HELMHOLTZ, Hermann von (1821-1894)
Alman fizik ve fizyoloji bilgini. Enerjinin korunumu, elektromanyetik dalgalar, hidrodinamik, ses ve renklerin algılanmasına ilişkin kuramsal çalışmalarıyla 19.yy’da fiziğin ve duyum fizyolojisinin gelişmesine büyük katkıda bulunmuştur.
Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz 31 Ağustos 1821’de Potsdam’da (bugün DAC’de) doğdu, 8 Eylül 1894’te Berlin’de öldü. Bir lisede felsefe ve edebiyat öğretmeni olan babasının yarattığı aile ortamında Helmholtz bir yandan sağlam bir sanat kültürü ve çok zengin bir dil bilgisi kazanırken, bir yandan da gelecekteki çalışmalarına yön verecek ilk etkileri alıyordu. Babasının aşıladığı müzik ve resim sevgisi genç Helmholtz’da, ileride özellikle görme ve işitme fizyolojisine yönelmesine neden olacak derin bir ilgi uyandırmış, aile dostlarıyla yapılan felsefe toplantıları da önce Kant, Fichte, Hegel gibi düşünürlere, ardın-
dan bilgikuramına (epistemoloji) ömür boyu sürecek bir yakınlık duymasını sağlamıştı.
Ailenin maddi olanakları üniversite giderlerini karşılamaya yeterli olmadığından ve yalnızca tıp öğrencilerine devlet bursu verildiğinden, liseyi bitiren Helmholtz çok istediği fizik öğreniminden vazgeçip tıp okumaya karar verdi ve 1838’de burslu öğrenci olarak Berlin’deki Friedrich Wilhelm Tıp Enstitüsü’ ne yazıldı. Bir yandan da Berlin Üniversitesi’nde kimya ve fizik derslerini, özellikle Johannes Müller’in fizyoloji derslerini izliyor, kendi kendine matematik çalışarak Laplace, Euler ve Daniel Bernoulli’nin yapıtlarını, ayrıca Kant’ın felsefesini okuyor, müzik bilgisini artırıyordu. Çağın en büyük fizyoloji bilginlerinden Müller’in öğrencisi olması, ardından fizyolojiyi dirimselci yaklaşımlardan arındırarak fizik ve kimya gibi bilimsel temeller üzerine oturtmayı amaçlayan, gene Müller’in öğrencilerinden Emst Brücke ve Emil Du Bois-Reymond ile yakın dostluk kurması Helmholtz’un oluşumunu büyük ölçüde etkiledi.
Müller’in denetiminde hazırladığı bitirme teziyle 1842’de tıp diplomasını alıp, devlet bursunun gerektirdiği sekiz yıllık zorunlu hizmeti yerine getirmek üzere Potsdam’daki süvari alayına askeri cerrah olarak atandığında da Helmholtz Berlin’deki dostlarıyla ilişkilerini koparmadı. Görevinden arta kalan zamanlarında bilimsel araştırmalarını sürdürerek, incelemelerini Du Bois-Reymond aracılığıyla, yeni kurulan Berlin Fizik Derneği’ne gönderiyordu. 1847 Temmuzu’nda aynı derneğe sunduğu, enerjinin korunumunu ilk kez matematiksel ilkeleriyle veren ünlü bildirisi bilim çevrelerinde tarihsel bir olay olarak değerlendirildi ve Helmholtz’u zorunlu hizmet yükümlülüğünden kurtararak akademik yaşama kazandırdı.
