亥姆霍茲：富有工匠精神的博學家

袁明逸 陸建隆

(南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210023)

今年距德國物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz，1821—1894)的誕辰已有201年，德國柏林大學主樓前的亥姆霍茲雕像歷經歲月變遷，不染風霜，仍鼓舞著一代又一代研究人員投身于科學實踐。 亥姆霍茲在物理學、醫(yī)學、生理學、化學、數學、心理學、哲學等學科領域做出了偉大貢獻，他所秉持的跨學科的工匠精神，在百余年后仍然為世人所敬仰，引領著人們追求卓越、開拓未來，腳踏實地走上創(chuàng)新之路。

1 篤志科學的青年軍醫(yī)

1821年8月31日，亥姆霍茲出生于德國柏林波茨坦的一個平凡家庭，他的父親是當地的一名中學教師，母親是漢諾威一名軍官的女兒，夫妻二人對亥姆霍茲的學習很重視。小時候的亥姆霍茲身體素質一般，起先只能在家中接受家庭教育，這使得亥姆霍茲早期的學習經歷并不愉快，他在文史方面顯得尤為薄弱也鮮有興趣，反而對物理與化學表現出了強烈的好奇心，他超越常人的智力和探求未知的能力則是在中學后期才慢慢發(fā)展起來的。[1]

十七歲中學畢業(yè)后，亥姆霍茲以優(yōu)異的成績考入了柏林弗雷德里克·威廉皇家醫(yī)學院。1838年到1842年，亥姆霍茲雖一直在醫(yī)學院學習，但他本人并沒有就此喪失中學時期對于物理等基礎學科的濃厚興趣，他將自己的喜愛化作動力并落實于行動，從繁忙的課程中擠出時間旁聽了許多物理、化學和生理學等課程。亥姆霍茲用這樣的方式延續(xù)了自己在這些學科上的好奇心，并進行了充分的知識儲備，這也為他后來在多項科研領域做出偉大貢獻奠定了基礎。

亥姆霍茲在大學期間雖修讀了多門學科課程，卻并沒有選修與數學有關的課程，但是他愛看如伯努利、歐拉、達朗貝爾、拉格朗日等數學家的著作，因此亥姆霍茲所擁有的與數學有關的知識均是靠他自學而成的。 亥姆霍茲日后在數學領域也取得了驚人成就，表明他具有天賦異稟的學習和領悟能力。[1]

1842年，亥姆霍茲以《無脊椎動物神經系統(tǒng)的結構》一文獲醫(yī)學博士學位，這篇文章暗示了他在未來科研中開始具備辯證的觀念并轉向科學研究。隨后他被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)，服役期間他對物理學、生理學、數學進行潛心研究，并取得了非常重要的成果。亥姆霍茲曾發(fā)表過一篇短文，糾正了化學家尤斯圖斯·馮·李比希的一個疏忽，他提出：“在動物體中的食物的燃燒熱不可以直接地等同于構成這些食物的化學元素的燃燒熱?！瘪g斥了當時流行的“熱質”說，他還簡要論述了這一原理對物理學的影響。[2]

1847年可謂亥姆霍茲一生中非常重要的一年，他雖為軍醫(yī)，但一直堅持著關于能量守恒理論的研究工作，并為驗證自己的理論進行了大量的科學推導與實驗。在他之前，有關能量守恒的相關理論研究成果均未引起學界的關注，當年的7月23日，亥姆霍茲在德國柏林物理學會做了關于“論力的守恒”的講演，他也因此在科學界逐漸有了聲望。

在講演中，亥姆霍茲創(chuàng)造性地運用數學方式提出“能量守恒定律”，對定律的普適性做了充分、明確的闡述。他以焦耳和邁爾等人關于能量守恒的研究為基礎，嚴謹論證了各類學科、各種運動中的能量守恒定律。他的觀點有三：力學是一切科學的根本；牛頓力學和拉格朗日力學在數學上是等價的，可以用拉氏方法以力所傳遞的能量或它所做的功來量度力；能量都是守恒的。[3]如圖1 所示，亥姆霍茲認為：“在質點之間的吸引力和排斥力作用下質點的所有運動中，如果吸引力和排斥力的強度只與距離有關，那么張力在量上的損失始終等于活力的增加，反之張力的增量始終等于活力的損失。因而，所有活力和張力之和始終是一個常數?！盵3]

