袁明逸 陸建隆

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210023)

今年距德國物理學(xué)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(xué)主樓前的亥姆霍茲雕像歷經(jīng)歲月變遷，不染風(fēng)霜，仍鼓舞著一代又一代研究人員投身于科學(xué)實(shí)踐。 亥姆霍茲在物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域做出了偉大貢獻(xiàn)，他所秉持的跨學(xué)科的工匠精神，在百余年后仍然為世人所敬仰，引領(lǐng)著人們追求卓越、開拓未來，腳踏實(shí)地走上創(chuàng)新之路。

1 篤志科學(xué)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(gè)平凡家庭，他的父親是當(dāng)?shù)氐囊幻袑W(xué)教師，母親是漢諾威一名軍官的女兒，夫妻二人對(duì)亥姆霍茲的學(xué)習(xí)很重視。小時(shí)候的亥姆霍茲身體素質(zhì)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(xué)習(xí)經(jīng)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(duì)物理與化學(xué)表現(xiàn)出了強(qiáng)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(xué)后期才慢慢發(fā)展起來的。[1]

十七歲中學(xué)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(xué)院。1838年到1842年，亥姆霍茲雖一直在醫(yī)學(xué)院學(xué)習(xí)，但他本人并沒有就此喪失中學(xué)時(shí)期對(duì)于物理等基礎(chǔ)學(xué)科的濃厚興趣，他將自己的喜愛化作動(dòng)力并落實(shí)于行動(dòng)，從繁忙的課程中擠出時(shí)間旁聽了許多物理、化學(xué)和生理學(xué)等課程。亥姆霍茲用這樣的方式延續(xù)了自己在這些學(xué)科上的好奇心，并進(jìn)行了充分的知識(shí)儲(chǔ)備，這也為他后來在多項(xiàng)科研領(lǐng)域做出偉大貢獻(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

亥姆霍茲在大學(xué)期間雖修讀了多門學(xué)科課程，卻并沒有選修與數(shù)學(xué)有關(guān)的課程，但是他愛看如伯努利、歐拉、達(dá)朗貝爾、拉格朗日等數(shù)學(xué)家的著作，因此亥姆霍茲所擁有的與數(shù)學(xué)有關(guān)的知識(shí)均是靠他自學(xué)而成的。 亥姆霍茲日后在數(shù)學(xué)領(lǐng)域也取得了驚人成就，表明他具有天賦異稟的學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟能力。[1]

1842年，亥姆霍茲以《無脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)》一文獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)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(zhuǎn)向科學(xué)研究。隨后他被任命為波茨坦駐軍軍醫(yī)，服役期間他對(duì)物理學(xué)、生理學(xué)、數(shù)學(xué)進(jìn)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(xué)家尤斯圖斯·馮·李比希的一個(gè)疏忽，他提出：“在動(dòng)物體中的食物的燃燒熱不可以直接地等同于構(gòu)成這些食物的化學(xué)元素的燃燒熱?！瘪g斥了當(dāng)時(shí)流行的“熱質(zhì)”說，他還簡要論述了這一原理對(duì)物理學(xué)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(jiān)持著關(guān)于能量守恒理論的研究工作，并為驗(yàn)證自己的理論進(jìn)行了大量的科學(xué)推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)。在他之前，有關(guān)能量守恒的相關(guān)理論研究成果均未引起學(xué)界的關(guān)注，當(dāng)年的7月23日，亥姆霍茲在德國柏林物理學(xué)會(huì)做了關(guān)于“論力的守恒”的講演，他也因此在科學(xué)界逐漸有了聲望。

在講演中，亥姆霍茲創(chuàng)造性地運(yùn)用數(shù)學(xué)方式提出“能量守恒定律”，對(duì)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(guān)于能量守恒的研究為基礎(chǔ)，嚴(yán)謹(jǐn)論證了各類學(xué)科、各種運(yùn)動(dòng)中的能量守恒定律。他的觀點(diǎn)有三：力學(xué)是一切科學(xué)的根本；牛頓力學(xué)和拉格朗日力學(xué)在數(shù)學(xué)上是等價(jià)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(rèn)為：“在質(zhì)點(diǎn)之間的吸引力和排斥力作用下質(zhì)點(diǎn)的所有運(yùn)動(dòng)中，如果吸引力和排斥力的強(qiáng)度只與距離有關(guān)，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(gè)常數(shù)?！盵3]