1849’da, Doğu Prusya’daki Königsberg (bugün Rusya’da Kaliningrad) Üniversitesi’nin fizyoloji kürsüsünde yardımcı profesörlüğe atanan Helmholtz, aynı yıl Olga von Velten ile evlendi ve yoğun bir araştırma dönemine girerek, özellikle 1851’de oftalmoskopu bularak birkaç yıl içinde adım tüm Avrupa’ya duyurdu. Ancak, Doğu Prusya’nın sert iklimi karısının sağlığına iyi gelmediğinden, 1855’te Königs-berg’ten ayrılıp anatomi ve fizyoloji profesörü olarak Bonn Üniversitesi’ne geçen Helmholtz, bu kez de anatomi derslerini vermek istemediği için görevini bıraktı ve 1858’de Heidelberg Üniversitesi’nde fizyoloji profesörlüğünü üstlendi. O çağda en parlak dönemini yaşayan bu üniversitede geçirdiği on üç yıl, Helmholtz’un bilimsel yaşamının en verimli yılları oldu. Üniversitede kurduğu yeni fizyoloji enstitüsünde duyum fizyolojisine ilişkin araştırmalarım sürdürürken, ilgisinin daha çok fiziğe, özellikle akustik ve optiğe yönelmesi bu döneme rastlar. Bu arada, Heidelberg’e yerleşmelerinden bir yıl sonra karısı ölmüş, 1861’de ikinci evliliğini Anna von Mohl ile yapmıştı.
1866’da fizyoloji konusundaki araştırmalarını bitirip, son çalışmalarım da yayıma hazırladıktan sonra tümüyle kuramsal fiziğe yönelen Helmholtz 1871’de Berlin Üniversitesi’nde fizik profesörlüğüne atandı. Başta Hertz olmak üzere değerli öğrenciler yetiştirerek ve yeni kurduğu enstitüde yoğun bir araştırma ortamı yaratarak Berlin Üniversitesi’ni özellikle elektrodinamikteki kuramsal ve deneysel gelişmelerin odağı durumuna getirdi. Almanya’nın bilim ve teknikteki gelişmesine yeni bir atılım kazandırmak üzere, 1887’de sanayicilerin de desteğiyle kurulan Physikalisch-technische Reichsanstalt Araştırma Enstitüsü’nün başkanlığına Helmholtz’un getirilmesi, ülkesinin tartışmasız en büyük fizikçilerinden biri sayılmasının doğal bir sonucuydu. Ancak, 1885’ten sonra sağlığı giderek bozulan Helmholtz bu görevi sekiz yıl sürdürebildi ve 1894’te ağır bir felç yaşamına son verdi.
Enerjinin korunumu
Potsdam’da askeri hekim olarak çalıştığı yıllarda enerjinin korunumunu araştırmaya başlayan Helm-holtz’u, değişik türden kuvvetlerin birbirine dönüşümüyle ilgilenmeye iten neden, Du Bois-Reymond ile birlikte 1847’de bir bildiri biçiminde de açıkladıkları gibi, fizyolojik olayları mekanik (fizikokimyasal) olgulara dayanarak açıklamak düşüncesiydi. Yaşam süreçlerinin temeli olan vücut ısısının ve kas kuvvetinin, alman besinlerin yanmasından (oksitlenmesinden) doğan kimyasal güçten kaynaklandığını göstermek için, daha önce Liebig’in başlattığı deneysel çalışmaları sürdüren Helmholtz, çalışan kasta birtakım kimyasal değişiklikler olduğunu ve kasılma sırasında ısı açığa çıktığını gösterdi. 1847’de Berlin Fizik Derneği’ne sunduğu “Über die Erhaltung der Kraft” (“Kuvvetin Korunumu Üstüne”) adlı ünlü bildirisinde, özellikle Carnot vejoule’ün çalışmalarım birleştirerek enerjinin korunumu ilkesini ilk kez fiziksel ve matematiksel temellere oturttu. İşin yoktan var olamayacağını, yapılan işin kinetik enerji farkına eşit olduğunu göstererek, korunum ilkesinin geçerli olabilmesi için hareket eden cisimleri etkileyen kuvvetlerin hıza ya da ivmeye değil, yalnızca cisimlerin konumuna bağlı olması gerektiğini kanıtlamaya çalıştı. Korunum ilkesinin esnek olmayan çarpışmalar için de geçerli olduğunu, çarpışmada yitirildiği sanılan enerjinin gerilim ya da ısı enerjisine dönüştüğünü öne sürdü.