圖1

其中“張力”即勢能，“活力”即動能。亥姆霍茲把這種力的保守性與不可能制造出永動機相聯(lián)系起來，他把中心力看作機械運動的最后原因，還證明了這種力的性質。

盡管這次的演講很成功，亥姆霍茲得出的結論十分振奮人心，卻因在那個時代里僅靠數學推演與實驗結合得出結果并不能被普遍接受，亥姆霍茲的幾篇相關文章紛紛被拒稿。[3]年輕的亥姆霍茲并不氣餒，在經歷短時間的消沉之后重新振作起來，繼續(xù)專心科研，并將這次的演講內容寫成專著《力之守恒》，運用數學的方式系統(tǒng)闡述了自然界各種運動形式之間都遵守能量守恒這條規(guī)律，這對近代物理學的發(fā)展起到了巨大推動作用，[4]能量守恒定律的創(chuàng)立者之一——年僅二十六歲的亥姆霍茲自此聲名鵲起。

2 建樹斐然的博學家

亥姆霍茲因其在物理學、生理學、醫(yī)學、化學、數學、哲學等方面做出卓越貢獻，被人們稱為“最后一位博學家”。[5]

1849年，亥姆霍茲成為柯尼斯堡大學的生理學教授。當時人們認為神經傳導的速度與光速差不多，所以無法測量，亥姆霍茲卻沖破禁區(qū)，在柯尼斯堡工作期間，用蛙神經測量了神經刺激的傳播速度，發(fā)表了生理學方面的研究成果。雖然測量結果不太精確，但開創(chuàng)了測量神經刺激過程的先河，建立起了物理學與生理學之間的聯(lián)系。[6]

亥姆霍茲詳細研究眼睛的功能，提出了確定近視、遠視眼鏡度數的方法。他繼承和發(fā)揚了托馬斯·楊關于色視覺現象的理論，解釋了色盲的成因，并在他的《生理光學綱要》一書中進行了深入的論述。他認為，人的視網膜上的三種神經纖維末梢器官分別具有感紅、感綠、感藍的能力，同時自然界中紅、綠、藍三種原色經不同比例混合，會產生各種各樣的顏色，當這些顏色刺激大腦時會產生不同的神經沖動從而有不同的顏色感覺，這被稱為“視覺三色說”。[4]亥姆霍茲通過思考與實驗得出的推論被后人廣泛應用于藝術創(chuàng)作之中。

1855年亥姆霍茲任波恩大學解剖學和生理學教授，兩年后他用生理學的知識、物理學的手段對音樂進行研究，運用聽覺機制解釋了樂音的性質。他提出了樂音的三個特性：音調、響度和音色，以及影響這些特性的因素，由此提出“聽覺共鳴說”解釋聽覺現象，[4]亥姆霍茲因此也被稱為語言物理學研究的先驅。1863年他的巨著《作為樂理的生理學基礎的音調感受的研究》出版，這是生理聲學的一部重要著作，該書從物理學的角度論述了各種音調給人的感覺，具有很高的學術價值，構建起了物理學與音樂之間的學科橋梁。

在1861年到1867年的這段時間內，亥姆霍茲進行了電磁振蕩現象的研究，利用由線圈和萊頓瓶組成的電路，研究在放電時的電磁振蕩特性，建立電磁作用理論，測出電磁感應的傳播速度為314 000 km/s 。[1]

1869年，他受聘擔任海德堡大學生理學教授，在這所大學任教期間，他主要研究流體力學方面的問題。通過研究流體的渦流運動，他給出了亥姆霍茲渦流定理。[1]1871年起亥姆霍茲任柏林大學物理學教授，自此他也從各類學科均有涉獵正式轉向主攻物理學。

3 心懷仁愛的教育家

亥姆霍茲學識淵博、平易近人，深受學生的愛戴，是一位成功的教育家。他在四十多年的教學生涯里培養(yǎng)出許多優(yōu)秀的物理學人才，他自己雖有諸多成就，卻無緣諾貝爾獎，但他的學生中獲得諾貝爾獎的人不在少數，證明電磁波存在的赫茲、能量量子化的建立者普朗克、提出輻射定律與位移定律的維恩等都曾是他的學生。

