Helmholtz, Hermann

Helmholtz Hermann Ludwig Ferdinand von, *31 VIII 1821 Poczdam, †8 IX 1894 Berlin, niemiecki fizjolog i fizyk. W latach 1838–42 studiował nauki medyczne (m.in. pod kierunkiem wybitnego fizjologa niemieckiego J. Müllera) w Friedrich-Wilhelm Institut w Berlinie. W tym czasie zaprzyjaźnił się z kilkoma studentami medycyny, m.in. E. du Bois-Reymondem, E. Brückem i K. Ludwigiem, którzy później jako znani lekarze i naukowcy dzielili jego poglądy na fizjologię i psychologię. W 1842 Helmholtz uzyskał stopień dra na podstawie pracy De fabrica systematis nervosi evertebratorum, w której przedstawił swoje odkrycie anatomiczne, a mianowicie że włókna nerwowe mają swój początek w komórkach zwoju nerwowego. W 1843 jako lekarz podjął służbę wojskową w pułku gwardii królewskiej w Poczdamie. W tym czasie zaczął interesować się jednym z podstawowych problemów ówczesnej fizyki, zasadą zachowania energii i podjął badania nad zjawiskami cieplnymi powstającymi podczas pracy mięśni, sformułował i udowodnił istnienie zasady zachowania energii. 23 VII 1847 wyniki swych badań przedstawił w Berliner Physikalische Gesellschaft, a następnie opublikował. Wprowadził przy tym niezmiernie ważne pojęcie potencjału („Spannkraft”). Praca ta uważana jest obecnie za jedno z ważniejszych odkryć naukowych w dziedzinie fizyki, lecz w połowie XIX w. wzbudziła stosunkowo małe zainteresowanie. Nie przyjęto jej do druku w czasopismach naukowych i wydana została w Berlinie nakładem własnym.

W 1848 Helmholtz został nauczycielem anatomii w Kunstakademie w Berlinie, a w 1849 powołano go na stanowisko profesora nadzwyczajnego fizjologii na uniwersytecie w Królewcu. Podczas 6-letniego pobytu w Królewcu zainteresowania naukowe Helmholtza zwracały się początkowo w stronę zjawisk elektrycznych i optycznych; dokonał on pomiarów szybkości przemieszczania się impulsów elektrycznych w nerwach. Następnym odkryciem było ustalenie (1850) zasady powstawania prądu elektrycznego w cewce indukcyjnej; w tymże czasie skonstruował oftalmoskop, umożliwiający okulistom ogląd wnętrza oka dzięki skierowaniu w źrenicę światła odbitego przez reflektor z otworem. Wynalazek ten przyniósł Helmholtzowi sławę i być może spowodował spotęgowanie jego zainteresowań percepcją zmysłową.

W latach 1855–58 Helmholtz był profesorem zwyczajnym w zakresie anatomii i fizjologii na uniwersytecie w Bonn. Na stanowisku tym spotkał się ze strony studentów medycyny z zarzutem zbyt trudnej formy wykładu. Pobyt w Bonn okazał się jednak dla Helmholtza niezwykle owocny pod względem naukowym, zwłaszcza w zakresie akustyki. Dziedziną tą zaczął się interesować jeszcze w Królewcu; wówczas jednak głównym obiektem jego zainteresowania były prawa i zasady fizyczne rządzące zmysłem słuchu; akustykę widział Helmholtz przede wszystkim jako subdyscyplinę hydrodynamiki. W Bonn jego zainteresowanie akustyką zaczęło bezpośrednio dotyczyć problemów, które wkrótce okazały się niezwykle istotne dla wyjaśnienia podstawowych zjawisk muzycznych. W 1856 i 1857 ukazały się prace Helmholtza o tonach kombinacyjnych, w których wykazał, iż oprócz wykrytych wcześniej tonów różnicowych („tony Tartiniego”) nielinearna charakterystyka przetwornika drgań, takiego jakim jest np. ludzkie ucho, powoduje powstawanie tonów sumacyjnych o częstotliwościach równych sumie częstotliwości tonów składowych. Udowodnił również wielki wpływ wyższych tonów harmonicznych na barwę dźwięku. W 1857 ukazała się też praca Helmholtza o podstawowym znaczeniu dla muzyki. W oparciu o harmoniczną strukturę dźwięku 36-letni autor wyjaśnił w niej fizyczne podstawy harmonii tonalnej.

