Загадки чувств: как Герман Гельмгольц открыл резонанс

Немецкий врач, физик и физиолог Герман Гельмгольц считается одним из самых продуктивных ученых XIX века, его даже называют «универсальным ученым». Он занимался исследованиями в математике, психологии, акустике, физиологии, термодинамике, оптике и в других науках.

Посредственный ученик, но гениальный ученый: Герман Гельмгольц

Герман Гельмгольц родился в бедной, но интеллигентной семье. Его отец преподавал философию и литературу в гимназии в Потсдаме, а дома обучал сына латинскому, греческому, итальянскому, ивриту, арабскому и французскому языкам, а также рассказывал о философских идеях Иммануила Канта и Иоганна Фихте. В школьные годы Герман был посредственным учеником — с трудом отличал правую и левую стороны, испытывал проблемы с грамматикой, однако проявлял интерес к науке.

Из-за финансовых проблем Гельмгольц не мог учиться в университете. Тогда отец мальчика предложил ему пойти в медицинский, чтобы обучение оплатило государство. В этом случае студенту предстояло восемь лет отработать военным врачом — на что он и согласился.

Гельмгольц поступил в Берлинский Медицинский Институт Фридриха Вильгельма в 1838 году, а четыре года спустя получил квалификацию врача. По окончании учебы Герман отправился на службу в прусскую армию в качестве хирурга. Когда у врача было свободное время, он проводил эксперименты в импровизированной лаборатории — за успехи в них Гельмгольц был досрочно освобожден от службы в армии.

Закон сохранения энергии

Гельмгольц написал статью «О сохранении силы», которую представил в Академии физики в Берлине в 1847 году. В ней он описал концепцию сохранения энергии — она не может возникнуть из ниоткуда или исчезнуть в никуда. Энергия должна либо использоваться, либо высвобождаться в виде тепла. Его объяснение было детальнее и яснее, чем теория, предложенная ранее Робертом Майером.

Интерес к работе органов чувств: изучение человеческого глаза

Гельмгольц стал преподавать анатомию в Берлинской академии художеств в 1848 году, а через год ему предложили должность профессора физиологии в Кенигсбергском университете. В нем он начал свои исследования по изучению слуха и зрения, а также нейрофизиологических процессов. Ученый был первым, кто попытался описать влияние бессознательных процессов на восприятие, а также начал исследовать память и процесс накопления опыта.

Приступив к изучению глаз, Гельмгольц столкнулся с отсутствием точного медицинского оборудования. В 1851 году ученый изобрел офтальмоскоп: он расположил четыре оптических зеркала, направляющих свет в глаз так, чтобы иметь возможность детально изучить сетчатку. В том же году врач опубликовал работу «Описание глазного зеркала», где рассказал о своем изобретении и описал открытые им оптические законы. После демонстрации прибора ученый получил 18 заказов на создание офтальмоскопов по всей Европе.

Тогда же Гельмгольц разработал офтальмометр для измерения кривизны роговицы. Используя устройства, он развил теорию Томаса Янга о трехцветном зрении.

Физиология слуха

Ученый продолжил интересоваться органами чувств и приступил к изучению слуха. Еще в детстве мальчик играл на пианино, поэтому ему было интересно узнать, как ухо человека различает тоны звуков. Гельмгольц предположил, что внутреннее ухо устроено так, что вызывает резонирование на определенных частотах. Это позволяет органу различать похожие тембры или обертоны — наиболее высокие звуки, то есть те, что выше основного тона.

В 1850-х годах Герман открыл явление акустического резонанса в полости, известное как «резонанс Гельмгольца». Для его анализа он создал резонатор — сферичный медный сосуд с открытым горлышком. Позже ученый собрал экспериментальную версию с тон-генератором, чтобы получить чистый звук от одной частоты.

Где можно столкнуться с резонансом?

Резонанс Гельмгольца встречается в повседневной жизни гораздо чаще, чем кажется. Вот несколько ситуаций и мест, где можно увидеть это явление:

• резонанс возникает, когда из-за открытого окна в автомобиле происходит пульсация ветра;
• в выхлопных системах машин и мотоциклов для снижения громкого шума двигателя;
• в архитектурной акустике для уменьшения нежелательных звуков;
• в струнных музыкальных инструментах, где происходит гашение звука за счет формы.

Ученый измерил скорость нервного импульса в 1852 году, что раньше считалось невозможным из-за уверенности, что она слишком велика, чтобы приборы могли ее измерить. Гельмгольц же решил стимулировать лягушачий нерв на разном расстоянии от мышцы. Он заметил, что она сокращалась медленнее, когда раздражитель находился дальше от нее. Это наблюдение помогло вычислить скорость импульса в нервной системе — Герман пришел к выводу, что она составляет примерно 1/10 от скорости звука.

Дальнейшая работа Гельмгольца со звуком

Гельмгольц переехал в Гейдельберг в 1858 году и стал руководителем кафедры физиологии в местном университете. Он продолжил свою работу над изучением звука и создал первый прибор, похожий на современный синтезатор, позволяющий электромеханически получать необходимые частоты нажатием на клавиши. Сейчас это устройство известно как «большой аппарат Гельмгольца для соединения тембров из 10 гармоник» или синтезатор Фурье.

Во время изучения звука ученый дал первое определение тембру, которое смогли дополнить только через столетие.

В то же время Гельмгольц изучал психоакустику — отрасль науки, исследующую психологические реакции человека, связанные со звуком. Он доказал, что ощущения имеют физическую природу, несмотря на то, что в то время все объяснялось теологией. В 1863 году ученый опубликовал работу «Об ощущениях тона», которая легла в основу современного понимания явления звука.

В один день Гельмгольц осознал, что наука ему наскучила, и решил сделать перерыв. В 1870 году ему предложили работу на кафедре физики в Берлинском университете, где он стал делиться своими знаниями со студентами. Герман считал, что все ученые должны объединиться и обмениваться опытом, чтобы увеличивать темп научно-технического прогресса.

Гельмгольц получил признание еще при жизни — в 1888 году император Германии Фридрих III дал ему дворянский титул. Ученый стал основателем и первым руководителем Физико-технического института в Берлине, который возглавлял вплоть до своей смерти.