BỨC XẠ CỦA VẬT ĐEN VÀ GIẢ THUYẾT LƯỢNG TỬ
Vật đen tuyệt đối là vật hấp thụ hoàn toàn bức xạ điện từ có tần số bất kỳ khi đi tới vật, và không một phần nào được phản xạ trở lại. Mô hình gần như lý tưởng của vật đen tuyệt đối là một khoang (hốc) kín không xuyên qua được với một lỗ rất nhỏ.
Khi hấp thụ năng lượng, vật đen tuyệt đối bị nóng lên và tự nó bắt đầu bức xạ. Chính ở đây đã xuất hiện một vấn đề lý luận cơ bản. Nhiệt động học cổ điển khẳng định và đã được chứng minh bằng thực nghiệm - rằng các đặc trưng phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối (sự phụ thuộc của cường độ bức xạ vào tần số của nó) được quyết định chỉ bởi nhiệt độ của vật và hoàn toàn không phụ thuộc vào chất liệu làm nên thành khoang. Song mọi ý đồ của các nhà vật lý nhằm tìm ra một công thức vạn năng cho các gọi là hàm phổ trong toàn dải tần số đều kết thúc thất bại (xem phần ''Các định luật bức xạ nhiệt''). Các tính toán dựa trên nguyên lý phân bố đều năng lượng cho các bậc tự do (xem phần ''Các nguyên lý của vật lý thống kê''), đều dẫn tới công thức Rayleigh - Jeans. Ở các tần số thấp, công thức này cho các kết quả chấp nhận được, còn ở các tần số cao lại làm xuất hiện theo Paul Ehrenfest, ''tai biến tử ngoại'': năng lượng bức xạ trở thành vô cùng. Nhà vật lý Đức Wilhelm Wien (1864 - l928) đã thử giải bài toán này bằng cách đi từ sự phân bố không đều của năng lượng theo tần số song công thức mà ông đưa ra chỉ đúng ở các tần số cao lại không đúng đối với các tần số thấp.
Cuối cùng, vào năm 1900 Max Planck đã biết cách nội suy cả hai công thức tìm được trước đây để thu được định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối đúng cho toàn bộ dải tần số. Để làm được việc đó, ông đã đưa ra giả thuyết không thể có theo quan điểm của vật lý cổ điển: bức xạ điện từ được phát xạ và hấp thụ chỉ bằng các lượng nhỏ - các lượng tử tỷ lệ với tần số bức xạ:
E = hv (1)
Ở đó E là năng lượng của lượng tử bức xạ, n là tần số bức xạ, h là hằng số Planck, được xác định bằng thực nghiệm mà giá trị của nó được chính xác hoá dần dần tùy mức hoàn thiện của các phép đo. Giá trị chính xác nhất cho tới cuối thế kỷ XX là:
h = 6,6260755.10-34J.s
MAX PLANCK
Rất may cho sự phát triển sau này của vật lý là Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 - 1947) đã không nghe theo những lời khuyên của giáo sư Philipp von Jolly, người đã một mực khuyên chàng sinh viên ham học này nghiên cứu vật lý lý thuyết. Trở thành nhà vật lý lý thuyết, Planck đã đi vào lịch sử khoa học như một người mở ra kỷ nguyên lượng tử mới, thay thế cho nền vật lý cổ điển, tiền lượng tử.
Max Planck được sinh ra ở thành phố Kiel của nước Đức trong gia đình giáo sư dạy môn quyền công dân ở trường Đại học tổng hợp Kiel. Lúc lên chín tuổi, gia đình Planck chuyển về Munich (Munchen), nơi cậu bé theo học tại trường trung học Maximilian với ý định trở thành nhà nghiên cứu ngôn ngữ hay một nhạc sĩ, (Planck là một người chơi đàn pianô tuyệt vời, mà trong nhiều năm sau này thường chơi song tấu với Albert Einstern trên cây đàn viôlông). Vật lý đã cuốn hút Planck như một lĩnh vực mà ở đó ông có thể làm một cái gì đấy rất độc đáo. Năm 1874 ông vào học Trường Đại học tổng hợp Munchen, ông học vật lý một năm ở Berlin với các thầy Gustav Kirchhoff và Hermann Helmholtz. Một năm sau khi tốt nghiệp Đại học Munchen, (năm 1878) Planck bảo vệ luận án tiến sĩ về nhóm các bài toán liên quan tới nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học và được giữ lại làm phó giáo sư tại trường Đại học tỉnh nhà. Năm 1888 ông chuyển đến Berlin và được phong làm giám đốc đầu tiên của Viện Vật lý lý thuyết mới thành lập, còn từ năm 1892 đến 1926 ông liên tục giữ chức giáo sư của trường Đại học tổng hợp Berlin và là người kế nhiệm Kirchhoff tại khoa do ông này phụ trách. Planck đã phản ánh kinh nghiệm khoa học và sư phạm phong phú nhất của mình trong bộ sách gồm 5 tập ''Nhập môn Vật lý lý thuyết'' (các năm 1916-1932), được dùng để dạy sinh viên không chỉ ở Đức mà còn ở cả các nước khác.
Năm 1930 Max Planck, khi ấy đã 72 tuổi, vẫn là người đứng đầu Viện Vật lý Kaiser (Hoàng đế Đức) Wilhelm. (Ở nước Đức cùng với các trường Đại học, từ năm 1911 còn có các Viện nghiên cứu khoa học Hoàng đế Wilhelm phi chính phủ được các nhà đại công nghiệp tài trợ. Các Viện nghiên cứu này được thành lập theo đề nghị của Hoàng đế Wilhelm II. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta đổi tên các Viện này thành Viện Max Planck).
Năm 1937 Planck xin từ nhiệm chức vụ chủ tịch Viện để phản đối việc sa thải những người Do Thái khỏi Viện. Năm 1945 Planck một lần nữa lại trở thành chủ tịch Viện Vật lý (ngày nay là Viện Max Planck) và giữ chức vụ này cho tới cuối đời.
Max Planck là hiện thân của những truyền thống tốt đẹp của trường phái khoa học Đức: tính cần cù, cẩn thận và chủ nghĩa bảo thủ. Sự quan tâm sâu sắc tới nhiệt động lực học đã đưa ông tới ý đồ giải quyết bằng các công cụ của ngành khoa học này một trong những bài toán gai góc nhất của nhiệt động lực học là ''tai biến tử ngoại'': bất chấp những nỗ lực kiên trì của các nhà lý thuyết như Wien, Rayleigh, Jeans, người ta vẫn không tìm được cách mô tả thống nhất toàn bộ phân bố năng lượng trong phổ bức xạ nhiệt của vật đen tuyệt đối. Planck đã công bố một số bài báo nhằm thiết lập các mối liên hệ giữa nhiệt động lực học và điện động lực học, tuy nhiên vấn đề vẫn chưa được giải quyết. Và trong khi rơi vào sự thất vọng, ông đã đưa ra một giả thuyết, trái ngược với vật lý cổ điển vốn cho rằng năng lượng có thể chia nhỏ đến vô cùng.Theo Planck, năng lượng được bức xạ và hấp thụ không phải bằng những phần nhỏ bao nhiêu tuỳ ý mà chỉ bằng các phần nhỏ hữu hạn (các lượng tử), tỷ lệ với tần số của bức xạ. Hệ số tỷ lệ, được ký hiệu là h và có tên là hằng số Planck.
Báo cáo của Planck đưa ra giả thuyết về các lượng tử tại phiên họp của Hội Vật lý Đức được xem là mốc lịch sử ra đời của vật lý lượng tử. Năm 1918 Planck nhận được giải thưởng Nobel nhờ giả thuyết về các lượng tử. Bản thân planck (cũng như phần lớn các nhà Vật lý thời bấy giờ) mới chỉ thấy trong giả thuyết của mình một thủ pháp toán học thuần tuý, không có nội dung vật lý thực tế, nhưng nó cho phép tìm được một câu trả lời đúng đắn. Người đầu tiên trong số những người ''tin tưởng vững chắc'' vào sự tồn tại của các lượng tử là Albert Einstein, người đã làm sống lại quan niệm về bản chất hạt của ánh sáng bằng cách giả thuyết rằng, năng lượng chẳng những được bức xạ và hấp thụ mà còn được lan truyền bằng các lượng tử. Lượng tử giả định (của Planck) giờ đây đã tìm được địa vị hiện thực ở hạt ánh sáng - photon, mà nhờ đó Einstein đã giải thích được các đặc điểm của hiệu ứng quang điện.
Sau khi đưa ra giả thuyết dị thường đầy táo bạo về lượng tử, trong nhiều năm sau, ông đứng ngoài cuộc ngắm nhìn với vẻ hoài nghi sự ra đời của cơ học lượng tử. Với ông, một người được đào tạo trong các truyền thống của vật lý cổ điển, thì môn vật lý lượng tử mới thật là xa lạ. Ông (cũng như cả Einstein) đã hy vọng rằng việc rời bỏ nền vật lý cũ chỉ là tạm thời và lý thuyết tương lai, lý thuyết cuối cùng sẽ cho phép giải đáp nhiều vấn đề vẫn chưa được giải quyết. Tuy nhiên Planck lại hào hứng chấp nhận lý thuyết tương đối hẹp của Einstein. Năm 1906 Planck đã đưa ra các phương tính động lực học tương đối tính, tìm được các biểu thức cho năng lượng và xung lượng của eletron. Thuật ngữ ''lý thuyết tương đối'' cũng do ông đưa ra. Năm 1907 nhà bác học này đã thành công trong việc phát triển nhiệt động lực học tương đối tính.
Cuộc sống riêng tư của Planck cũng có nhiều sự kiện đau buồn: bà vợ đầu tiên qua đời, con trai cả hy sinh ngoài chiến trường trong cuộc chiến tranh thế giới thứ nhất, hai người con gái lần lượt chết, con trai út bị xử bắn vì tham gia vào cuộc mưu sát Hitler (năm 1944). Cho dù gặp nhiều điều bất hạnh, rồi sau đó bị ốm, Planck vẫn tiếp tục làm việc đầy quả cảm, nêu một tấm gương sáng về lòng tận tụy với khoa học.
Ở một trong số nhiều công trình của mình về triết học và lịch sử vật lý, Max Planck đã ngậm ngùi nhận xét: ''Chân lý khoa học mới mẻ thường được thừa nhận không phải vì các đối thủ của nó đã chịu xác nhận tính đúng đắn của nó và có được niềm tin mới, mà chỉ vì họ chết dần theo năm tháng, còn thế hệ mới thì lại chẳng nghi ngờ gì tính đúng đắn của nó''.
