182｜亥姆霍兹：物理学和医学如何相互影响？

亥姆霍兹在进行生理学研究的过程中，提出了能量守恒定律。

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从穆勒的学生到物理学家

上周我们讲到了穆勒的学生雷蒙，他在自己的著作里试图告诉人们，穆勒的时代已经结束。

今天我们来介绍穆勒的另一个学生亥姆霍兹（Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz ，1821-1883），亥姆霍兹的态度跟雷蒙很不同，他认为穆勒的影响将永远存在下去。

这么一个拥护穆勒的人，按理来说应该会很好地继承穆勒的医学传统。但你会发现，今天我们更多地把亥姆霍兹当作一个物理学家来看待。你在中学物理课上，大概率还背过他提出的能量守恒定律。

那是不是亥姆霍兹在医学领域就毫无成就呢？当然不是，他是十九世纪医学科学化的奠基人，做出了很多医学成就，只是这些成就被物理学的光芒掩盖了。我们今天就来了解一下亥姆霍兹的医学贡献，补齐你对他的认知。

早期求学与实验发现

先来看亥姆霍兹的早期经历，他是怎么成为穆勒的学生的呢？

亥姆霍兹出生在一个知识分子家庭，但家境并不是特别富裕。所以为了支付大学费用，他申请了普鲁士政府的军事医学奖学金。有了这笔奖学金，他就可以在医学院免费学习。

因为医学院跟柏林大学有紧密合作，亥姆霍兹因此成了穆勒的学生。

他对穆勒十分尊敬，听课的时候不但详细地记笔记，还会把穆勒画的草图也都画在自己的笔记上。虽然只跟随穆勒学习了短短几年时间，但是亥姆霍兹却深受穆勒影响。

比如，亥姆霍兹在学术领域做出的第一个贡献，就得益于穆勒的指导。1841年8月，亥姆霍兹因为生病住了5个星期院。而住院期间的医疗和食宿全部免费，所以亥姆霍兹省下了一笔钱。

他用这笔钱买了一台当时比较先进的显微镜，然后用这台显微镜观察了神经细胞。亥姆霍兹的这些观察和发现，提升了当时学术界对神经细胞结构的认识，也为40年后才发展起来的神经元理论提供了证据。

在晚年回忆这件事时，亥姆霍兹特别强调，自己是在穆勒教授的指导下才有了这项发现。

亥姆霍兹早期的学术贡献还有一个是关于发酵的。他的师兄施旺当时在研究发酵现象，并认为发酵过程需要微生物的参与，但同时期著名的化学家李比希却认为，发酵是一种无机化学过程。

面对这样的争论，亥姆霍兹自己设计了实验，他严格控制了实验条件并确认施旺的发现是正确的，发酵确实需要微生物的参与。

凭借上面这些发现，亥姆霍兹已经在科学界获得了属于自己的地位，但这对他来说仅仅是个开始。真正奠定亥姆霍兹在医学史上地位的，是他对“生命力”这个概念的挑战，这进一步推动医学从哲学思辨转向了实验科学。

用能量守恒挑战生命力观念

当时学界主流的观点认为，生命活动依赖特殊的“生命力”，是用物理学这类自然科学解释不了的。

理论的对错咱们不做详细讨论，但是我们要知道，过度抬高“生命力”这类抽象概念的作用，实际上是医学的一种倒退。

所以当时一些年轻的科学家坚决反对用“生命力”这个概念来解释生理现象，并提倡用实验的方法来研究科学。这些科学家中就有我们刚讲过的电生理学奠基人雷蒙，以及今天的主人公亥姆霍兹。

那亥姆霍兹是怎样完成对“生命力”这个传统观念的挑战的呢？这就要提到我们熟悉的能量守恒定律了。亥姆霍兹通过实验证明，生命系统遵循的是能量守恒定律，而不是抽象的“生命力”。

这些实验过程是这样的：他先用青蛙进行了一系列实验，证实肌肉的收缩伴随着化学变化，比如糖原会分解为乳酸；之后他还通过实验，证明了运动可以增加肌肉的温度，这种温度变化也是肌肉里的化学变化导致的。

你会发现，这些实验已经涉及到了能量的概念，热量就是一种典型的能量嘛。

所以为了进行实验，亥姆霍兹设计、制造出了测量生物热量的仪器。在制造这些仪器的过程中，亥姆霍兹提出了能量守恒定律，也就是当能量改变形式时不会发生能量的损失，也不会产生新的能量。

亥姆霍兹提出这个理论最初是为了解释生理现象，比如他认为，女性在怀孕时并不会产生新的能量，人在死亡时也同样如此。

不难看出，亥姆霍兹在某种程度上是把人体看成了机器。对于人体，他看到的是机械运动、化学反应以及温度的变化。原本充满神秘的人体，在他眼中可以用一切物理和化学定律来解释。

