第六章反浪漫主義與亥姆霍茲的電動力學研究 第一節亥姆霍茲走向電動力學研究的思想基礎
一般而言，亥姆霍茲的整個職業生涯可以粗略地分為兩個階段，即19世紀40—60年代和60—80年代兩個時期。在第一個階段，他主要以生理學家的身份而進行研究的，盡管也有一些物理學方麵的成就，如能量守恒原理和渦動理論；在第二個階段，他從身份上已經完成了從生理學家到物理學家的轉變，這也使他得以把大部分精力放在物理學的研究當中，其中最主要的當屬電動力學領域。然而，亥姆霍茲在其職業生涯的最後階段轉向非常富有挑戰性的電動力學理論工作與他在職業生涯的第一個階段的工作具有一定的曆史延續性。換言之，他的電動力學可以從其早期的工作中找到思想之源，其中重要的來源有三個，即能量守恒定律、電生理學和流體力學。
一、能量守恒定律
能量守恒定律的建立奠定了亥姆霍茲在科學發展史中的重要地位，而且這一理論成了指導他整個職業生涯的兩大理論之一，另一個是繆勒的神經特殊能學說。亥姆霍茲在能量守恒方麵的工作集中體現在《論力的守恒》這篇重要論文中。這篇論文曾在科學界引起了強烈的反應，原因在於，一方麵它第一次把自然界中的各種力用一種普遍的理論統一起來，並冠以數學形式，而這正是物理學自牛頓之後最為推崇的形式；另一方麵，它明確地提出了有機界和無機界是否可以作出統一解釋的問題，這也從根本上改變了長期以來活力論解釋占主導地位的局麵。而就其內容來看，亥姆霍茲在《守恒》的第五、六部分別以“電過程的力當量”和“磁和電磁的力當量”為標題進行了詳細的考察，這兩部分內容在分量上占全文近一半，足以看出作者對電和磁現象的興趣。而且在論述有關電和磁現象的時候，亥姆霍茲都是從電流元和磁元出發，從而得到兩種情況下的中心力，並進一步引入勢函數來表達動能和勢能的關係。此外，亥姆霍茲還在文中多次提到安培（Andre
Marie
Ampbre，1775-1836）、韋伯和諾伊曼等人的相關工作，而這些人都是當時研究電動力學的主要代表人物。盡管如此，亥姆霍茲在《守恒》中最主要想表達的內容還是這樣一種觀念，即所有的物理現象都能通過質點間的中心力而得到解釋，而這種力的大小隻取決於相互作用的質點之間的距離。尤其值得注意的是，在經過哲學分析和數學推理之後，亥姆霍茲得出一些結論：隻要物體之間是通過獨立於時間和速度的引力或斥力而彼此作用，它們的動能和勢能之和就必為常數；相反，如果物體間的作用力與時間和速度有關，或沿著不同於它們之間連線的方向而作用，比如轉動力，那麼能量要麼有損失要麼無窮大。由這兩點可以看出，根據亥姆霍茲的觀點，能量守恒的基礎是與距離成單值函數的中心力，而在其它類型的力作用下的係統的能量是不守恒的。不過，這種獨斷的結論很快受到克勞修斯和韋伯等人的批評，這對於亥姆霍茲於1870年代采用一種新的方法而不是繼續執著於牛頓中心力理論，以便重新研究電磁現象從而建立他的電動力學理論有很大影響。
二、電生理學研究
《守恒》發表之後，亥姆霍茲提前結束了他要在部隊服役八年的要求，從而正式開始了他的學術生涯，不過他最初的工作是從生理學中開始的。從19世紀40年代中期到60年代中期，除了生理光學和生理聲學的研究外，亥姆霍茲在電生理學領域的研究也占據非常重要的地位，尤其是他在1850年測定了神經衝動之傳播速度的工作對實驗心理學的貢獻很大。同時，電生理學領域的研究也使他最早熟悉和使用了當時很多基本的電動力學現象和定律，其中包括歐姆的電阻定律、法拉第的電磁感應實驗和基爾霍夫的導體中的電流分布理論等。另外，他還在這一過程中學習和掌握了一些基本的實驗測量手段和方法，如惠斯通電橋和各種檢流計等，而這些電學理論和儀器在他的電生理學研究中是至關重要的。亥姆霍茲在電生理學中最為著名的一項研究是對神經衝動傳播速度的測量。因為根據以往理論，神經衝動的傳播是瞬時發生的，不需要時間，換言之，神經衝動的傳播速度無限大。為了檢驗這種觀點是否正確，亥姆霍茲做了一個給人留下深刻印象的實驗，他成功地利用衝擊式電流計測量了一種在被稱為次級回路中得到的非常短暫的時間。為了對這種傳播速度進行分析和實驗，他把電作為一種刺激青蛙神經作用和肌肉收縮的一種方式。這樣，次級回路中的電流在接通時產生神經衝動，而在斷開時產生肌肉收縮因而就表示神經衝動已經達到肌肉。所以，測量次級回路中電流的衝擊電流計的最大偏轉值實際上就是電荷流過的時間總和，知道了神經的長度和傳播所需要的時間之後，亥姆霍茲就能計算出神經衝動的傳播速度。然而，實驗結果令人吃驚：神經衝動的傳播速度非常慢，大約為聲音傳播速度的十分之一。顯然這一結論無疑說明神經衝動的傳播需要一定的時間，而不像此前大多數生理學家認為這種傳播是即時的說法。神經衝動速度的測量受到很多生理學家的責難，但亥姆霍茲堅信他的實驗結果的可靠性並且後來經過多次的實驗對這一結果進行修正。神經衝動傳播速度的實驗研究使他有了這樣一個普遍的認識：物理係統中的一些擾動的傳播需要時間。而這也許是他一直拒絕超距作用的原因之一。當然，雷蒙德在電生理學方麵的研究對他有一定的啟發，尤其是對動物電的傳播機製的假設，而且他們都意識到了一種建立在物理學和化學基礎上的新生理學的力量，而這在某種程度上直接挑戰了德國浪漫主義時期活力論的生理學研究方法。