Persönlichkeit und Klang: Hermann Ludwig Helmholtz - von der Grundlagenphysik bis zur Physiologie des Hörens und der Psychoakustik

Mit diesem Artikel beginne ich den nächsten biografischen Zyklus, der Wissenschaftlern gewidmet ist. Dank dessen wissen wir wirklich viel über die physikalische Natur des Klangs.

Meine Wahl ist kein Zufall, da Hermann Helmholtz die Grundlagen für wissenschaftliche Erkenntnisse wie Akustik, Elektrodynamik, Physiologie des Hörens und Psychoakustik gelegt hat. Der Beitrag dieses Wissenschaftlers zur Physik im Allgemeinen und zur Akustik im Besonderen ist schwer zu überschätzen. In Bezug auf Tonausrüstung und Musikinstrumente ist es schwer vorstellbar, dass die Entdeckungen und Studien dieser Person nicht verwendet werden.



Helmholtz schuf zunächst den elektromechanischen Prototyp eines Klangsynthesizers, beschrieb den Hörmechanismus, baute ein Modell des menschlichen Ohrs und untermauerte die Wellennatur des Klangs. Der Wissenschaftler gehört zu der ersten und einer der harmonischsten Definitionen des Timbres (laut Professor Aldoshina hat er 100 Jahre lang die Erforschung des Klangs in diesem Bereich bestimmt), der Schaffung eines Resonators und detaillierten Studien der Saitenschwingungen. Als wahrer Sohn seiner Zeit beschäftigte sich Helmholtz nicht nur mit Akustik, sondern auch mit Forschung in den Bereichen Mathematik, Elektrizität, Psychologie, Thermodynamik, Optik, Physiologie, Medizin und Meteorologie.

Mit anderen Worten, Helmholtz beschäftigte sich mit allem, was zu seiner Zeit als innovativ bezeichnet werden konnte, mit allem, was die Avantgarde der Wissenschaft und des Fortschritts war. Es war Helmholtz, der Mitte bis Ende des 19. Jahrhunderts einer der Führer der physischen Gemeinschaft Deutschlands war. Es ist kein Zufall, dass der größte Verband deutscher Forschungszentren nach ihm benannt wurde.

Die Kindheit eines Genies: der Sohn eines humanistischen Nationalisten, ein mittelmäßiges Gymnasium

Deutscher Helmholtz wurde am 31. August 1821 in der Familie des Philologieprofessors Ferdinand Helmholtz, eines Deutschlehrers, Subrektors des Potsdamer Gymnasiums, und der Hausfrau Caroline Helmholtz (geborene Penn) amerikanischer Herkunft geboren.

Es ist interessant, dass der Vater des Wissenschaftlers August-Ferdinand-Julius Helmholtz Theologie an der Universität Berlin studierte und später sein Studium an der Fakultät für deutsche Philologie abschloss, d.h. war ein Humanist im Knochenmark.

Als wahrer Nationalist, der von der Wiederbelebung Deutschlands träumte, unterbrach Ferdinand sein Studium an der Universität und nahm als freiwilliger Freiwilliger zwischen 1813 und 1815 an den Feindseligkeiten teil. Nach Abschluss seines Studiums im Jahr 1820 tritt August Ferdinand an die Stelle eines Lehrers in einem Gymnasium in Potsdam und heiratet im selben Jahr Carolina Penn. Ein Jahr später wird der Erstgeborene geboren, der dazu bestimmt ist, ein Genie zu werden und die Vorstellungen der Zeitgenossen über die Natur einer Vielzahl von Phänomenen zu verändern (und in einigen Fällen zu formen).

Seltsamerweise zeigte der deutsche Helmholtz als Kind keine Anzeichen von Genialität und zeigte im Prinzip keine Hoffnung auf eine vielversprechende Zukunft. Nach den Erinnerungen der Eltern war der zukünftige Wissenschaftler sehr schmerzhaft und litt von klein auf an einer Gedächtnisstörung, wobei große Schwierigkeiten zwischen der rechten und der linken Seite unterschieden wurden. Herman studierte an der Turnhalle, in der sein Vater unterrichtete. Er war ein äußerst mittelmäßiger Schüler und hatte Probleme mit der Grammatik. Der letztere Umstand ist angesichts der Ausbildung seines Vaters besonders seltsam.

Die Mängel der humanitären Fähigkeiten wurden jedoch durch eine Vorliebe für die exakten und naturwissenschaftlichen Wissenschaften mehr als ausgeglichen: Physik, Biologie und Mathematik. Nach den Erinnerungen des Wissenschaftlers selbst interessierte er sich bereits in seiner Schulzeit für Optik und formulierte als Gymnasiast mehrere optische Theoreme. So oder so, aber Helmholtz 'Talente wurden von den Lehrern des Gymnasiums nicht akzeptiert, und im Alter von 17 Jahren schloss Herman sein Studium mit einem nicht sehr beeindruckenden Zertifikat ab.

