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他的第一个历史性的研究成果是测量了神经脉冲在神经纤维上的传递速度。他的老师穆勒跟同时代的大部分生理学家一样采纳了伽伐尼的神经脉冲电本质说，认为神经系统有点像一卷连续的电线，电流以极高的速度在里面流动——根据一种猜测是几近光速。可是，亥姆霍兹的朋友杜布瓦·雷蒙德早已从化学上分析过神经纤维，并提出，这些脉冲不一定全是电流，而是电化学形式，若如此，其速度则相对较慢。
亥姆霍兹在他于哥尼格斯堡大学的实验室里着手测量青蛙运动神经的脉冲速度。因为在当时瞬时计还不太容易弄到——当时第一台瞬时计尚在开发过程中——他只好搞些发明创造，把一台检电计绑在青蛙腿上（运动神经搭在上面），这样，一根在旋转鼓上画直线的指针会显示电流通到神经上半端时到青蛙腿踢蹬一下之间的时间。了解了刺激与足肌之间的距离之后，亥姆霍兹就能够计算神经脉冲的速度；实验证明，这个速度相当慢，约为每秒90英尺。
他还测量了人类受试者神经脉冲的速度。他请志愿者在感到他从脚趾或者大腿上施放的一阵轻微电流时，立即举手示意。这些实验得出的数字从每秒165－330英尺不等，可是，亥姆霍兹认为这些数字没有从青蛙腿上得出的数字准确可靠。有关人体测试的某些东西倾向于有很大的可变性。
一开始，他发表于1850年的结果并不为人广泛接受，它们太难于相信了。生理学家们仍然相信，在神经系统里面流动的，要么是非物质的活力，要么是电流，而亥姆霍兹的数据却支持不同的理论，也就是说，神经脉冲由复杂的粒子运动构成。另外，他的发现与常识也相悖。我们好像感觉到手指或者脚趾一碰就有感觉的，我们只要想移动手指或脚趾，它们立即就动了起来。
可是，他的证据是无法反驳的，最初抵抗一阵子后，他的理论最终还是赢得了广泛的认同。如果他没有做别的任何事情，光是这一点就可以使他成为心理学史上永垂不朽的人，因为这个发现所铺平的道路，如艾德温·波林所言：“是实验心理学今后所有的工作都必须走的，如精神活动及反应时间的测时法……它使灵魂回到了时间里，它把无法说清的东西测量出来了，实际上捕捉住自然科学的劳作中最基本的意识代理人。”
话分两头，我们在此稍作迂回，超前看看18年后，在亥姆霍兹所研究的旁系里一个重要的研究：测量较高级思维过程速度的第一次尝试。
一位荷兰眼科医生名叫弗兰西斯科斯·孔奈尼亚斯·东德斯（1818－1889）受到亥姆霍兹研究的启发。他没有任何心理学背景，可是，他想，因为神经脉冲需要时间传递，较高级的精神活动也许也需要时间。他提出假设，刺激与有意识的反应之间发生的延迟，一部分是因为神经传递，另一部分也是因为思维过程所占的时间。
东德斯于1868年设计并进行了一次想象的实验，以检测他的假想，并测量工作中的精神活动。这让受试者对一句无意义的话作出反应，如ki，以越快越好的速度重复它。在旋转鼓上记录轨迹的指针会把反应放大成两个ki之间的震动，两个微动之间的距离会成为时间延迟的度量。
在最简单的情形下，受试者知道将会听到什么样的声音，也知道如何作出正确的回答。刺激与反应之间的延迟因此就是简单的反应时间。可是，如果受试者需要进行某种思考活动会怎样呢？如果实验者说出了好几个词中的任何一个，如ki，ko，ku，而受试者得尽快地模仿这些声音会怎样？如果这比简单反应花的时间长一些，东德斯想，这个差别就应该是两种精神活动的时间：区别（在听到的声音中）和选择（选择正确的反应）。
东德斯还想到了把这两种精神活动扯开并获取各自尺寸的一个办法。如果他告诉受试者说，他们可能听到ki，ko或者ku，可要模仿的却只是ki，而对其它的几个声音保持沉默。因为不需要重复ko或者ku，他们可能就得区分这些声音，而不选择反应。从区别加了选择的时间里减去区别的时间，东德斯就应该得到选择时间。