Joule’ün açıkladığı, mekanik ener’i ile ısının eşdeğerliliği ilkesini genelleştirerek,bir cisimden yayı-
lan serbest ısının parçacıkların mikroskopik hareketinden, gizil (öz) ısının ise atomlar arası gerilim enerjisinden doğduğunu belirleyen Helmholtz, korunum ilkesini elektrostatik, elektrodinamik ve elektro-kimyasal olaylara da uyguladı. Ancak, termodinamiğin birinci kuralı için gerekli olan ve serbest ısıyla gizil ısıyı birleştirerek iç enerjinin tanımını veren son adım Clausius’dan geldi. O yıllarda temel ilgi alanı fizyoloji olduğundan, entropi kavramının ve kinetik kuramının geliştirilmesiyle uzun süre ilgilenmeyen Helmholtz, 1877’de, bir Galvani pilinin üretebileceği elektromotor kuvvetin pildeki eriyiğin derişikliğine bağlı olduğunu termodinamik ilkeleriyle kanıtladı. 1882’de, kimyasal tepkimelerde açığa çıkan ve yalnız ısıya dönüşebilen “bağlı” enerji ile başka enerji türlerine de dönüşebilen “serbest” enerji arasında bir ayırım yaparak, kendiliğinden gelişen endotermik tepkimelerin kimyasal ilgi kuralıyla çelişmediğini gösterdi. Fiziksel kimyada büyük önemi olan serbest enerji kavramını ortaya atarak Gibbs’in sonraki çalışmalarına temel hazırlayan Helmholtz, yaşamının son yıllarında, bu kavramı fiziğin tüm dallarını kapsayacak “en az eylem” ilkesi biçiminde genelleştirmeye çalıştıysa da, amaçladığı noktaya varamadı.
Duyum fizyolojisi ve dış dünyanın algılanması
Helmholtz’un, öğrencilik yıllarında Müller’in etkisiyle ilgi duyduğu duyum fizyolojisine ilişkin deneysel çalışmalarının başlangıcı 1850 yıllarına rastlar. Sinir impulslarmın iletim hızını daha duyarlı ölçebilmek için 1852’de, “miyograf” adını verdiği bir araç geliştiren Helmholtz, impulsların saniyede yaklaşık 30 m gibi oldukça düşük hızla iletildiğini ölçmeyi başardı. Bu ölçümün yalnız sinir fizyolojisinde değil, 19.yy doğa felsefesini belirleyen düşünce akımlarında da önemli sonuçları oldu. Bir yandan, organizmadaki tüm yaşam süreçlerinin temeli olduğuna inanılan ve deneysel yöntemlerle gözlemlenip ölçülmesi olanaksız diye düşünülen “yaşam özü”nün varlığını çürüterek mekanik görüşü desteklerken, bir yandan da insanın dış dünyayı duyumsal izlenimleriyle değil, zihinsel yetileriyle algıladığım savunan Kant’ın görüşlerine karşılık tüm bilgilerin duyular yoluyla alındığına ilişkin fizyolojik bir kanıt getirmişti.
İşitme fizyolojisi: rezonans kuramı
Sinir impulslarının ölçümünden hemen sonra işitme fizyolojisini incelemeye başlayan Helmholtz, önce, kulağın yalnızca basit armonik titreşimleri algıladığını, bu nedenle karmaşık bir ses dalgasını basit armonik dalgalar halinde çözümlediğini öne süren Ohm’un savım araştırdı. Dalganın biçiminin, kulak dışında ya da içinde armonik olmayacak biçimde bozulmasından bileşik tonların oluştuğunu, aynı yeğinlik ve aynı perdedeki ses tonları arasındaki tını farkının ise üst armoniklerin biçim değişikliğinden ileri geldiğini göstererek Ohm yasasını doğruladı. Helmholtz’un bu çalışmaları sırasında vardığı en önemli sonuç, işitmenin bir rezonans olayı olduğunu açıklamasıdır. 1857’de, Corti organındaki kirpikli hücrelerin salyangoz kanalı boyunca kısadan uzuna doğru artan bir boy sırası içinde dizildiğini ve tıpkı bir piyanonun telleri gibi belli frekanslara akort edilmiş birer rezonatör görevi yaptıklarını öne sürmüştü. Sonradan Victor Hensen’in, rezonatör işlevini Corti hücrelerinin değil, salyangozun taban zarındaki enine liflerin üstlendiğini açıklamasıyla Helmholtz’un rezonans kuramı işitme fizyolojisinin temeli olarak tüm bilim dünyasınca benimsendi.
