Oktobra 1900 se je Max Planck, v tistem času vodilni strokovnjak za fiziko toplote, znašel v resnih težavah. Obvestili so ga namreč, da bodo na naslednjem sestanku nemškega fizikalnega društva strokovno javnost seznanili z novico, da njegova teorija o barvni sestavi svetlobe žarečega telesa, ki jo je intenzivno razvijal zadnja leta, ni v skladu z rezultati novih eksperimentov.

Kakšno svetlobo oddaja razgreto telo?

Planck je bil ob koncu devetnajstega stoletja eden redkih profesionalnih teoretičnih fizikov. Ko se je leta 1889 zaposlil na Univerzi v Berlinu, je zasedel takrat edino profesorsko mesto za teoretično fiziko v Nemčiji in eno izmed peščice takšnih na svetu. Kot teoretik ni izvajal eksperimentov, ampak je s svinčnikom in papirjem obračal enačbe, pri čemer je poskušal čim bolj natančno pojasniti rezultate meritev, ki so jih izvedli drugi.

Planck se je ubadal z razmeroma preprostim vprašanjem. Zanimalo ga je, kako razžarjeno telo sveti oziroma oddaja toploto. Škotski fizik James Clerk Maxwell je že leta 1865 pokazal, da sta svetloba in toplotno sevanje dva vidika istega pojava, ki mu pravimo elektromagnetno valovanje. Proti koncu devetnajstega stoletja je bilo tako že jasno, da sta oddajanje toplote in oddajanje svetlobe sorodna procesa, le valovna dolžina izsevanega valovanja je za termično in vidno sevanje različna. Vedeli so tudi, da snov neprestano oddaja in sprejema elektromagnetno valovanje, pri čemer je spektralna gostota valovanja, se pravi katere valovne dolžine valovanja bodo najbolj pogoste v sevanju, odvisna od temperature telesa. Nerazrešeno vprašanje pa je bilo, kako z matematično formulo opisati in predvideti, koliko elektromagnetnega sevanja kakšne valovne dolžine bo telo oddajalo, ko bo segreto na neko temperaturo.

Leta 1899 je bil Planck prepričan, da je našel rešitev težavnega problema, ki jo je ponosno predstavil na sestanku nemškega fizikalnega društva. Takrat je govoril pred isto publiko, ki bo dobro leto kasneje od njegovih kolegov, ki so medtem izvedli nove eksperimente, izvedela, da so bile njegove izvorne enačbe napačne. Dodatne meritve so namreč pokazale, da se Planckove napovedi pri do tedaj še neizmerjenih valovnih dolžinah ne ujemajo z rezultati eksperimentov. Njegov matematični opis povezave med temperaturo telesa in izsevanim spektrom svetlobe, se je izkazal za napačnega.

Iz meritev ugane enačbo

Planck je bil v zagati. Jasno je bilo, da je njegova teorija napačna, saj ni pravilno napovedala vseh izidov eksperimentov, vendar je bil po drugi strani trdno prepričan, da je svoje izračune izpeljal iz temeljnih zakonov fizike in se pri tem ni zmotil. Ni mu bilo jasno, zakaj se izračuni in meritve ne ujemajo. Kje bi se lahko skrivala napaka?

K sreči so ga kolegi dober teden pred predstavitvijo novih eksperimentov prijateljsko opozorili, da se njihove meritve ne skladajo z njegovimi napovedmi, zato se je lotil dela in poskušal svoje izračune popraviti. V veliko pomoč mu je bilo, da nove meritve niso pokazale le kje so bile težave, ampak je zdaj natančno vedel tudi, za koliko se je zmotil pri prvi napovedi. Izvorna teorija se je dobro skladala z meritvami sevanja v območju vidne svetlobe, razhajala pa se je pri krajših valovnih dolžinah.

Ker je Planck sedaj poznal izide eksperimentov, je lahko iz meritev po občutku uganil matematično obliko enačbe, ki se je bolj natančno ujemala z novimi meritvami. Vendar mu nikakor ni bilo jasno, kako naj upraviči to novo matematično formulo, saj je ni izpeljal iz temeljnih zakonov fizike.

Revolucija, ki je ni sprva nihče opazil

Čeprav Plancku med pripravami na sestanek fizikalnega društva izvor enačbe ni bil jasen, je s svojo nenavadno gesto, ko je na osnovi meritev kar po občutku zapisal enačbo, ki naj bi meritve opisovala, sprožil eno ključnih revolucij v moderni znanosti, ki se lahko po pomenu primerja z Newtonovim odkritjem temeljnih zakonov gibanja in gravitacije.