Der beste Physiker unter den Ärzten

Trotz des relativ hohen sozialen Status der Familie des zukünftigen Wissenschaftlers erlaubte die finanzielle Situation der Eltern dem jungen Helmholtz nicht, auf eigene Kosten zu studieren. Als Alternative wählt Herman auf Empfehlung von Verwandten die Karriere eines Militärchirurgen. Es ist möglich, dass die Wahl eines jungen Mannes von der erfolgreichen Erfahrung des Militärdienstes und der Überzeugung seines Vaters beeinflusst wurde.

Es wird angenommen, dass die Wahl auf die Möglichkeit einer freien Ausbildung am Royal Royal Medical and Surgical Institute in Friedrich-Wilhelm zurückzuführen war, die 8 Jahre lang als Militärarzt zugeteilt werden musste. Nach erfolgreichem Universitätsabschluss praktizierte Helmholtz zu Hause in Potsdam. Im gemütlichen "Sanitätshaus" der Potsdamer "Kaserne" vegetierte der Arzt und Physiker bis 1848, als er dank aufrichtiger wissenschaftlicher Arbeit keine "vorzeitige Entlassung" aus der staatlichen Verteilung erhielt. Es ist zu beachten, dass Helmholtz während des Gottesdienstes Zeit und Möglichkeiten für Forschung findet. Diese Lebensphase des Wissenschaftlers ist mit Entdeckungen auf dem Gebiet der grundlegenden physikalischen Gesetze verbunden.

Die vorzeitige Beendigung des Militärdienstes durch Wissenschaftler war auf Humboldts Petition zurückzuführen, die unter Bewunderung von Helmholtz 'Monographie Über die Erhaltung der Kraft Druck auf die Autoritäten des Physikers als eine große Persönlichkeit der europäischen Wissenschaft ausübte. In dieser grundlegenden Arbeit unterstützt Helmholtz Mayers Energieeinsparungsgesetz, formuliert es genauer und lässt keinen Raum für Debatten über seine Existenz. Später wird der Wissenschaftler dem Thema Energieeinsparung in chemischen Prozessen weitere Arbeiten widmen und 1881 eine Idee der freien Energie entwickeln.


Nach seinem Dienst wurde Helmholtz 1848 Professor für Anatomie an der Berliner Akademie der Künste. Er ist jedoch seit weniger als einem Jahr in dieser Position. Ein Jahr später bringt ihm der Ruhm des aufstrebenden Sterns der deutschen Wissenschaft den Titel eines Professors für Physiologie und Pathologie sowie einen Platz an der renommierten Universität Königsberg.

Parallel zur Physik forscht Helmholtz auf dem Gebiet der Physiologie. Der Schwerpunkt des Wissenschaftlers liegt auf dem Hören und Sehen sowie auf neurophysiologischen Prozessen und dem Wachstum von Nervenfasern. Viele betrachten den Wissenschaftler als einen der "Urgroßväter" der modernen kognitiven Psychologie, Neurophysiologie und Neurologie. Er war es, der den ersten Versuch unternahm, den Einfluss unbewusster Prozesse auf die Wahrnehmung zu beschreiben, die Beziehung zwischen Psyche und Muskelreaktionen feststellte und mit der Untersuchung von Gedächtnisprozessen und der Anhäufung von Erfahrungen begann.


Unter den Studien über diese Lebensperiode eines Physikers kann man die Entdeckung der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Nervenimpulses herausgreifen. Gleichzeitig experimentiert Helmholtz aktiv mit der Optik. Aktive Forschung trägt Früchte, in den Jahren 1850-1851 erfand der Wissenschaftler ein Ophthalmoskop und ein Ophthalmometer, Geräte werden ihren Platz in der medizinischen und wissenschaftlichen Praxis einnehmen.

Akustische Entdeckungen und Erfindungen

Während seiner wissenschaftlichen Arbeit betreibt der Wissenschaftler mit großem Interesse Forschungen zur Physiologie des Hörens und zur Psychoakustik. In den Jahren 1849-1850 entdeckte der Wissenschaftler das Phänomen der akustischen Resonanz in einem Hohlraum (Helmholtz-Resonanz) und schuf für die Analyse akustischer Signale ein spezielles Gerät - einen Resonator.

Helmholtz-Resonator - ein kugelförmiges Kupfergefäß mit offenem Hals, das von Helmholtz erfunden wurde, um akustische Signale zu analysieren, basierend auf den von Helmholtz und Rayleigh beobachteten Phänomenen. Eine quantitative Resonanztheorie dieses Typs wurde entwickelt.

Das Prinzip des Helmholtz-Resonators wird heute aktiv in der akustischen Bearbeitung von Räumen, der Schaffung von Konzertsälen, Showrooms, Tonaufnahmestudios, schalltoten Kammern sowie Schalldämpfern für Kraftfahrzeuge eingesetzt.