他的學生、諾貝爾獎得主普朗克曾這樣評價他：“我始終認為老師也是一位普通人，盡管他擁有諸多不平凡的成就。他品德高尚，為人親和，這也使我更愿意與他相處。我對他的贊揚不僅因他在各個學科領域的杰出成就，更因他本身所具備的人格魅力。他的處事原則、謙遜態(tài)度無不體現了他在學術上的嚴謹與值得信賴。這一切個人品質都給我留下了深刻的印象。在與他談話時，每當老師用那慈愛的、探求的、仿佛可以看透人的、但又是完全友好的目光注視著我，我就完全被一種原始的信任感所征服。我可以把腦中想到的一切毫無保留地向他吐露，比起其他成功，他的肯定與稱贊都使我更為愉快?！盵1]

亥姆霍茲在教學中具有大智慧，他喜歡在課后給學生留下思考題，如有令他滿意的答案產生，他便會給予學生獎勵。他曾經向他的學生赫茲提出問題：電是帶著慣性運動的嗎？這促使當時的赫茲去思考這方面的問題，不僅使得赫茲在恩師亥姆霍茲這里贏得了一塊獎牌，還為他未來發(fā)現電磁波埋下了伏筆。

亥姆霍茲善于教學，樂于教學，就像是他自始至終都對自己感興趣的研究抱有巨大的熱情一樣，他在教育事業(yè)上也有著十足的動力，他不會侵占學生的研究成果，無私平等地為每一位學生提供詳盡的指導與啟發(fā)。

4 亥姆霍茲豐富的一生給我們的啟示

4.1 樹立跨學科學習意識

亥姆霍茲興趣廣泛，學識淵博，他對很多學科都很熟悉，因此他可以綜合地運用自己的知識，開展跨學科研究，堅定地踐行著理論與實踐相統(tǒng)一的研究原則。[8]他在理論方面的成就包括總結電磁振蕩特性、發(fā)展色視覺理論、創(chuàng)立聽覺共振理論、提出亥姆霍茲渦流定理、建立吉布斯-亥姆霍茲方程等?；谶@些理論他反復試驗、積極實踐，由此發(fā)明了眼膜曲率計、亥姆霍茲共鳴器、亥姆霍茲線圈等多種科學儀器，寫下了《力之定恒》《生理光學綱要》《音樂理論的生理基礎》等著作和許多生動易懂的科普文章。對于當今世界的人們來說，為解決復雜問題，單一的學科知識已無法滿足社會需要，跨學科學習意識的樹立有利于推動社會進步，培養(yǎng)全人。

4.2 秉持科學態(tài)度，承擔科學教育的責任

亥姆霍茲以一名科研人員的身份在進行各學科研究時保持著自己寬闊的視野，放眼于基礎教育與高等教育，承擔起自然科學與社會科學并重的教育責任，為科學界培育了一批又一批的優(yōu)質人才。作為一名教師，教育視野不應狹窄，教育觀念不應陳舊，科學教育乃是一項應長期堅守的事業(yè)，應以良好的品德、敬業(yè)的精神面對學生，以身作則肩負起自然與社會科學的普及工作，無私奉獻、愛崗敬業(yè)，為國家、為社會創(chuàng)造更高更長久的價值。

4.3 培養(yǎng)時代所需的工匠精神

荀子曾說：“人積耨耕而為農夫，積斫削而為工匠。”隨著社會的發(fā)展，機器逐漸代替了人力，人們漸漸失去堅守過程的耐性，轉向了快速結果論的誤區(qū)。而工匠精神實則呼吁的是一種勞動精神、實踐精神，鉆研肯干、破除投機。亥姆霍茲一生追求科學，將自己所遇的每一個問題加以思考、論證、解決。1860年他被選為英國皇家學會會員，1873年被英國皇家學會授予開普勒獎章，1888年被委任為夏洛滕堡國家科學技術局主席。他一生中獲得過無數榮譽，達成過無數成就，卻從未就此止步，面對研究仍一絲不茍、精益求精，他追求卓越的工匠精神值得所有人學習。

為了紀念他，以亥姆霍茲的名字命名的“德國亥姆霍茲國家研究中心聯(lián)合會”至今仍是德國乃至歐洲最大的科學研究機構，致力于研究與能源、環(huán)境等多個學科領域相關的問題。當今時代所面臨的復雜問題以單一的學科知識已經無法被解決，學科的融合與交叉已是大勢所趨，亥姆霍茲取得的跨學科成就正體現了我們現在所需要樹立的跨學科意識。亥姆霍茲無疑是一代跨學科巨匠，他給我們帶來的啟發(fā)與激勵將伴隨人類亙久，時光之下，巨匠不朽。