עין האדם היא טובה רק בגומה - החלק המרכזי של הרשתית. המוח סורק את המצוי בשדה הראיה שלנו ו"תוכנת" "פוטושופ" מערימה עלינו לחשוב שאנו רואים את כל התמונה כולה ברמת דיוק זו. הלמהולץ עצמו הסביר כי כי בעין תמצא כל פגם אפשרי שניתן למוצאו במכשיר אופטי, ועוד כמה פגמים שמיוחדים רק לה; אבל כולם כאחד נסתרו במידה כזו שחוסר הדיוק בתמונה הנובע מקיומם אינו חורג כמעט במאומה, בתנאי תאורה רגילים, מהגבולות שמציבים ממדיהם של מדוכי הרשתית לרגישות החישה. אך מרגע שאנו צופים בנעשה סביבנו בתנאים שונים במקצת, אנו חשים בסטיות צבע, באסטיגמציה, בנקודות עיוורות, בצללי כלי הדם, בשקיפותו הלא מלאה של התווך ובשאר הפגמים שהזכרתי ב-1849, כששהה בקוניגסברג, מדד הלמהולץ את המהירות שבה אות מועבר לאורך סיב עצבי. באותה תקופה רוב האנשים האמינו שאותות עצביים חולפים דרך העצבים במהירות גבוהה מכדי למדוד אותה. בניסוי הוא השתמש בעצב ירך טרי של צפרדע ולשריר שאליו הוא היה מחובר. הוא השתמש בגלוונומטר כאמצעי רגיש למדידת זמן, וחיבר מראה למחט שלו על מנת להסיט אלומת אור שעברה לאורך החדר, דבר שהקנה למערכת המדידה רגישות גבוהה. הלמהולץ דיווח על מהירויות התפשטות של 24.6 עד 38.4 מטרים בשנייה. ב-1863 פרסם הלמהולץ את ספרו Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik (על תחושת הצלילים כבסיס הפיזיולוגי לתאוריה של המוזיקה), שבו הדגים שוב את העניין המיוחד שלו בפיזיקה של החישה. הספר הזה השפיע על מוזיקולוגים במהלך המאה ה-20. הלמהולץ המציא את מהוד הלמהולץ על מנת לזהות את התדירויות או גובהי הצליל של גלי הסינוס אשר בונים צלילים מורכבים. הלמהולץ הראה כי צירופים של מהודים יכולים לדמות צלילי תנועות שונים. אלכסנדר גרהם בל היה מעוניין במיוחד בממצא זה, אך מאחר שלא ידע גרמנית, הסיק בטעות מתרשימים של הלמהולץ כי הוא העביר את האותות השונים על חוטי חשמל (דבר שהיה יכול להיות שימושי עבור ריבוב של אותות טלגרף), בעוד שלמעשה השימוש של הלמהולץ בחשמל היה רק לצורך עירור המהודים. בל לא הצליח לשחזר את מה שחשב שהלמהולץ ביצע, אך מאוחר יותר אמר כי לו היה מבין גרמנית, הוא לא היה מגיע להמצאת הטלפון. בין השנים 1869 ל-1871 הלמהולץ חקר את התופעה של תנודות חשמליות. בהרצאה בשנת 1869 באגודה המדעית-הרפואית של היידלברג, תחת הכותרת "על תנודות חשמליות", הוא ציין כי משך הזמן בו ניתן להבחין בתנודה החשמלית המרוסנת בסליל השראה המחובר לצנצנת ליידן (במונחים מודרניים, מעגל RLC) הוא כ-2 מאיות השנייה. ב-1871 הוא עבר מהיידלברג לברלין לרגל מינויו לפרופסור בפיזיקה. הוא החל להתעניין באלקטרומגנטיות ומשוואת הלמהולץ נקראת על שמו. אף שלא תרם תרומות משמעותיות לתחום, תלמידו היינריך הרץ התפרסם כראשון שהוכיח את קיומה של קרינה אלקטרומגנטית. אוליבר הביסייד התנגד לרעיונותיו של הלמהולץ בתחום האלקטרומגנטיות מאחר שהם איפשרו את קיומם של גלי אורך אלקטרומגנטיים, בדומה לגלי קול. בהתבסס על משוואות מקסוול טען הביסייד כי גלי אורך לא יכולים להתקיים בריק או בתווך הומוגני, כפי שאכן ידוע כיום. ב-1873 הוענקה לו מדליית קופלי מטעם החברה המלכותית הבריטית. ב-1883 הוענק לו שם אצולה גרמני (Adel) על ידי קיסר גרמניה. עיטור זה לא הפך אותו לחבר במעמד האצולה, אך איפשר לו וליורשיו להוסיף את הקידומת המכובדת "פון" לשם המשפחה. האיגוד הגרמני הגדול ביותר של מכוני מחקר, אגודת הלמהולץ, נקרא על שמו. על שמו נקראו אסטרואיד (11573 הלמהולץ), וכן מכתשים על הירח ועל מאדים. מדיה וקבצים בנושא הרמן פון הלמהולץ בוויקישיתוף אנרגיה חופשית של הלמהולץ סליל הלמהולץ מהוד הלמהולץ משוואת הלמהולץ משפט הלמהולץ אי-יציבות הידרודינמית משפט תבנין, שנגזר באופן בלתי תלוי גם על ידי הלמהולץ הרמן פון הלמהולץ, באתר פרויקט הגנאלוגיה במתמטיקה הרמן פון הלמהולץ, באתר MacTutor (באנגלית) הרמן פון הלמהולץ, באתר dblp הרמן פון הלמהולץ, באתר "Find a Grave" (באנגלית) הרמן פון הלמהולץ, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) הרמן הלמהולץ, באתר פרויקט בן-יהודה Henning Schmidgen, The last polymath, Nature, ‏11 September 2018 (באנגלית) הרמן הלמהולץ, דף שער בספרייה הלאומית ריצ'רד דוקינס, ההצגה הגדולה בתבל, 2010, עמ' 340