Akustikplatten, bei denen das Prinzip des Helmholtz-Resonators angewendet wird

1855 wurde der Wissenschaftler Leiter der Abteilung für Anatomie und Physiologie in Bonn. In dieser Position erstellt der Wissenschaftler 1856 unter genauer Berücksichtigung der Physiologie der Empfindungen und der physikalischen Grundlagen der Akustik ein Modell des menschlichen Ohrs, mit dem die Wirkung von Schall auf das menschliche Hörorgan untersucht werden kann. Im selben Jahr untersuchte Helmholtz Kombinationstöne und legte den Grundstein für die Untersuchung nichtlinearer Verzerrungen von Schallwellen. Helmholtz entwickelte die Theorie der Kombinationstöne und machte als erster auf die Nichtlinearität des menschlichen Gehörgangs, insbesondere des Trommelfells, aufmerksam.

1858 wechselte der Wissenschaftler erneut seinen Arbeitsplatz und wurde Leiter der Abteilung für Physiologie in Heidelberg, wo er die physikalische, physiologische und psychoakustische Forschung fortsetzte. Zwischen 1850 - 1870 (es gibt keine Informationen über die genaue Zeit) entwickelt Helmholtz einen der ersten Prototypen eines modernen Synthesizers, ein Gerät, mit dem Sie durch Drücken der entsprechenden Taste elektromechanisch Schall der erforderlichen Frequenz empfangen können. Gegenwärtig ist die Vorrichtung als "große Helmholtz-Vorrichtung zum Verbinden von Tönen mit 10 Harmonischen" oder als Fourier-Synthesizer bekannt.



Bei der Untersuchung der Eigenschaften des Klangs gibt Helmholtz die erste wissenschaftliche Definition des Timbres, auf die sich Forscher dieser Eigenschaft des Klangs über Jahrzehnte verlassen werden.

"Ein Timbre ist ein Unterschied in der musikalischen Qualität eines Tons (Timbre), der nur vom Vorhandensein und der Stärke von Partialtönen (Obertönen) abhängt und nicht von der Phasendifferenz, mit der diese Partialtöne in die Komposition eintreten."

Erst in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts kann das harmonische Konzept des Timbres ergänzt werden.

In zahlreichen Arbeiten zur Akustik und Physiologie des Hörens beweist Helmholtz schlüssig, dass Empfindungen, einschließlich des Hörens, physischer Natur sind. Während die damals vorherrschende Lehre Empfindungen und Wahrnehmungen auf der Grundlage des theologischen Ansatzes als unverständlichen geistigen Akt interpretierte.

Weltanerkennung und Sonnenuntergang der deutschen Wissenschaft

1870 wurde der Wissenschaftler Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften, wo er die erste physikalische Abteilung leitet und später das Physikinstitut leitet. In dieser Zeit konzentrierte sich Helmholtz auf das Studium der Elektrodynamik. Der Wissenschaftler setzt seine aktive wissenschaftliche Forschung bis zum Ende seines Lebens fort. Zeitgenossen sind beeindruckt von der Fruchtbarkeit und Unermüdlichkeit eines Kollegen, der Forschung mit aktiver Lehre verbindet.

Ich möchte darauf hinweisen, dass die Akustik den Wissenschaftler nicht weniger und in einigen Zeiträumen sogar mehr beschäftigte als andere Bereiche des physikalischen Wissens. Gleichzeitig erhält der Wissenschaftler im weltweiten wissenschaftlichen Umfeld eine lebenslange Anerkennung, vor allem für die Forschung auf dem Gebiet der Grundlagen- und Mathematikphysik. Das Verständnis und die Bedeutung der akustischen Helmholtz-Forschung kommt viel später, wenn die Forschung praktische Anwendung findet.


Unter den Studenten und Partnern der Helmholtz-Forschung sind die Namen von Wissenschaftlern wie: V. Wundt, G. Herz, L. Boltzmann, I.M. Sechenov, D.A. Lachinov, A.G. Stoletov, K.A. Timiryazev. Die Positionen des Wissenschaftlers sprechen eloquent für seine Bedeutung für die Welt und die deutsche Wissenschaft: der Direktor des Physikinstituts, der Rektor der Universität Berlin, der Präsident des kaiserlichen Instituts für Physik und Technologie. Die Mitgliedschaft von Helmholtz in den Akademien der Wissenschaften in Großbritannien, Prag und St. Petersburg zeugt von internationaler Anerkennung.

Am Ende seines Lebens hat der Wissenschaftler immer mehr Gedächtnisprobleme, mit denen er seit seiner Kindheit vertraut war, arbeitet aber weiterhin mit manischer Beharrlichkeit. Der Tod überholte im September 1894 ein Genie in Berlin.