W 1858 Helmholtz objął stanowisko profesora fizjologii na uniwersytecie w Heidelbergu, gdzie pozostawał do 1871. Tu zaczęły pojawiać się dalsze fundamentalne prace z zakresu akustyki muzycznej; w 1859 aż dwie: o fizycznych wyznacznikach barwy dźwięku samogłosek oraz o drganiach powietrza w piszczałkach. Równolegle Helmholtz rozwijał swe zainteresowania optyką, czego wynikiem był Handbuch der physiologischen Optik (3 t., 1856–67). Ponadto publikował prace o temperacji muzycznej, o skalach arabsko-perskich i o sposobie drgań strun skrzypcowych, zaś w 1863 ukazała się książka Die Lehre von den Tonempfindungen... podsumowująca jego dorobek w dziedzinie fizjologii słuchu i akustyki muzycznej, która do dziś stanowi najbardziej podstawową lekturę z pogranicza muzyki, fizyki i psychofizjologii. W 1859 Helmholtz utracił kolejno ojca i żonę, która osierociła dwoje małych dzieci; pogorszył się znacznie stan jego zdrowia. Dopiero w 1861 ponownie podjął intensywną działalność twórczą; opublikował prace z zakresu hydro- i elektrodynamiki, a nawet geometrii. W 1862 objął funkcję prorektora uniwersytetu w Heidelbergu, wygłaszając wykład inauguracyjny na temat związków pomiędzy naukami przyrodniczymi a całością wiedzy ludzkiej.

W 1870 objął stanowisko profesora fizyki na uniwersytecie w Berlinie. Otwierał się nowy okres w życiu Helmholtza, niezmiernie bogaty w sukcesy naukowe mniej już związane z muzyką; głównym obiektem jego badań stała się znów elektrodynamika i termodynamika. W 1877 został rektorem uniwersytecie w Berlinie; wygłosił wykład inauguracyjny O wolności akademickiej na uniwersytetach niemieckich, będący niezwykle interesującym dokumentem jego poglądów. Od 1888 kierował nowo utworzonym Physikalisch-Technische Reichsanstalt, prowadząc badania nad ruchami powietrza, szczegółową naturą drgań elektrycznych, przyczynami tworzenia się elektryczności w atmosferze, energią fal morskich i wiatrów. Mniej czasu poświęcał wówczas zagadnieniom fizjologii zmysłów i akustyki, ale w późniejszym okresie życia napisał ważne prace z tej dziedziny: Telephonie und Klangfarbe (1878) i o właściwej interpretacji wrażeń zmysłowych (1894). 12 lipca 1894 doznał wylewu mózgowego i po dwóch miesiącach stanu półprzytomności umarł 8 września tegoż roku.

Postacie geniuszy naukowych takich jak Helmholtz należą do minionej już epoki, w której możliwe było ogarnięcie przez jednego człowieka całości wiedzy o ogromnej części przyrody i przyczynienie się do postępu nauki. Ale w przypadku Helmholtza było to jeszcze więcej. Zawdzięczamy mu nie tylko fundamentalne zdobycze nauki w zakresie medycyny, fizjologii i fizyki, lecz również wykazanie, w jaki sposób dziedziny te wpływają na kształtowanie świata sztuki. Helmholtz charakteryzował się fenomenalną intuicją naukową i ogromną pracowitością.

Nieomal cały dorobek Helmoltza w zakresie fizjologii słuchu, akustyki muzycznej i muzykologii opisany został w podstawowym, obszernym dziele zatytułowanym Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik. W czwartym wydaniu (1877), ostatnim za życia autora, znalazły się .dość istotne zmiany niektórych rozdziałów; w 1885 ukazało się drugie wydanie w języku angielskim w doskonałym tłumaczeniu i z licznymi przypisami A.J. Ellisa.

