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Il 14 dicembre del 1900, durante un incontro della Società Tedesca di Fisica (Deutsche Physikalische Gesellschaft) a Berlino, il fisico Max Planck presentò un lavoro intitolato “Sulla legge della distribuzione dell'energia nello spettro normale”, pubblicato l'anno successivo negli Annalen der Physik. La presentazione introduceva il concetto di quanto di energia, dando origine alla fisica quantistica, anche se inizialmente nessuno ne era pienamente consapevole, nemmeno Planck stesso.
La ricerca di Planck nasceva da un problema pratico. Planck stava collaborando con i fisici sperimentali della Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR), il primo istituto metrologico tedesco fondato nel 1887. Si trattava di capire quale sistema di illuminazione fosse più economico per le strade di Berlino, se le lampade a gas o quelle elettriche a incandescenza appena inventate da Edison. Per questo motivo, il PTR stava conducendo delle misurazioni di precisione sulla radiazione di “corpo nero”.
Un “corpo nero” è un oggetto ideale che assorbe completamente ogni radiazione incidente. Nel 1860 Gustav Kirchhoff dimostrò che lo spettro emesso da un corpo nero dipende unicamente dalla sua temperatura, non dalla forma o dal materiale. La fisica classica prevedeva, però, un risultato assurdo: la formula di Rayleigh-Jeans portava a un’emissione di energia infinita alle alte frequenze, mentre gli esperimenti mostravano energia tendente a zero.
Planck introdusse un'ipotesi rivoluzionaria: l’energia non assume valori continui, ma solo valori discreti, multipli di una quantità elementare. La formula E = hν lega l'energia del quanto (E) alla frequenza (ν) attraverso la costante di Planck (h). Prima di Planck l’energia era considerata continua, come un liquido. Planck introdusse invece "pacchetti minimi" discreti, come i gradini di una scala. Più alta è la frequenza, più grande è il quanto. La luce rossa ha quanti piccoli, i raggi X hanno quanti enormi. A temperatura ambiente l’energia termica è insufficiente per attivare i quanti ad alta frequenza, statisticamente improbabili. L’energia emessa tende quindi a zero, non all’infinito.
Planck stesso considerò inizialmente la quantizzazione dell’energia come un semplice espediente matematico, faticando a credere che i quanti rappresentassero qualcosa di reale nella natura. Fu Albert Einstein, nel 1905, a riprendere e rilanciare l'idea dei quanti per spiegare l’effetto fotoelettrico, sostenendo che la stessa radiazione elettromagnetica era costituita da particelle di energia, i fotoni.
Il 14 dicembre 1900 segnò l'inizio della fisica quantistica. Planck ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1918 “per il suo fondamentale apporto al progresso della fisica, con la sua scoperta dei quanti di energia”.
Il suo contributo ha portato a spiegare la struttura atomica descritta da Bohr, aprendo successivamente la strada alla meccanica quantistica di Heisenberg e Schrödinger, che costituisce il fondamento di tutta la nostra tecnologia basata sull’elettronica.
Portrait of Max Planck © AIP Emilio Segrè Visual Archives, E. Scott Barr Collection
Autrice: Irene Schillaci
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