การศึกษาการแผ่รังสีของวัตถุดำ

ในปี พ.ศ. 2437 พลังค์เริ่มให้ความสนใจปัญหาการแผ่รังสีของวัตถุดำ โดยในตอนแรก กุสตาฟ คีร์คฮอฟฟ์ ได้ตั้งคำถามว่า"ความเข้มของการแผ่รังสีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดยวัตถุดำ ขึ้นอยู่กับความถี่ของการแผ่รังสีกับอุณหภูมิของวัตถุอย่างไร?"พลังค์ได้ศึกษากฎของเรย์เล-จีน (ซึ่งอธิบายได้ดีที่ความถี่ต่ำ ๆ) และกฎของเวียน (ซึ่งอธิบายได้ดีที่ความถี่สูง ๆ) จากนั้น เขาจึงนำข้อดีของกฎทั้งสองมาสรุปเป็นกฎการแผ่รังสีของวัตถุดำของพลังค์ (Planck black-body radiation law) โดยใช้แนวคิดว่า พลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต้องถูกปลดปล่อยในรูปของอนุภาคเล็ก ๆ เรียกว่า ควอนตา (มาจากภาษาละตินแปลว่า "เท่าไร?") มิได้ถูกปลดปล่อยเป็น"ก้อน"พลังงานใหญ่ ๆ เลย (สังเกตได้จากการเผาลวดโลหะ จะพบว่าโลหะนั้นเปล่งแสงไม่เท่ากัน และการที่เป็นเช่นนี้เองทำให้มีพลังงานไม่เท่ากันด้วย) และมีพลังงานอยู่ค่าหนึ่ง ขึ้นอยู่กับความถี่ของการแผ่รังสี และหาได้จากสมการอันเลื่องชื่อ E (พลังงาน) = h (ค่าคงตัวของพลังค์) × ν (ความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ต่อมาพลังค์ได้เสนอกฎของเขาในที่ประชุมสมาคมฟิสิกส์เยอรมัน เมื่อวันที่ 19 ตุลาคม พ.ศ. 2443 และในปีถัดมางานของเขาก็ถูกตีพิมพ์ จากผลงานนี้เองทำให้พลังค์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ นอกเหนือจากนี้ งานของเขาเป็นพื้นฐานของแบบจำลองอะตอมของนีลส์ บอร์ เมื่อปี พ.ศ. 2448 และการอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เมื่อปี พ.ศ. 2456 แม้ว่าพลังค์จะเคยปรารภเกี่ยวกับการแบ่งส่วนพลังงานออกเป็นควอนตาว่า

แต่ต่อมา สิ่งที่เขา "สมมุติ" ได้กลายเป็นจุดกำเนิดของฟิสิกส์ควอนตัม ที่มีแนวคิดแผกไปจากฟิสิกส์ดั้งเดิม [1]

การถกเถียงเรื่องทฤษฎีควอนตัม

ช่วงท้ายทศวรรษที่ 1920 โวล์ฟกัง เพาลี นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย แวร์เนอร์ ไฮเซนแบร์ก นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน และนีลส์ บอร์ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก ได้ร่วมกันเสนอแนวคิดเกี่ยวกับการแปลความหมายของกลศาสตร์ควอนตัม แต่ถูกมักซ์ พลังค์ คัดค้าน เช่นเดียวกับเออร์วิน ชเรอดิงเงอร์ แม้แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ก็ยังค้านแนวคิดในเบื้องต้น พลังค์ได้กล่าววิจารณ์ไว้ว่า กลศาสตร์เมทริกซ์ของไฮเซนเบิร์ก "น่าเกลียดมาก" และกล่าวว่าสมการของชเรอดิงเงอร์ "พอรับได้" พลังค์ยังหวังอีกด้วยว่า กลศาสตร์คลื่นจะช่วยอธิบายทฤษฎีควอนตัมให้กระจ่างกว่านี้ แต่ด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน จึงตัดความกังวลข้อนี้ของเขาออกไปได้ ครั้งหนึ่งพลังค์เคยกล่าวว่า [2]

ไอน์สไตน์กับทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ในปี พ.ศ. 2448 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ กล่าวถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษในนิตยสาร Annalen der Physik โดยที่ไอน์สไตน์ได้ให้ข้อสมมติฐานว่าแสงมีส่วนย่อย ๆ เรียกว่า ควอนตา (โฟตอน) โดยยึดหลักจากการค้นพบปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกของฟิลลิป เลนาร์ด ซึ่งพลังค์ก็ไม่ยอมรับในตอนแรก เพราะเขาไม่ต้องการทิ้งทฤษฎีพลศาสตร์ไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ไป เขากล่าวอีกด้วยว่า

ในปี พ.ศ. 2453 ไอน์สไตน์ได้ชี้พฤติกรรมที่ผิดปกติของความร้อนจำเพาะ ณ อุณหภูมิที่ต่ำมาก ๆ ซึ่งนับว่าเป็นผลการทดลองที่ท้าทายฟิสิกส์แผนเดิมเป็นอย่างยิ่ง พลังค์จึงได้จัดให้มีการประชุมโซลเวย์ครั้งที่ 1 ที่กรุงบรัสเซลส์ เมื่อปี พ.ศ. 2454 เพื่อไขความกระจ่างของข้อโต้แย้ง ณ ที่นี่ไอน์สไตน์ได้โน้มน้าวมักซ์ พลังค์ ได้เป็นผลสำเร็จในขณะเดียวกัน พลังค์ได้ดำรงตำแหน่งอธิการบดีมหาวิทยาลัยเบอร์ลิน เป็นที่คาดกันว่าเขาน่าจะเชิญตัวไอน์สไตน์มาเป็นศาสตราจารย์ในสองปีต่อมา จนกระทั่งทั้งสองคนกลายเป็นเพื่อนสนิทกันในที่สุด