Max Planck 125 éve ismertette a kvantumelméletet

Az 1858-ban született Planck érdeklődése az 1890-es években az abszolút fekete test hőmérsékleti sugárzása felé fordult. Az abszolút fekete test egy olyan ideális test, ami bármilyen hullámhosszú elektromágneses sugárzást teljesen elnyel, ennek jó modellje egy üreges szilárd test, melynek üregét a külső térrel egy kicsi lyuk köti össze. Ez esetben ugyanis a lyukat elhagyó, ún. feketetest-sugárzás vagy hőmérsékleti sugárzás intenzitása és spektruma kizárólag a hőmérséklettől függ, és független a test méreteitől, alakjától, vagy anyagától. A különböző hőmérsékletű feketetest-energia kisugárzásának spektrális eloszlására az addigi, a klasszikus fizikára épülő elméletek csak a nagyon kis (Rayleigh-Jeans-törvény), illetve a nagyon nagy (Wien-törvény) frekvenciákra tudtak elfogadható közelítést adni.

Planck maga is holtpontra jutott a klasszikus fizika eszközeivel, ezután félretéve minden elméleti megfontolást egyszerűen megkereste azt a matematikai képletet, amely helyesen írja le a spektrumokat. A berlini Fizikai Társaság 1900. október 19-i ülésén „A Wien-féle eloszlási törvény módosításáról” című előadásában ismertette általános érvényű formuláját, amely speciális (határ)esetként magába foglalta a két korábbi törvényt is.

Képlete tökéletesen leírta a mérésekkel megállapított eredményeket, „csupán” az elméleti háttere hiányzott. Ez Planckot is zavarta, s minden idejét annak szentelte, hogy a tapasztalattal jól egyező, a feketetest által kisugárzott energia frekvenciafüggését helyesen leíró képletet elméletileg is megalapozza. Planck ugyan természetéből és neveltetéséből adódóan konzervatív volt, de tudósként elfogadta, hogy ha a tények nem felelnek meg az elméletnek, akkor csak a teóriának ellentmondó magyarázat lehetséges. Ezért azt a klasszikus fizika szempontjából merőben új és forradalmi feltevést tette, hogy a hőmérsékleti sugárzás energiája nem folytonos, hanem kis csomagokból, kvantumokból áll. Képletéből adódott, hogy a kvantumok nagysága függ az elnyelt, vagy kisugárzott fény frekvenciájától: minél nagyobb a frekvencia, azaz minél rövidebb a hullámhossz, annál nagyobb az adott fény legkisebb energiakvantuma. Valamely kvantum energiaértékét úgy kapjuk meg, hogy a sugárzás frekvenciáját megszorozzuk egy hatás dimenziójú mennyiséggel, a „h”-val jelölt hatáskvantummal, a róla elnevezett Planck-állandóval. Ezen univerzális állandó felfedezését a „kis h forradalmának” nevezik, mert a tudományban még nem volt példa arra, hogy egy ilyen „kis valami” ilyen nagy fordulatot idézzen elő. Planck tudományos életrajzában utóbb így vallott felfedezéséről: „A hatáskvantumban valami eddig soha nem hallott jelentkezik, amely arra van hivatva, hogy alapjában átalakítsa egész fizikai gondolkodásunkat”.

Planck a sugárzási törvény elméleti levezetéséről 1900. december 14-én ugyancsak a berlini Fizikai Társaság ülésén számolt be „A normálspektrum energiaeloszlási törvényének elmélete” című előadásában, ezt a napot tekintjük a kvantumelmélet születésnapjának. A klasszikus fizikának ellentmondó, akkoriban igen radikális elméletet a tudományos közvélemény kezdetben kevés figyelemre méltatta, éveknek kellett eltelniük, amíg a tudósok meghatározó köre elfogadta az új alapokra helyezett fizikai gondolkodást. Planck maga is sokáig próbálkozott azzal, hogy feltevéseit beillessze a klasszikus fizikába, de nem járt sikerrel. Albert Einstein, Planck jóbarátja volt az, aki felismerte a kvantumhipotézis valódi fizikai jelentőségét és azt a fényre (fotonok), majd a szilárd testek fajhőjére alkalmazva megszilárdította a kvantumfizika alapjait.

A kvantumhipotézis volt a 20. század egyik legragyogóbb és leghatásosabb fizikai elmélete, a kvantummechanika kiindulópontja. Fizikai világképünk radikális megváltozását eredményező hatásán kívül alkalmazásának egész sorát lehetne felsorolni a kémia, a technika, a biológia vagy az orvostudomány területéről. Erre alapozva indult meg a modern elektronikai kutatás, került sor a tranzisztor elvének meghatározására, majd az eredmények műszaki alkalmazására, s a szórakoztató elektronikai ipar, a számítógépek teljesen átalakították világunkat és az emberi kapcsolatokat.

A kvantumelmélet bemutatása után tizennyolc évnek kellett eltelnie, amíg a stockholmi Nobel-díj Bizottság meggyőződött az új elmélet korszakalkotó jelentőségéről, és 1919-ben visszamenőleg Plancknak ítélte oda az 1918. évi fizikai Nobel-díjat. Niels Bohr Nobel-díjas dán fizikus így vallott a korszakalkotó felfedezésről: „Akit nem ráz meg a kvantumelmélet, az nem értette meg!”