结果令人吃惊。平均而言，区别比简单反应时间多39毫秒，而区别加上选择时间比光是反应的时间多出75毫秒。因此，选择明显要花去36毫秒。
东德斯乐观地创造了一系列更为复杂的过程，他相信，每种精神活动所花的时间会增加其它活动已经花费的时间，而且，每种活动时间都可以通过减法测量出来。可是，结果却不太如愿。时间的差别证明不可靠，只有少数时间是可以增加的。后来的心理学家将会极大地改善东德斯的方法。
然而，他毫无疑问地显示出，涉及认知活动的反应所花费的时间的一部分是由这个活动占去的。更为重要的是，他把所花费的时间当作一种调查看不见的心理活动的方法，按照最近对他的工作所做的一项评估的说法，“随着把东德斯的发现当作一种明显地测量较高级的精神活动的方法，一个新的时代就已经开始了”。
我们再回到1852年的亥姆霍兹。确定了神经脉冲的传递速度，并发明了眼底镜之后，他开始对彩色视觉产生了兴趣。自从牛顿1672年发现太阳的白光是所有可视色彩光的混合后，生理学家和心理学家们都试着想看看眼睛和思维是如何感知色彩的。最让人困惑的是，当所有色彩的光混合在一起时，我们会看见白色，然而，当两种互补色，比如红色的某种色调与蓝绿色的光混合在一起时也是白色，同样，我们看见纯桔红光的时候会看见桔红，可是，当红色和黄色光混合在一起时也会变成桔红色。
作为物理学家，亥姆霍兹知道，三种特别的色彩——红色、蓝紫和绿色的某些特别色调——当按合适的比例混合在一起时，可以重新产生其它的任何色彩，这些都是原色（所谓颜料的原色，即是红、蓝和黄，更准确地说应该是洋红、蓝绿和黄色。色素吸收光线，也反射光线，把这些原色混合在一起的结果因此就与混合光线的结果不一样）。他推想，这意味着人类视力可能检测这三种色彩，并提出假想说，视网膜一定有三种不同的接受细胞，每种细胞都配有一种对某种原色很敏感的化学物质。他依靠穆勒特别神经能量的理论推想，从每个接受器伸向大脑的神经不仅传递视觉信息，而且还传递特别色彩信息。
一位英国科学家托马斯·扬曾于1802年想到过类似的理论，但他没有实验证据，因此被一般人所忽略了。可是，亥姆霍兹却收集了大量证据，包括，当不同色彩的光线混合在一起时我们所体会到的色彩，我们盯着某种强烈的色彩看一阵子后，我们看到的互补色的残余以及存在于一些人畜中的色盲现象和某种大脑损伤对色彩视觉产生的影响等等。他很慷慨地承认说扬的发现在先，而他对色彩视觉的说法自此以后就被称作扬－亥姆霍兹理论（或者叫三色理论）。
三色理论是一项了不起的成就，它是一种可检测的、有关意识如何感知色彩的机械论解释。根据一个个的连接，从外部世界到大脑的接受区，亥姆霍兹筑起了一根因果现象之链，替代了哲学家和生理学家们的一些猜测和幻想。它的形式虽然更为复杂，但至今仍然是色彩视觉理论当中最具有支配地位的理论，并且打翻了每种接受器中的神经携带着不同种类的能量的观点。
至于由德谟克利特、贝克莱、休谟及其他人就感知而提出来的一个深刻而令人困惑的问题——我们看见的东西是否就是外部世界真正的样子——亥姆霍兹比穆勒却更具机械论倾向，他认为这个问题没有意义或者价值而不予考虑：
在我看来，除了实际的真理之外，谈论我们的思想是不是有别种可能的正确性是不可能产生任何意义的。我们对事物的想法除了是一些符号，一些自然的事物信号之外不可能是别的任何东西，我们学会如何使用这些符号，以便于调整自己的运动，改善自己的行为。知道如何正确地阅读这些符号以后，我们就可以借助这些帮助而调节自己的行动，这样就可以带来所需要的结果，也就是，这样一来，所预期的新的感知就会来临……因此，询问朱红（硫化汞）如我们所看到的样子，是不是真正的红，或者只是我们的感官错觉，这是没有任何意义的。红的感觉就是正常的眼对自朱红上反射出来的光的正常反应……说从朱红上反射出来的光波具有某种长度却是不同的一个说法，如果不考虑到人类眼睛的特别本质，这个说法也是完全正确的。