总之，能量守恒定律反驳了当时生命力驱动生命活动、无需能量转化的观点。这是在基础理论层面对传统观念进行了挑战。

测量神经传导速度

紧接着，亥姆霍兹在实验方法上也做了革新。他将物理学的测量方法引入到了生理学中，测量出了神经信号的传输速度。他具体是怎么做的呢？

我们首先要了解，在亥姆霍兹之前，学术界普遍认为神经信号的传递是在一瞬间发生的。但1849年，亥姆霍兹在研究青蛙的时候敏锐地发现了一个小细节，就是刺激青蛙神经的位置离肌肉越远，从刺激到肌肉收缩的时间就越长。

也就是说，从刺激神经到肌肉收缩，中间有一个时间间隔。亥姆霍兹意识到，如果能对这个时间间隔进行测量，就可以计算出信号在神经中传输的速度。

亥姆霍兹也确实做到了。他刺激青蛙坐骨神经的不同部位，并测量从刺激发生到肌肉收缩的时间差，最终计算出信号在神经中传输的速度是每秒24.6-38.4米。

这个实验看似简单，但把背景放到十九世纪，难度就变得非常高，可以说亥姆霍兹在研究技术上是做出了突破的。

更重要的是，这个实验证实，神经信号的传导同样可以用物理学的方法来理解和研究。我们熟知的心电图技术，就是以此为基础诞生的。

为实验心理学奠定基础

这项实验还启发了心理学的进步。在此之前，心理学无法进行定量研究。但是亥姆霍兹的实验证明，难以测量的心理活动同样可以用物理学来解释。

比如刚刚讲的这个实验证实了神经信号在传递过程中会发生延迟，这就解释了人类的感知和反应之间存在的时间差。这为之后的实验心理学进行量化研究奠定了基础。

总的来说，亥姆霍兹的这个实验证明了：神经活动等生理活动可以通过物理方法来量化，而不是依靠无法捉摸的“生命力”来判断。这是把医学研究方法也科学化了。

从生理光学到检眼镜

当然了，无论是理论成就还是研究成果，最终都要落实到医学临床上去，也就是能治病救人。亥姆霍兹在临床有没有贡献呢？当然有。他对感觉器官做了研究，并且发明出了今天都还在使用的医学仪器。

从1856年到1867年，亥姆霍兹出版了《生理光学手册》。这套书一共三本，在第二本里，他以托马斯·杨的理论为基础，阐述了眼睛感知三原色的原理。

我们之前在人物特辑里专门讲过托马斯·杨，说他是“最后一个无所不知的人”，如果你忘记了可以去复习一下。

说回亥姆霍兹，在他之前，很多科学理论认为颜色感知依赖某种“视觉生命力”，亥姆霍兹的研究相当于否定了“生命力”概念对主观感觉的主导作用。

在研究眼睛的基础上，亥姆霍兹发明了检眼镜。使用这种仪器，医生可以很方便地观察到患者眼底的病变情况。这对临床工作和诊断学来说非常重要。

在此之前，眼病的诊断主要靠患者的主观描述和对眼睛的外部观察，诊断的准确性很难得到保证。

但使用检眼镜之后，医生可以直接观察患者眼底的视网膜、视神经和血管，这是对眼科疾病进行准确诊断的基础。

检眼镜是继听诊器之后第二种可以对患者进行无创检查的重要内科仪器，直到今天依然在临床中被广泛使用。

比如糖尿病患者很容易发生眼底病变，需要对眼底血管的情况进行定期检查，检眼镜这种眼科设备对内分泌医生就相当重要。

再比如，包括脑肿瘤在内的很多疾病都有可能导致颅内压升高，而颅内压升高会引起神经乳头水肿。

这样的病变同样可以用检眼镜进行观察，因此这个发明对神经科医生同样十分重要。毋庸置疑，亥姆霍兹在医学临床上的贡献也是巨大的。

基础学科相互促进

说到这里，你对亥姆霍兹这个我们一般印象里的物理学家应该有了全新视角的认识。无论是他提出能量守恒定律，还是对光学进行研究，背后都有医学的影子。

可以说，没有医学基础，亥姆霍兹很难在物理学研究上有如此大的成就，而他在物理学、化学上的成果又反过来促进了医学的发展。

这再次印证了我们之前反复说的一句话——各个基础学科之间是相互影响而非彼此独立的。

总结

亥姆霍兹是约翰内斯·穆勒的学生，他用物理和化学的科学规律来解释人体的生理学现象。在这个过程中，他提出了能量守恒定律，测量出了神经信号的传输速度，发明了医学临床的检查仪器检眼镜。

他的研究证明，医生需要理解生命系统的物理和化学机制，这对推动医学科学化做出了巨大贡献。

思考题

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好啦，今天的内容就到这里，明天见！