Философское значение теории Г. Гельмгольца о законе сохранения энергии в живой клетке Содержание Введение ................................................................................................................... 2 1.Научный путь Г.Гельмгольца ............................................................................. 4 2Закон сохранения энергии в живой клетке ......................................................... 9 Заключение ............................................................................................................ 13 Список литературы ............................................................................................... 15 Введение Герман крупным Гельмгольц (1821—1894) был естествоиспытателем, физиком, врачом, ученым-медиком, психологом и своими выдающимися открытиями вошел в историю философской мысли XIX в. В работе «О сохранении силы» дал математическое обоснование закона сохранения энергии и высказал положение о том, что все живые организмы являются той физико-химической средой, в которой указанный закон обязательно выполняется. Доказанное им положение о том, что все изменения, происходящие в живых организмах, подчинены закону сохранения энергии, нанесло серьезный удар по витализму (концепции особой «жизненной силы»). Им было отвергнуто иллюзорное представление о том, что живыми организмами управляет некая жизненная сила. Среди многочисленных трудов Гельмгольца по физиологии для философов большой интерес представляют работы по измерению скорости распространения возбуждения в нервном волокне. Используя физические методы в нервно-мышечной физиологии, он установил «время реакции», что являлось началом экспериментальных работ по психологии. Его работы показали, что эти нервно-психические акты вполне измеримы во времени, а не совершаются мгновенно. Это открытие имело большой философский смысл. Целью даной работы является изучение философского значения теории Г. Гельмгольца о законе сохранения энергии в живой клетке. 1.Научный путь Г.Гельмгольца Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 году в семье Потсдамского учителя гимназии. По желанию отца, в 1838 году Герман поступил в военно-медицинский институт Фридриха-Вильгельма для изучения медицины. Под влиянием знаменитого физиолога Иоганна Мюллера, Гельмгольц прослушании курса посвятил института себя изучению защитил в 1842 физиологии году и по докторскую диссертацию, посвященную строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов[2]. В том же году Герман назначается ординатором в больницу в Берлине. С 1843 года начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского военного врача. Жил он в казарме и вставал в пять часов утра по сигналу кавалерийской трубы. Но эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятий наукой. В 1845 году он прощается с военной службой и едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача. Гельмгольц усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса. Под влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочном существе жизненной силы. Размышляя над этой проблемой, Гельмгольц в последний год студенчества пришел к выводу, что теория жизненной силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum mobile». Гельмгольц был знаком с проблемой вечного двигателя со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты... разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Жан Лерон Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я, — говорил Гельмгольц, — натолкнулся на вопрос: «Какое отношение должно существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» — и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?» В журнале Мюллера Герман Гельмгольц опубликовал в 1845 году работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же 1845 году молодые ученые, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошел и Гельмгольц. С 1845 года общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики». Научное развитие Германа Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе «Успехов физики, 1845», вышедшем в Берлине в 1847 году, был напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 году он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». В том же году он был опубликован отдельной брошюрой[5]. Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы. Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Герман Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел получать непрерывно из ничего движущую силу». Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами». Сформулировав этот принцип, Герман Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасенной электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и меньше, пока наконец живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений»[3]. Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Герман Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений. Рассматривая магнетизм и Гельмгольц, в частности, дает свой известный электромагнетизм, вывод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца. В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее, именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он в 1849 году получил должность экстраординарного профессора. Эту должность Герман Гельмгольц занимал до 1855 года, когда он перешел профессором анатомии и физиологии в Бонн. В 1858 году Гельмгольц становится профессором физиологии в Гейдельберге, где он много и успешно занимался физиологией зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «Физиологическая оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856 году, второй — в 1860 году, а третий — в 1867 году. Глаз — один из замечательнейших органов нашего тела. О его работе знали и раньше, сравнивали ее с работой фотографического аппарата. Но для полного выяснения даже только физической стороны зрения мало грубого сравнения с фотокамерой. Нужно решить ряд сложных задач из области не только физики, но и физиологии и даже психологии. Разрешать их приходилось на живом глазу, и Герман Гельмгольц сумел сделать это. Он построил особый, изумительный по своей простоте аппарат (офтальмометр), который позволял измерять кривизну роговой оболочки задней и передней поверхности хрусталика. Так было изучено преломление лучей в глазу. Чтобы исследовать дно живого глаза, Герман Гельмгольц изготовил особый прибор: глазное зеркало (офтальмоскоп). Этот прибор давно уже стал обязательным снаряжением каждого глазного врача. Гельмгольц сделал очень много для изучения глаза и зрения: создал физиологическую оптику — науку о глазе и зрении. Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения. Лягушки для препарирования много раз побывали на лабораторном столе ученого. Он изучал на них скорость распространения возбуждения по нерву. Нерв получал раздражение током, вызванное возбуждение достигало мышцы, и она сокращалась. Зная расстояния между этими двумя точками и разницу во времени, можно высчитать скорость распространения возбуждения по нерву. Она оказалась совсем небольшой, всего от 30 до 100 м/сек. Не меньше Гельмгольц сделал и для изучения слуха и уха (физиологическая акустика). В 1863 году вышла его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики». И здесь до исследований Гельмгольца многое, связанное со слухом, было изучено очень слабо. Знали, как возникает и распространяется звук, но очень мало было известно о тех воздействиях, которые оказывают звуки на способные колебаться предметы. Герман Гельмгольц раньше всех занялся этим сложным явлением. Создав теорию резонанса, он создал затем на ее основе учение о слуховых ощущениях, о нашем голосе, о музыкальных инструментах. Изучая явления колебаний, Гельмгольц разработал и ряд вопросов, имеющих огромное значение для теории музыки, дал анализ причин музыкальной гармонии. На примере Гельмгольца видно, какое огромное значение имеет широта кругозора ученого, богатство и разнообразие его знаний и интересов. Там же, в Гейдельберге, вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии. С марта 1871 года Гельмгольц становится профессором Берлинского университета. Он создает физический институт, в который приезжали работать физики всего мира[1]. С переездом в Берлин Герман Гельмгольц посвящает себя исключительно физике, причем изучает ее наиболее сложные области: электродинамику, в которой, исходя из идей Фарадея, разрабатывает собственную теорию, затем гидродинамику и явления электролиза в связи с термохимией. Особенно замечательны его работы по гидродинамике, начатые еще в 1858 году, в которых Гельмгольц дает теорию вихревого движения и течения жидкости и в которых ему удается решить несколько весьма трудных математических задач. В 1882 году Гельмгольц формулирует теорию свободной энергии, в которой решает вопрос о том, какая часть полной молекулярной энергии некой системы может превратиться в работу. Эта теория имеет в термохимии то же значение, что принцип Карно в термодинамике. В 1888 году Гельмгольц назначается директором вновь учрежденного правительственного физико-технического института в Шарлотенбурге — Центра немецкой метрологии, в организации которого он принимал самое активное участие. В то же время ученый продолжает читать лекции теоретической физики в университете. 