Za najcenniejszy wkład Helmholtza w wiedzę o percepcji słuchowej należy uznać wysuniętą przezeń hipotezę rezonansowej analizy dźwięku w uchu wewnętrznym. Hipoteza ta, która obecnie ma postać dobrze udokumentowanej teorii, w kolejnych wydaniach książki Helmholtza przedstawiona była w dwóch nieco różnych wersjach. W pierwszej wersji autor przypisał własności rezonansowe komórkom podporowym stanowiącym elementy struktury tzw. tunelu Cortiego. W ostatecznej wersji przedstawił tzw. hipotezę „harfy w uchu”, czyli zespołu nastrojonych rezonansowo włókienek poprzecznych w błonie podstawnej ślimaka. Włókna te są zróżnicowane co do długości w stosunku 1:12 i w pewnym stopniu przypominają instrument strunowy. Hipoteza ta została ostro skrytykowana m.in. dlatego, że założenie selektywnego pobudzania poszczególnych włókien wymagałoby stwierdzenia, że każde pobudzone włókno reaguje długim rezonansowym wybrzmiewaniem, co byłoby sprzeczne z obserwacją. Miejsce hipotezy „harfy w uchu” zajęła opracowana przez Békésy’ego teoria fal wędrownych, lecz ogólnie myśl Helmholtza, iż tony o różnych częstotliwościach pobudzają zakończenia różnych nerwów słuchowych, w pełni się sprawdziła. Co więcej, ostatnie badania wykazują, iż zadziwiająco duża selektywność słyszenia wysokości dźwięku umożliwiona jest dzięki dodatkowemu, rezonansowemu pobudzaniu rzęsek narządu Cortiego. Stanowi to w pewnym stopniu nawrót do szczegółów pierwotnej koncepcji Helmholtza.

Następnym, niezmiernie ważnym odkryciem Helmholtza było ujawnienie fizycznej i fizjologicznej przyczyny zjawiska dysonansu sensorycznego. Wykazał on, że istotne jest tu wrażenie szorstkości wywołane szybkimi dudnieniami pomiędzy tonami składowymi współbrzmiących dźwięków. Posługując się rezonatorami w postaci różnego rozmiaru twardych banieczek Helmholtz wykazał też, w jaki sposób struktura widmowa dźwięku warunkuje jego barwę oraz wykrył cechy widma wyznaczające charakterystyczne barwy samogłosek. Helmholtzowi zawdzięczamy wyjaśnienie sposobu powstawania drgań na strunach i w piszczałkach instrumentów muzycznych i — co niezmiernie ważne — wykazanie, iż podstawy harmonii tonalnej są głęboko ugruntowane w strukturze harmonicznej dźwięków. Uporządkowanie częstotliwości tonów harmonicznych (alikwotów) dźwięku w proporcje szeregu liczb naturalnych 1:2:3:4:5 itd. tworzy szereg międzyalikwotowych interwałów: oktawa, kwinta, kwarta, tercja wielka itd., przy czym 8 pierwszych tonów (z wyjątkiem siódmego) stanowi rozłożony trójdźwięk majorowy. Stwarza to sytuację, w której współbrzmienia triad odznaczają się stosunkowo małym dysonansem sensorycznym, a ponadto początkowo interwały szeregu międzyalikwotowego pojedynczych dźwięków mogą być w określonych warunkach wykrywane słuchem łatwiej niż inne interwały i utrwalać się w ludzkiej pamięci. W wyniku tych stwierdzeń Helmholtz był gorącym zwolennikiem naturalnego systemu dźwiękowego i uważał temperację skal za „zło konieczne”.

Pomimo stosunkowo długiego czasu, jaki upłynął od opublikowania prac Helmholtza, ogromna większość jego odkryć zachowała do dziś swą pełną aktualność i stanowi podstawę obecnie prowadzonych prac badawczych w obszarze pogranicza wiedzy i sztuki muzycznej.

Literatura: Popular Scientific Lectures by Hermann von Helmholtz, red. i tłum. angielskie E. Atkinson, Londyn 1903 (zawiera m.in. autobiografię); L. Koenigsberger Hermann von Helmholtz, 3 t., Brunszwik 1902/1903; E. du Bois-Reymond Gedächtnisrede auf Hermann von Helmholtz, w: Reden, t. 2, Lipsk 2. wyd. 1912; A. v. Helmholtz Ein Lebensbild in Briefen, oprac. E. von Siemens-Helmholtz, 2 t., Berlin 1929; H. Ebert Hermann von Helmholtz, Stuttgart 1949; R.M. i R.R. Warren Helmholtz – On perception, Its Physiology and Development, Nowy Jork 1968; C. Dahlhaus Hermann von Helmholtz und der Wissenschafischarakter der Musiktheorie, w: Über Musiktheorie, red. F. Zaminer, Kolonia 1970; R.M. Warren Helmholtz and His Continuing Influence, „Music Perception” 1984 nr 3.