Max Planck: O pai da mecânica quântica

Carreira acadêmica

Max Karl Ernst Ludwig Planck foi um físico alemão nascido em Quiel, capital de Eslésvico-Holsácia, um condado no norte da Alemanha. Por volta dos 10 anos de idade, assinou com o nome de Max Planck e usou-o assim para o resto de sua vida.

Planck foi o sexto filho(por parte de pai) de uma família de tradição acadêmica, com seu pai sendo professor de direito constitucional na faculdade de direito de Quiel. Em 1867, quando tinha apenas 9 anos, a família se mudou para Munique  e Planck foi matriculado na escola ‘Maximilians Gymnasium München’, onde ficou sob a tutela de Hermann Muller, um matemático que lhe ensinou muito sobre astronomia, mecânica e matemática, e princípios de conservação de energia, não à toa que seus primeiros trabalhos foram sobre termodinâmica.

Em 1874, ingressou em seus estudos na física na universidade de Munique, mesmo sendo aconselhado a não seguir na área por professores da própria faculdade. Tentou seguir na área da física experimental, mas após a sua tese de doutorado sobre a difusão de hidrogênio, mudou para a área teórica, dizendo ser um cientista matemático, não experimental.

Em sua experiência acadêmica, teve contato com outros grandes físicos como, Hermann Helmholtz e Gustav Kirchhof, que o influenciaram a focar seus estudos na área da termodinâmica, o que lhe rendeu descobertas incríveis no campo da física, e consequentemente um prêmio Nobel além do título da comunidade científica anos depois de “o pai da física quântica”.

Influência do Nazismo

Em 1885, seguiu para sua cidade natal, Quiel, onde casou-se com Marie Merck um ano depois, com quem teve 5 filhos. Em 1889, Planck seguiu para a Universidade de Berlim e após dois anos foi nomeado professor de Física Teórica, substituindo Gustav Kirchhoff. Desde então, manteve seus estudos, chegando a se tornar diretor-chefe da “Sociedade Alemã de Física” e reitor da Universidade de Berlim. 

A partir de 1933, com a ascensão de Hitler, Planck decidiu se manter na Alemanha, mas viu muitos de seus colegas judeus deixarem o país e chegou a questionar a atitude de alguns, ao mesmo tempo em que ajudou outros a emigrarem.

Longe de ser um entusiasta do Nazismo, chegou a tentar convencer Hitler a dar liberdade aos cientistas judeus. Planck argumentou que haveria diversos tipos de judeus valiosos para o meio acadêmico e poderia prejudicar a ciência do país. O Führer então lhe respondeu: “Se a ciência não pode passar sem judeus, teremos de nos haver sem a ciência”. Tal confronto desagradou Hitler, o que teria consequências anos mais tarde, quando seu filho Erwin foi detido pelo governo nazista e executado por enforcamento em 23 de janeiro de 1945, acusado de traição relacionada a um atentado para matar Hitler, em 20 de julho de 1944.

A morte de seu filho o abalou profundamente e fez com que Planck perdesse a vontade de viver. Assim, após o término da Segunda Guerra Mundial, ele e sua segunda esposa mudaram-se para Göttingen, onde, em 4 de outubro de 1947, aos 89 anos, Planck morreu em consequência de uma queda e de diversos derrames, morte esta que, segundo James Franck, veio a ele “como uma redenção.”

Contribuição para a Física

Como um especialista nos estudos da termodinâmica, área que contempla as relações de calor, temperatura, trabalho e energia, Planck foi fundamental para a resolução de um dos maiores problemas mal resolvidos da física da época, a distribuição de radiação em um corpo negro, chamado de “pequenas nuvens no horizonte da física”. O que posteriormente culminou no desenvolvimento das primeiras teorias da física quântica e suas diferenças quanto à física clássica, única existente até então.

Radiação de corpo negro

É sabido que a luz e o calor têm relação entre si, de maneira que todo corpo que está a uma temperatura maior do que o meio que o envolve emite ondas eletromagnéticas e o que possibilita esse fenômeno é a radiação de corpo negro. Um corpo negro é uma idealização, descrevendo um corpo que apenas absorve e emite radiação (ou luz), dependendo unica e exclusivamente da temperatura do corpo, gerando o tão famoso espectro de corpo negro:

Porém, nenhum cientista até então conseguiu descrever precisamente o espectro de emissão de corpos negros, utilizando de princípios da física clássica. Os modelos teóricos previstos até então previam que ao aumentar a temperatura de um corpo aumentasse, sua frequência também aumentaria, emitindo mais radiação tendendo ao infinito, ou seja, violava uma lei importantíssima da física: a conservação de energia. 

O fracasso nos estudos dessa área ficou conhecido como “ a catástrofe ultravioleta”. Aqui está um vídeo para melhor entendimento sobre o assunto:

Quantização da energia

A solução para esse problema veio com o trabalho revolucionário de Max Planck em 1900. Ao abordar o problema da radiação de corpo negro, Planck propôs uma fórmula que introduzia a ideia de quantização da energia, sugerindo que a energia era quantizada em “quanta” discretos, ou seja, transmitida “quantas” discretos. Essa abordagem resolveu a anomalia na distribuição espectral da radiação.

A constante de Planck (representada por “h”) foi introduzida por Planck em sua fórmula, e essa constante é fundamental para a teoria quântica. A abordagem quântica de Planck superou a catástrofe ultravioleta e proporcionou uma descrição mais precisa do comportamento da radiação de corpo negro.

A descoberta da quantização da energia trouxe uma mudança brusca na maneira de enxergar a física, de maneira que as leis e teorias que se aplicavam a grandes proporções de matéria, já não poderiam explicar escalas extremamente reduzidas das mesmas, nascendo assim a física quântica.

O reconhecimento de Planck como o pai da física quântica só veio muitos anos depois, assim como seu prêmio Nobel de física, concedido em 1918.

Influências

Na mesma época de Planck, Albert Einstein estava trabalhando em sua Teoria da Relatividade na Suíça, quando ficou sabendo dos estudos de Planck sobre e sua teoria da quantização de energia. Então, Einstein percebeu que tal teoria poderia facilmente resolver alguns problemas de fotoeletricidade, outro problema físico não resolvido na época, que a teoria das ondas falhou em resolver. 

Com efeito, em 1905, Albert Einstein usou a ideia de Planck da hipótese quântica de luz para explicar o efeito fotoelétrico que não poderia se explicar usando a teoria ondulatória da luz. Em 1913, Einstein chegou a Berlim e os dois grandes cientistas da época se juntaram e tornaram-se grandes amigos.

Por resultado, Einstein conseguiu explicar e provar o efeito fotoelétrico por meio da mecânica quântica “recém criada” por Max Planck, o que lhe rendeu o único prêmio Nobel de sua vida, por incrível que pareça, em 1921.