Görme fizyolojisi: Young-Helmholtz kuramı
Helmholtz’un görme fizyolojisine ilk katkısı, 1851’de oftalmoskopu bulmasıdır. Gözden dağınık olarak yansıyan ışıklarla gözün ağtabakasının büyütülmüş bir görüntüsünü veren bu aygıt, bugün de göz doktorlarının en çok kullandıkları tanı araçlarının başında gelir. Ardından, gözün renkleri algılama mekanizmasını açıklamak üzere Thomas Young’m ortaya attığı üç renk kuramını ele alan Helmholtz, altı yıllık bir çalışma sonunda bu kurama son biçimini verdi. Young-Helmholtz kuramına göre, ağtabakada, her biri belli dalgaboyundaki ışığa duyarlı olan, bu nedenle üç temel renkten (kırmızı, yeşil ve mor) yalnızca birini algılayabilen üç ayrı tür renk alıcısı (koni hücre) vardır. Temel renklerin dışında kalan öbür renk duyumlarının tümü, fizyolojik bir karışımla bu üç renkten doğar. Örneğin, Helmholtz’un açıklamasına göre, kırmızı dalgaboyundaki ışık kırmızıya duyarlı alıcı hücreleri güçlü bir biçimde uyarırken, aynı anda yeşil ve mora duyarlı öbür alıcı hücreleri de daha hafif düzeyde uyaracak, böylece tayfın geri kalan renkleri, ara tonlar ya da her üç tür alıcının eşit düzeyde uyarılmasıyla beyaz renk izlenimi doğacaktır.
Genel ilkeleriyle bugün de geçerliliğini koruyan Young-Helmholtz kuramı, Wald, Granit, Hartline ve başka araştırmacıların katkılarıyla geliştirilerek, renkli görme olgusunun tutarlı bir açıklaması yapılabilmiştir. Helmholtz’un, bu kuramını, gözün yakındaki ve uzaktaki nesneleri net görebilmesini sağlayan uyum yeteneğini, saydam tabakanın eğrilik derecesini ölçen ve astigmatlık tanısında kullanılan “oftalmometre” adlı buluşunu, renk körlüğünü ve çeşitli göz kusurlarını açıkladığı, 3 ciltlik yapıtı Handbuch der physiolo-gischen Optik (“Fizyolojik Optik Elkitabı”), bu alanda o güne değin yapılmış en geniş kapsamlı çalışma olarak uzun yıllar değerini korumuştur. Ancak, görme duyumunu, özellikle uzaklık, mekân ya da derinliğin gözle algılanmasını bilgikuramı çerçevesinde değerlendirirken, tüm dış uyarıcıların duyu organlarınca algılanırken köklü değişikliğe uğradığını, bu nedenle duyumların dış dünyadaki gerçeğin tıpatıp bir görüntüsü olamayacağını ileri süren Helmholtz’un görgülcü yaklaşımı, doğalcı görüşü savunanlarla, özellikle Hering ile arasında uzlaşmaz bir tartışma konusu olmuştur.
Elektro-dinamik
1858’de, hidrodinamikle ilgili bir incelemesinde sıvılardaki burgaçlı akışın matematiksel analizini yapan Helmholtz, 1870’ten sonra çalışmalarını, uzun süredir ilgi duyduğu elektrodinamik konusunda yoğunlaştırdı. 1847’de adım bilim dünyasına duyuran ilk önemli çalışmasında ele aldığı ve fizik bilimlerine yönelmeden önce de fizyolojideki önemini araştırdığı enerjinin korunumu ile elektrodinamik kuramı arasındaki bağıntıyı araştırmak amacındaydı. 1847’de, enerjinin korunumu için, cisimler arasında etki eden kuvvetlerin hıza ya da ivmeye dayanmaması gerektiğini öne sürerken, elektrik yüklü iki parçacık arasındaki elektrodinamik kuvvete ilişkin Weber yasasının bu gerekli koşula, dolayısıyla enerjinin korunumu ilkesine uymadığını öne sürmüştü. 1853’te fizikçilerin, özellikle Clausius’un eleştirileri üzerine konuyu yeniden araştırarak, hız ve ivmeye dayanan kuvvetler söz konusu olduğunda da enerjinin korunacağını, ancak bu kuvvetlerin Newton’ın üçüncü etki-tepki kuralına uymayacağını kanıtladı.