Že proti koncu leta 1900 je Planck prišel do spoznanja, da lahko novo matematično formulo, ki opisuje spekter sevanja žarečega telesa, pojasni le, če privzame, da se lahko energija prenaša le v zelo majhnih paketih, katerih velikost je sorazmerna frekvenci valovanja. Enačbe je ob tej predpostavki znal pojasniti, vendar mu ni bilo jasno, zakaj se energija prenaša le v paketih, ki imajo natančno določeno velikost. Takšna predpostavka je bila nenavadna in nerazumljiva glede na do tedaj znana načela in zakonitosti fizike.

Trajalo je še nekaj let, preden je Planckove matematične izpeljave pravilno interpretiral mladi fizik, ki je nedavno diplomiral na politehniki v Zürichu, a je bil tako samosvoj, da so se ga profesorji kar malo bali, zato mu ni nihče hotel ponuditi asistentskega mesta, kar je bilo takrat za sposobne mlade znanstvenike nekaj povsem običajnega. Mlademu samosvojemu geniju je bilo ime Albert Einstein.

Državni uradnik povsem spremeni razumevanje sveta

Ko se je Einsteinu leta 1902 končno uspelo po prijateljskih zvezah zaposliti na patentnem uradu v Bernu, se je lahko v miru posvetil znanosti. V novi službi, kjer je delal po šest dni na teden, je imel ob obilici uradniških zadolžitev še vedno dovolj prostega časa, da je lahko razmišljal o najbolj perečih problemih takratne fizike. Njegova uradniška leta veljajo za eno najbolj plodovitih obdobij v vsej zgodovini znanosti, saj je leta 1905 objavil štiri izjemno pomembne znanstvene razprave.

Najbolj revolucionaren izmed četverice pa ni bil članek, v katerem je postavil temelje posebne teorije relativnosti, niti sestavek, v katerem je uvedel slavno formulo E=mc2. Radikalno nova je bila njegova hipoteza, da moramo svetlobo oziroma elektromagnetno valovanje obravnavati kot tok delcev, ki jih je imenoval kvanti, danes pa jim pravimo fotoni.

Kako prelomna je bila Einsteinova ideja o vpeljavi kvantov, priča podatek, da je trajalo še kar nekaj let, preden so jo drugi fiziki sploh začeli resno obravnavati. Planck je kot urednik znanstvene revije, v kateri je Einstein objavil svoje revolucionarne članke, v objavo sprejemal tudi hipoteze, s katerimi se ni strinjal, če le v njih ni našel kake očitne napake. Einsteinovo teorijo relativnosti je demo takoj sprejel in celo prvi o njej javno predaval, ideja o obstoju kvantov svetlobe, ki jo je v resnici sam vzpodbudil s svojo interpretacijo zakona o sevanju črnega telesa, pa mu nikakor ni bila blizu. Svetlobnim kvantom je nasprotoval še vrsto let po Einsteinovi izvorni objavi ideje.

Kako bi videli žarek, če bi sedeli na njem?

Einsteina se je že v mladosti spraševal tudi, kako bi svetlobni žarek videl opazovalec, ki bi potoval ob njem. Bi na enak način, kot se nam zdi, da avto ob našem miruje, če vozimo vzporedno z njim, miroval tudi svetlobni žarek, če bi drveli ob njem? Interpretacija, da bi svetloba lahko za določene opazovalce mirovala, se mu je zdelo nesmiselna, a problema takrat ni znal razrešiti.

Maja leta 1905, le dva meseca zatem, ko je v objavo poslal svoj revolucionarni članek o kvantih, se mu je porodila še ideja, kako bi lahko pojasnil zaplet glede opazovanja svetlobnega žarka. Težave bi se razrešile, če bi opustili idejo absolutnega in za vse opazovalce enakega časa. V primeru, če bi čas tekel različno hitro za različne opazovalce, do problemov z interpretacijo tega, kaj vidijo opazovalci, ne bi prišlo. Prelomno idejo o relativnosti časa je opisal v naslednjem članku, ki ga poznamo danes kot temelj posebne teorije relativnosti.

Sočasno z revolucionarnimi odkritji, ki so naslednja desetletja močno vplivala na razvoj znanosti, je spomladi leta 1905 Einstein na Univerzo v Zürichu poslal tudi rokopis doktorske disertacije, v kateri je obravnaval naključno gibanje molekul imenovano Brownovo gibanje. To se mu je zdela dovolj “običajna” tema, da bi bila lahko brez zapletov odobrena, saj so mu predlog doktorata enkrat prej, ko je komisiji poslal svoje bolj revolucionarne ideje, že zavrnili kot neprimernega.