2Закон сохранения энергии в живой клетке Вероятно, наиболее ранняя и всеобъемлющая формулировка закона сохранения энергии содержится в работе Гельмгольца, Написанной им в 1847 г. Термин «энергия» в те годы еще не был общепринятым, и Гельмгольц пользовался словом «сила». В механике частице можно приписать определенную кинетическую энергию (vis viva) и потенциальную энергию таким образом, что их сумма (при условии, что силы консервативные) всегда будет сохраняться. Суть результатов наблюдений Майера, Джоуля и других состояла в обнаружении широкого класса систем (как живых, так и неодушевленных), которым присуще что-то, способное совершать работу, но это «что-то» нельзя с легкостью отнести ни к кинетической, ни к механической потенциальной энергии. Кроме того, оказалось, что кинетич ская энергия может явно превращаться в тепло, причем определенное количество энергии переходит в определенное количество теплоты[4]. Учитывая все это, Гельмгольц пришел к мысли, что определение энергии принятое в механике: следовало бы обобщить и записать в следующем виде: При этом Гельмгольц руководствовался мыслью, что работа, совершенная над системой, должна равняться увеличению энергии системы. Однако эта дополнительная энергия может перейти как в механическую (кинетическую или потенциальную) энергию, так и в тепло, электрическую энергию или в какую-нибудь другую неизвестную до этого форму. Это определение, конечно, предоставляет нам большую свободу действий. Если мы настаиваем на выполнении аакона сохранения энергии в любом физическом процессе, то нам иногда приходится придумывать новые формы энергии, чтобы уравнять обе части написанного выше уравнения. (Как однажды заметил Пуанкаре, мы скорее придумаем новые формы энергии, чем откажемся от аакона физике элементарных частиц были случаи, сохранения когда энергии.) предлагались В новые частицы, например нейтрино, чтобы спасти принцип сохранения энергии. Рисунок 1 Преобразование энергии Ибо в настоящее время, когда мы наблюдаем кажущееся исчезновение энергии, мы начинаем сразу же искать, куда она исчезла: какая частица унесла ее или в какую другую форму энергия превратилась. Если вводить новые частицы или новые формы энергии, принцип сохранения энергии всегда можно спасти. Такая процедура характеризует наш способ изучения мира. Однако, если мы ввели новую частицу нейтрино для спасения принципа сохранения энергии при ядерных реакциях, мы вправе ожидать, что будут найдены другие следы этой же частицы. Когда мы обнаруживаем эти следы, т. е. когда наконец «открываем» нейтрино, мы убеждаемся, что принцип сохранения энергии еще раз оказался плодотворным. Каждая из форм энергии (старая или новая) должна быть определенным образом связана с другими формами, но все они эквивалентны заданной величине работы. Так, работа в 4,18 Дж (производимая, например, при толкании тела с силой в 4,18 Н на расстоянии 1 м) может дать 1 кал тепла. Она также может прогнать электроны сквозь разность потенциалов в I В или поднять груз с массой 100 г на высоту 426 см. Когда этот груз падает на Землю, его максимальная кинетическая энергия у поверхности Земли достигает значения 4,18 Дж, а когда он ударяется о Землю и останавливается, выделяется 1 кал тепла, которое в конце концов идет на нагревание и груза, и Земли. В качестве упражнения мы можем вычислить силу, требуемую для перемещения провода в однородном магнитном поле. Если цепь не замкнута (ток не течет) и трение не учитывается (генератор без трения), то эта сила равна нулю. Рисунок 2 щ=Замкнутая цепь Если же цепь, содержащая сопротивление замкнута (рис .2), то разность потенциалов V между концами сопротивления приведет к появлению тока а следовательно, к выделению джоулева тепла Энергия, или работа, необходимая для получения этого тепла, равна энергии, затраченной при перемещении провода через магнитное поле. Таким образом, Но, согласно уравнению (21.9), Отсюда Чем меньше сопротивление, тем большее требуется усилие для перемещения провода с заданной скоростью. Чтобы раскрутить генератор, если тот короткозамкнут или перегружен, требуется такая большая сила, что его двигатели могут сгореть. Чтобы подобные случаи не происходили, настоящие генераторы снабжены предохранителями и реле, которые управляются автоматами. Принцип, о котором шла речь, известен теперь как первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии; он означает, что для любой физической системы можно определить величину, называемую энергией и равную сумме различных членов, значение