这样一来，这位机械主义的生理学家就变成了心理学中的哲学家，而且很值得人们这么去看他。
亥姆霍兹的彩色视觉研究，只是他在许多年里对视觉感知全面探索的一个部分。他的研究成果，即《生理光学手册）（1856－1867），厚达50万字，除了他自己进行的研究之外，还包括前人在这方面进行的所有研究成果。在好几代人当中，这本著作一直是对人眼光学和神经性质研究的权威著作。他还就听力写过一部类似的著作，只是没有这一本厚而已。
在《生理光学手册》中，亥姆霍兹主要处理了视觉的物理学和生理学，还有就生理学过程进行的敏锐观察，思维是借助这些生理学过程解释来自视觉神经的信息的。他在感觉（任何颜色的光对视网膜的刺激，和因之而来的视觉神经脉冲）和感知（意识根据接收到的脉冲形成的有意义的解释）之间做了非常有价值的区分，而以前的心理学家们一直搞不懂这个问题。在其它感觉系统的输入中，他也做了同样的区分。
这种区分对亥姆霍兹的认识论至关重要。他同意康德的观点，认为感觉是由意识来解释并赋予意义的，可是，他不同意康德认为意识无生就具有能提供这些意义的“范畴”和“直觉”的观点。反过来，他说，意识学会了通过试误法来解释感觉——就是学习对一个视感觉来说，哪些反应会产生一个预期的结果，而哪些不产生预期的结果。
空间感就是一个切合的例子。康德说，意识天生就能直觉到空间关系；亥姆霍兹却说，我们是通过无意识的参考来认知空间的。在孩童时期，我们一点点地得知，如大小、方向和色彩的强度等的视觉线索与物体的远近，或者在我们的这面或者那面，上面或者下面有关系；通过经验，我们慢慢对空间关系形成了正确的判断。（每个观察过3个月的婴儿试着抓一个物体的父母都很清楚这个过程。）
英国实证主义联想主义者们曾说过很相似的话，可是，他们缺乏实际的证据来证明自己的观点，而作为彻底的实验科学家的亥姆霍兹却通过研究发现来支持自己的观点。
他突然想到，如果他可以颠倒到达受试者大脑的空间感－而且如果他的理论是正确的——则受试者应该能够适应这种倒错的视觉，并学会正确地解释它。这样，他就做了一副带棱镜的眼镜，使物体出现在实际位置的右边。当戴着这样的眼镜的受试者试图碰触面前的物体时，他们就会错过去——他们把手伸向明显的，而不是实际的位置。
接下来，他让这些受试者戴着眼镜继续抓物体，然后碰触物体；他们开始得有意识地向从眼镜里面看到的物体的左边伸手，可是，几分钟后，他们很快就毫不犹豫地按照物体实际的位置去抓物体了。他们已经经历了感知适应，他们的意识已经重新解释了从视觉神经传递过来的信息，而且能够根据现实的相对关系看见物体了。
最后，当他们摘下眼镜再抓物体时，他们又错过了物体，这次是抓到实际物体的左边去了。他们正常的空间方向感需要一段时间复原。
亥姆霍兹不同意康德有关天生能力，即能解释因果关系的能力的观点。对于其余部分，他坚持说，几乎所有的知识和思想都是意识对感觉经验解释的结果，而这些解释，特别是与空间感有关的感知，在很大程度上都是无意识参考的结果。
这个观点受到当时心理学家们的激烈反对，因为他们认为，意识天生就能解释其感知。他们用天生论观点解释的一个关键的功能，就是来自眼睛的两个图象合并起来形成了一单个三维图象。有些人说，视网膜上的每个点都接受同样多的信息，正如另一个视网膜上相应的点一样，而且，两根视觉神经因此就把图象合并起来形成了一个图象。一位反对亥姆霍兹观点的人说，每个视网膜都有天生的“符号”，可以区别高度、左右方向，以及深度，因而使神经系统可以在到达大脑前将图象合并起来。
亥姆霍兹驳斥了这种看法。他写道，先天论是“一种非必然的推