Gene de Weber formülünün doğruluğunu kuşkuyla karşılayan ve 1870’te Weber yasalarını kıyasıya eleştirerek sert bir tartışma ortamı yaratan Helmholtz, Franz Emst Neumann (1798-1895) ya da Weber’in uzaktan etkileşim kuramına karşılık, o tarihte İngiltere dışında pek bilinmeyen Maxwell’in alan kuramını destekleyerek 1880’den sonra bu kuramın Avrupa’da benimsenmesinde etkili oldu. O güne değin hemen hemen tüm Avrupa fiziğinde geçerli olan ‘uzaktan etkileşim kuramı, arada iletken bir ortam olmasa da bir cismin uzaktaki başka bir cisme elektrodinamik etki uygulayabileceğini öne sürerken,
Maxwell’in kuramı uzaktan etkiyi olanaksız kabul ederek, elektrodinamik etkinin yayılabilmesini cisimler arasındaki ortamın (esir) sürekli olarak polarılmasına bağlıyordu. Maxwell’in kuramını desteklemekle birlikte, tüm akımların ortamın polarılmasından doğduğu görüşüne katılmayan Helmholtz, Maxwell’in-kinden çok daha genel bir potansiyel kuramı oluşturdu. Elektromanyetik dalgalar için kurduğu dalga denklemine dayanarak, bu tür dalgaların hızının, serbest uzayın elektrik ve manyetik özelliklerine bağlı olduğunu gösterdi. Kuramsal olarak tanımlanan elektromanyetik dalgaların varlığını deneysel yoldan kanıtlayan ve ışık dalgalarıyla benzerliğini saptayan ise, öğrencisi Heinrich Hertz oldu.
Yalnız değerli öğrenciler yetiştirerek değil, bilimsel konuları geniş kitlelere duyuran konferanslarıyla da gerçek bir eğitimci sorumluluğu gösteren, çalıştığı üniversite ve araştırma kurumlannda yarattığı olanaklarla 19.yy Almanyası’m Avrupa biliminin öncüsü durumuna getiren Helmholtz, çağının en etkili bilim adamlarından biridir.
• YAPITLAR (başlıca): Handbuch der physiologischen Optik, 3 cilt, 1856-1867, (“Fizyolojik Optik Elkitabı”); Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik, 1863, (“Müzik Kuramı için Fizyolojik Temel Olarak Algılama Bilgisi”); Populare missenschaftliche Vortrage, 3 cilt, 1865-1876, (“Bilimsel Halk Konferansları”); Wissenschaftliche Abhandlungen von Hermann Helmholtz, 3 cilt, 1882, (“Hermann Helmholtz’un Bilimsel Araştırmaları”); Vortrage und Reden, 2 cilt, 1884, (“Konferanslar ve Konuşmalar’’); Vorlesungen über die elektromagnetische Theorie desLichts,(ö.s.), A.König ve C.Runge (der.), 1897, (“Işığın Elektromanyetik Kuramı Üstüne Dersler”); Vorlesungen über theoretischePhysik,(ö.s.), 6 cilt, 1897-1907, (“Kuramsal Fizik Dersleri”).
• KAYNAKLAR: E.Du Bois-Reymond, Hermann von Helmholtz, Gedüchtnissrede, 1897; L.Goldschmidt, Kant und Helmholtz, 1898; L. Koenigsberger, Hermann von Helmholtz, 3 cilt, 1902-1903.
Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi