M
ax Planck sinh năm 1858 tại Kiel, nước Đức. Ông từng học tại Đại học Berlin và Đại học Munich. Năm 21 tuổi, ông nhận bằng Tiến sĩ vật lý của trường Đại học Munich. Sau đó, ông ở lại dạy học tại trường này và trường Đại học Kiel một thời gian. Năm 1889, Planck trở thành giáo sư vật lý của trường Đại học Berlin và làm việc đó cho tới khi về hưu.
Là một giáo sư vật lý, M. Planck dành nhiều thời gian nghiên cứu nhiệt động lực học - một ngành vật lý chuyên xử lí sự biến đổi của nhiệt sang các dạng năng lượng khác. Tháng 12 năm 1900, Max Planck đã làm chấn động giới khoa học với giả thuyết về năng lượng bức xạ (năng lượng sóng tia sáng) không thoát ra theo một dòng liên tục mà bao gồm những lượng nhỏ được gọi là các lượng tử. Giả thuyết của Planck đối lập với các thuyết ánh sáng và điện từ cổ điển, mở đầu cho thuyết lượng tử, cách mạng hoá ngành vật lý và mang lại cho chúng ta hiểu biết sâu hơn về bản chất của vật chất và bức xạ.
Planck cũng giống như một số nhà khoa học khác, ông quan tâm đến đề tài bức xạ vật thể đen, là tên gọi của bức xạ từ tính phát ra từ một vật thể hoàn toàn đen khi nó được đốt nóng. Các nhà vật lý học thực nghiệm đã tiến hành đo đạc tỉ mỉ bức xạ nhiệt phát ra từ những vật thể như vậy, thậm chí trước lúc Planck bắt tay vào nghiên cứu vấn đề này. Thành tựu đầu tiên của Planck là tìm ra công thức đại số khá phức tạp miêu tả chính xác bức xạ nhiệt của vật thể đen. Ngày nay, công thức này thường được sử dụng trong ngành vật lý lý thuyết, tóm lược một cách ngắn gọn những dữ liệu thực nghiệm. Nhưng có một vấn đề nảy sinh là những định luật vật lý được thừa nhận đều tiên đoán một công thức gần như khác hẳn. Planck đã suy nghĩ rất kỹ về vấn đề này và cuối cùng đi tới lý thuyết mới một cách triệt để: năng lượng bức xạ chỉ được giải thoát trong phép nhân chính xác của một đơn vị cơ bản mà Planck gọi là lượng tử. Theo thuyết của Planck, từ tính của một lượng tử ánh sáng phụ thuộc vào tần số ánh sáng (nghĩa là vào màu sắc của nó) và cũng tỉ lệ với một khối lượng vật lý mà ông viết tắt là h, hiện nay được gọi là hằng số Planck (E = hv). Giả thuyết của ông gần như trái ngược với những khái niệm vật lý thịnh hành thời đó; tuy nhiên bằng cách sử dụng nó, ông có thể tìm ra sự biến thiên chính xác về mặt lý thuyết của công thức đúng đối với bức xạ nhiệt của vật thể đen.
Giả thuyết của Planck mang tính cách mạng tới mức nó chắc chắn bị loại bỏ như một thuyết lập dị nếu như Planck không nổi tiếng là một nhà vật lý học bảo thủ và cứng đầu. Mặc dầu giả thuyết này nghe có vẻ rất lạ lùng, nhưng trường hợp này nó đã dẫn đến một công thức đúng.
Đầu tiên, nhiều nhà vật lý học (bao gồm cả bản thân Planck) coi giả thuyết của ông không gì khác hơn là một tưởng tượng toán học thuận tiện. Nhưng thực tế, chỉ vài năm sau, những khái niệm về thuyết lượng tử có thể áp dụng đối với nhiều hiện tượng vật lý ngoài bức xạ nhiệt vật thể đen. Einstein sử dụng thuyết này vào năm 1905 để trình bày hiệu ứng quang học điện tử, và Niels Bohr (nhà vật lý người Đan Mạch, người tìm ra cấu trúc nguyên tử) sử dụng nó vào năm 1913 trong thuyết cấu trúc nguyên tử của mình. Vào năm 1918, khi Planck được trao giải Nobel, rõ ràng giả thuyết của ông về cơ bản là đúng, và thuyết này đóng vai trò quan trọng trong ngành lý thuyết vật lý.
Quá trình phát triển của thuyết lượng tử có thể là tiến bộ khoa học quan trọng nhất của thế kỷ XX, quan trọng hơn cả thuyết tương đối của Einstein. Hằng số Planck (h), đóng vai trò thiết yếu trong lý thuyết vật lý, và giờ đây đã được công nhận như một trong hai hay ba hằng số vật lý cơ bản nhất.
Hằng số này xuất hiện trong thuyết cấu trúc nguyên tử, trong thuyết phóng xạ, và trong nhiều công thức khoa học khác.
Planck được coi như cha đẻ của thuyết lượng tử mặc dù ông đóng một vai trò không lớn trong quá trình phát triển về sau của thuyết này, nhưng bước đột phá ban đầu mà ông mang lại rất quan trọng. Nó giải phóng đầu óc con người khỏi những quan niệm sai lầm trước đây, đưa các nhà khoa học phát triển xa hơn và là cơ sở giúp những người kế nhiệm ông xây dựng thành một thuyết hoàn hảo như chúng ta có ngày hôm nay.
Trong sự phát triển của vật lý học có những khám phá vượt ra khỏi lĩnh vực khoa học và trở thành nhân tố quyết định cho định mệnh của nhân loại. Không phải chỉ vì đó là sự khám phá những hiện tượng tự nhiên hay những lực mới để ứng dụng vào kỹ thuật làm tăng lên sức mạnh của con người đối với thiên nhiên, đem lại sự phồn vinh cho nhân loại, mà còn vì tính chất cách mạng bao trùm về ý tưởng trong cách diễn giải thế giới tự nhiên, tính chất triết học chứa đựng trong đó liên quan đến thế giới quan của con người.
Thế giới quan của Planck đã hình thành trong không khí tư duy bảo thủ đó, mà sau này ông đã phải chiến đấu với một nỗ lực lớn lao để vượt qua chính mình và xét lại những “tín điều” đã có. Những kinh nghiệm đau đớn đã dạy ông rằng không phải tòa nhà khoa học lẫn tòa nhà nhà nước hiện hữu được phép xem như bất khả xâm phạm.
Trong thế kỷ XX, thuyết lượng tử của Max Planck là một thí dụ cho một cuộc cách mạng của tư duy vật lý như thế. Ngày 9 tháng 10 năm 1900, Max Planck khám phá “định luật phát xạ nhiệt”, cắt nghĩa được hiện tượng phát xạ của “vật thể đen” mà thế giới đang nhức đầu vì không cắt nghĩa được nó bằng tính toán dựa trên những lý thuyết hiện hành mà họ cho rằng bất di bất dịch.
Ông khám phá ra sự hấp thu hay phát xạ năng lượng của một vật thể đen (kim loại được đun nóng lên đến một nhiệt độ nào đó) không diễn ra liên tục như người ta nghĩ, mà chỉ diễn ra ở dạng các gói rời rạc và các “chùm” năng lượng này được gọi là lượng tử. Giống như bia, không phải được phân phối bằng một cái vòi chảy liên tục mà là dưới dạng các lon bia, chai bia hay thùng bia, kích cỡ khác nhau, nghĩa là dạng “các gói rời rạc”. Nếu E là năng lượng được trao đổi đó, thì Planck đưa ra công thức E = hv bất tử đi vào lịch sử, trong đó h là hằng số, sau này được gọi là hằng số Planck, và v là tần số của ánh sáng.
Ngày 14/11/1900, Planck trình bày kết quả của ông tại buổi họp của Hội Vật lý Berlin, dưới cái tên “Định luật phân bố nhiệt trong quang phổ chuẩn” , đánh dấu ngày khai sinh thuyết lượng tử.
Lúc đầu, Planck không biết rằng công thức ε =h.v là một định luật “tuyệt đối” mà trong vô thức Planck đã ngưỡng mộ và tìm kiếm, là chiếc chìa khóa để bước vào thế giới vi mô. Ông chưa hiểu hết tầm quan trọng và cũng không tin công thức này là một cuộc cách mạng vĩ đại, là một thời kỳ mới trong nhận thức thiên nhiên
Bản thân Planck chỉ tin rằng đó là cái “mẹo toán” nhất thời. Ông viết: “Nói tóm tắt, tôi có thể gọi việc làm của tôi là một hành động của sự tuyệt vọng. Bởi vì từ bản chất, tôi là người hiền hòa và có khuynh hướng lánh xa các hành động mạo hiểm đáng nghi ngờ…”. Những năm tiếp theo, vẫn không có mấy ai để ý đến. Người ta xem ý tưởng lượng tử như một giả thuyết phụ trợ để hoạt động, để giải quyết được bài toán trong lĩnh vực bức xạ, còn không có ý nghĩa gì mới đối với khoa học, và người ta chờ đợi nó nhanh chóng sẽ được thay thế bằng một cái gì từ nền vật lý cổ điển.
Lịch sử thành công của khái niệm lượng tử của Planck lắm gian nan. Công việc này được giao cho không ai khác hơn là Einstein. Năm 1905, Einstein đã chứng minh rằng quan niệm lượng tử rời rạc của Planck là có cơ sở rộng lớn và sâu sắc trong thiên nhiên, không phải chỉ là cái “mẹo toán học”. Nhưng Planck cũng không tin. Einstein phải chiến đấu một mình 20 năm liền để thay đổi sự bảo thủ này trong giới khoa học bấy giờ, để thuyết phục rằng quan niệm lượng tử là có thật trong thiên nhiên cấp vĩ mô.
Năm 1926 khi một loạt các nhà khoa học trẻ như Heisenberg, Born, Jordan, Pauli, xây dựng cơ học lượng tử với những ứng dụng cực kỳ chính xác trong khoa học, lúc đó người ta mới chấm dứt mọi hoài nghi. Trước đó, năm 1913, Bohr đã đưa ra mô hình nguyên tử dựa trên quan niệm “các bước nhảy rời rạc” của Planck. Khoảng năm 1927 có thể nói quan niệm lượng tử của Planck với sự hỗ trợ đắc lực của Einstein đã được khẳng định.
Vật lý lượng tử từ đó phát triển như vũ bão với biết bao ứng dụng làm thay đổi hẳn bộ mặt thế giới trong công nghệ và đời sống.