圖1

其中“張力”即勢(shì)能，“活力”即動(dòng)能。亥姆霍茲把這種力的保守性與不可能制造出永動(dòng)機(jī)相聯(lián)系起來，他把中心力看作機(jī)械運(yùn)動(dòng)的最后原因，還證明了這種力的性質(zhì)。

盡管這次的演講很成功，亥姆霍茲得出的結(jié)論十分振奮人心，卻因在那個(gè)時(shí)代里僅靠數(shù)學(xué)推演與實(shí)驗(yàn)結(jié)合得出結(jié)果并不能被普遍接受，亥姆霍茲的幾篇相關(guān)文章紛紛被拒稿。[3]年輕的亥姆霍茲并不氣餒，在經(jīng)歷短時(shí)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(nèi)容寫成專著《力之守恒》，運(yùn)用數(shù)學(xué)的方式系統(tǒng)闡述了自然界各種運(yùn)動(dòng)形式之間都遵守能量守恒這條規(guī)律，這對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展起到了巨大推動(dòng)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(xué)家

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

1849年，亥姆霍茲成為柯尼斯堡大學(xué)的生理學(xué)教授。當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為神經(jīng)傳導(dǎo)的速度與光速差不多，所以無法測(cè)量，亥姆霍茲卻沖破禁區(qū)，在柯尼斯堡工作期間，用蛙神經(jīng)測(cè)量了神經(jīng)刺激的傳播速度，發(fā)表了生理學(xué)方面的研究成果。雖然測(cè)量結(jié)果不太精確，但開創(chuàng)了測(cè)量神經(jīng)刺激過程的先河，建立起了物理學(xué)與生理學(xué)之間的聯(lián)系。[6]

亥姆霍茲詳細(xì)研究眼睛的功能，提出了確定近視、遠(yuǎn)視眼鏡度數(shù)的方法。他繼承和發(fā)揚(yáng)了托馬斯·楊關(guān)于色視覺現(xiàn)象的理論，解釋了色盲的成因，并在他的《生理光學(xué)綱要》一書中進(jìn)行了深入的論述。他認(rèn)為，人的視網(wǎng)膜上的三種神經(jīng)纖維末梢器官分別具有感紅、感綠、感藍(lán)的能力，同時(shí)自然界中紅、綠、藍(lán)三種原色經(jīng)不同比例混合，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的顏色，當(dāng)這些顏色刺激大腦時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的神經(jīng)沖動(dòng)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(shí)驗(yàn)得出的推論被后人廣泛應(yīng)用于藝術(shù)創(chuàng)作之中。

1855年亥姆霍茲任波恩大學(xué)解剖學(xué)和生理學(xué)教授，兩年后他用生理學(xué)的知識(shí)、物理學(xué)的手段對(duì)音樂進(jìn)行研究，運(yùn)用聽覺機(jī)制解釋了樂音的性質(zhì)。他提出了樂音的三個(gè)特性：音調(diào)、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(xiàn)象，[4]亥姆霍茲因此也被稱為語言物理學(xué)研究的先驅(qū)。1863年他的巨著《作為樂理的生理學(xué)基礎(chǔ)的音調(diào)感受的研究》出版，這是生理聲學(xué)的一部重要著作，該書從物理學(xué)的角度論述了各種音調(diào)給人的感覺，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，構(gòu)建起了物理學(xué)與音樂之間的學(xué)科橋梁。

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

1869年，他受聘擔(dān)任海德堡大學(xué)生理學(xué)教授，在這所大學(xué)任教期間，他主要研究流體力學(xué)方面的問題。通過研究流體的渦流運(yùn)動(dòng)，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(xué)物理學(xué)教授，自此他也從各類學(xué)科均有涉獵正式轉(zhuǎn)向主攻物理學(xué)。

3 心懷仁愛的教育家

亥姆霍茲學(xué)識(shí)淵博、平易近人，深受學(xué)生的愛戴，是一位成功的教育家。他在四十多年的教學(xué)生涯里培養(yǎng)出許多優(yōu)秀的物理學(xué)人才，他自己雖有諸多成就，卻無緣諾貝爾獎(jiǎng)，但他的學(xué)生中獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人不在少數(shù)，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(xué)生。

他的學(xué)生、諾貝爾獎(jiǎng)得主普朗克曾這樣評(píng)價(jià)他：“我始終認(rèn)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(duì)他的贊揚(yáng)不僅因他在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)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(xiàn)了他在學(xué)術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)與值得信賴。這一切個(gè)人品質(zhì)都給我留下了深刻的印象。在與他談話時(shí)，每當(dāng)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(xué)中具有大智慧，他喜歡在課后給學(xué)生留下思考題，如有令他滿意的答案產(chǎn)生，他便會(huì)給予學(xué)生獎(jiǎng)勵(lì)。他曾經(jīng)向他的學(xué)生赫茲提出問題：電是帶著慣性運(yùn)動(dòng)的嗎？這促使當(dāng)時(shí)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(jiǎng)牌，還為他未來發(fā)現(xiàn)電磁波埋下了伏筆。

亥姆霍茲善于教學(xué)，樂于教學(xué)，就像是他自始至終都對(duì)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(dòng)力，他不會(huì)侵占學(xué)生的研究成果，無私平等地為每一位學(xué)生提供詳盡的指導(dǎo)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(xué)科學(xué)習(xí)意識(shí)

亥姆霍茲興趣廣泛，學(xué)識(shí)淵博，他對(duì)很多學(xué)科都很熟悉，因此他可以綜合地運(yùn)用自己的知識(shí)，開展跨學(xué)科研究，堅(jiān)定地踐行著理論與實(shí)踐相統(tǒng)一的研究原則。[8]他在理論方面的成就包括總結(jié)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(fù)試驗(yàn)、積極實(shí)踐，由此發(fā)明了眼膜曲率計(jì)、亥姆霍茲共鳴器、亥姆霍茲線圈等多種科學(xué)儀器，寫下了《力之定恒》《生理光學(xué)綱要》《音樂理論的生理基礎(chǔ)》等著作和許多生動(dòng)易懂的科普文章。對(duì)于當(dāng)今世界的人們來說，為解決復(fù)雜問題，單一的學(xué)科知識(shí)已無法滿足社會(huì)需要，跨學(xué)科學(xué)習(xí)意識(shí)的樹立有利于推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，培養(yǎng)全人。

4.2 秉持科學(xué)態(tài)度，承擔(dān)科學(xué)教育的責(zé)任

亥姆霍茲以一名科研人員的身份在進(jìn)行各學(xué)科研究時(shí)保持著自己寬闊的視野，放眼于基礎(chǔ)教育與高等教育，承擔(dān)起自然科學(xué)與社會(huì)科學(xué)并重的教育責(zé)任，為科學(xué)界培育了一批又一批的優(yōu)質(zhì)人才。作為一名教師，教育視野不應(yīng)狹窄，教育觀念不應(yīng)陳舊，科學(xué)教育乃是一項(xiàng)應(yīng)長期堅(jiān)守的事業(yè)，應(yīng)以良好的品德、敬業(yè)的精神面對(duì)學(xué)生，以身作則肩負(fù)起自然與社會(huì)科學(xué)的普及工作，無私奉獻(xiàn)、愛崗敬業(yè)，為國家、為社會(huì)創(chuàng)造更高更長久的價(jià)值。

4.3 培養(yǎng)時(shí)代所需的工匠精神

荀子曾說：“人積耨耕而為農(nóng)夫，積斫削而為工匠?！彪S著社會(huì)的發(fā)展，機(jī)器逐漸代替了人力，人們漸漸失去堅(jiān)守過程的耐性，轉(zhuǎn)向了快速結(jié)果論的誤區(qū)。而工匠精神實(shí)則呼吁的是一種勞動(dòng)精神、實(shí)踐精神，鉆研肯干、破除投機(jī)。亥姆霍茲一生追求科學(xué)，將自己所遇的每一個(gè)問題加以思考、論證、解決。1860年他被選為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，1873年被英國皇家學(xué)會(huì)授予開普勒獎(jiǎng)?wù)拢?888年被委任為夏洛滕堡國家科學(xué)技術(shù)局主席。他一生中獲得過無數(shù)榮譽(yù)，達(dá)成過無數(shù)成就，卻從未就此止步，面對(duì)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(xué)習(xí)。

為了紀(jì)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(huì)”至今仍是德國乃至歐洲最大的科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，致力于研究與能源、環(huán)境等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)的問題。當(dāng)今時(shí)代所面臨的復(fù)雜問題以單一的學(xué)科知識(shí)已經(jīng)無法被解決，學(xué)科的融合與交叉已是大勢(shì)所趨，亥姆霍茲取得的跨學(xué)科成就正體現(xiàn)了我們現(xiàn)在所需要樹立的跨學(xué)科意識(shí)。亥姆霍茲無疑是一代跨學(xué)科巨匠，他給我們帶來的啟發(fā)與激勵(lì)將伴隨人類亙久，時(shí)光之下，巨匠不朽。