которой остается постоянным независимо от того, какие изменения происходят в системе. Таким образом, понятие энергии, возникшее в механике, было обобщено на все процессы — электрические, химические и даже на процессы в живых организмах. Как писал Гельмгольц, «Из таких же исследований всех других известных физических и химических процессов следует вывод, что природа как целое содержит определенный запас энергии который не может быть ни уменьшен, ни увеличен; и что поэтому количество энергии в природе вечно и неизменно, как и количество материи. Этот общий закон, сформулированный в такой форме, я назвал «Принципом Сохранения энергии». Далее он продолжает: «Мы не можем создать механическую энергию, но мы можем почерпнуть ее из общего хранилища природы... Ручей и ветер, которые движут наши мельницы, лес и угольный пласт, питающие наши паровые машины и согревающие наши жилища, являются носителями огромного запаса энергии, к которому мы обращаемся для своих нужд и который мы можем использовать, как мы думаем, подходящим образом. Владелец мельницы считает энергию падающего ручья, или живую энергию ветра своей собственностью. Эти частицы запаса природы являются тем, что обусловливает небольшие затраты владельца мельницы» [3]. Заключение Трактовка понятий «движение», «сила» и «энергия» в древнем мире продолжительное нерасчленненности. время носила характер синкретизма, слитности, Мыслители античности, как правило, оперировали понятием сила. Она трактовалась как склонность тела к определенным действиям. Так как любое тело наделено силой, то всегда предопределен характер его действия, поведения. Так, ученый-энциклопедист древности Аристотель (384 -322 до н. э.) считал, что само тело есть причина начала движения. Возрастание скорости движения тела, торможение и завершение его движения, — все это зависит от природы самого тела. Движение, противоположное природе тела это вынужденное, или насильственное движение, сообщаемое телу силой движения. Удаляясь от этой силы, тело замедляет свое движение и через некоторое время оно прекращается. Основное значение силы, по Аристотелю, включает в себя, во-первых, способность претерпевать нечто от воздействия другого, во-вторых, способность сопротивляться воздействию. Сила и способность неотделимы друг от друга. Способность изменяться есть сила. Способность сопротивляться тоже есть сила. Когда что-то разрушается, оно лишается конкретной силы. Сила не есть действие как таковое; она есть начало движения и изменения. Несмотря на начало изменения категориального аппарата науки к середине XIX в. понятия «сила» и «энергия» не различались. Закон сохранения энергии вначале формулировался как закон сохранения силы. Г.Гельмгольц, например, закон сохранения энергии, называл законом сохранения силы. Г.Кирхгоф в «Лекциях по теоретической физике» сделал попытку отказаться от понятия «сила», заменив его понятием движение. Механика, говорил он, не в состоянии дать точное определение понятия силы, поэтому «должна черпать определения понятий, с которыми она оперирует, из одного лишь движения». Находясь под влиянием своего соотечественника философа И. Канта, Гельмгольц стоял на позициях теории «о специфической энергии органов чувств». Создал «теорию иероглифов», согласно которой ощущения не являются субъективными образами, отражающими объективно существующую реальность в виде каких-то конкретных вещей, а есть не что иное, как знаки, которые не имеют ничего общего с обозначаемыми вещами. Г. Гельмгольц придавал большое значение опыту. Даже абстрактные области знаний он пытался постигнуть с помощью опыта. Он доказывай, что все основные положения геометрии можно постичь с помощью опыта. Опытным путем, утверждал он, можно выяснить и форму пространства. Исходя из кантианской позиции, Г. Гельмгольц утверждал априорность пространства как формы созерцания. Им подтверждалась теория Рихтера о вечности жизни. 1. Список литературы Аналитическая динамика систем Гельмгольца, Биркгофа, Намбу / А.С. Галлиулин и др. - М.: Редакция журнала "Успехи физических наук", 1997. - 336 c. 2. Годри, А. А. Годри. Философские аспекты палеонтологии. Г. Гельмгольц. Философское и научное исследование зрения / А. Годри, Г. Гельмгольц. - М.: Либроком, 2011. - 112 c. 3. Зернов, В. Гельмгольц / В. Зернов. - Москва: СПб. [и др.] : Питер, 1998. - 765 c. 4. Кыров, Владимир Геометрия Гельмгольца / Владимир Кыров. - М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. - 280 c. 5. Лебединский, А. В. Гельмгольц (1821-1894): моногр. / А.В. Лебединский, У.И. Франкфурт, А.М. Френк. - Москва: Гостехиздат, 2022. 318 c.
