Ознакомившись с работами Густава Кирхгофа, Планк начал подготовку к собственным исследованиям. Он поставил перед собой цель закрыть научный вопрос о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Планк решил использовать в своих опытах электрические осцилляторы – заряженные частицы без конкретной физической формы, которые совершали гармонические колебания подобно маятникам. После того как в 1877 году Генрих Герц экспериментально подтвердил теорию электромагнитной природы света Джеймса Клерка Максвелла, Планк решил использовать уравнения Максвелла, позволявшие определить, как осцилляторы излучают и поглощают электромагнитные волны.

С помощью статистических законов, выведенных Больцманом, можно было связать особенности колебаний с температурой, но попытки ученых точно рассчитать спектральный состав равновесного излучения ни к чему не привели.

Еще до Планка многие ученые пытались вывести кривую излучения черного тела, используя известные в то время понятия. Хотя исследователям и удалось установить эмпирические соотношения между температурой и количеством излученной энергии (закон Стефана-Больцмана) и между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина), но дальше этого дело не пошло.

В последующих опытах Дж. У. Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип, подобный используемому Планком, но они получили другую результирующую формулу.

После продолжительных безуспешных попыток создать теорию, которая смогла бы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, Планк сделал гениальное открытие. Он предположил в 1900 году, что осцилляторы излучают энергию лишь дискретными порциями – квантами. При этом энергия кванта пропорциональна частоте колебания, а каждый уровень по энергии равен частоте, умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.

Исходя из этих предположений, Планку удалось вывести полуэмпирическую формулу распределения энергии, которая с поразительной точностью согласовывалась с результатами экспериментов других физиков. Формула Планка также прекрасно отвечала законам Вина и Стефана – Больцмана.

14 декабря 1900 года на заседании Берлинского физического общества Планк представил свою гипотезу и новую формулу излучения. Предложенная Планком гипотеза стала первой весточкой рождения квантовой теории.

В следующем году, имея значения экспериментальных данных по излучению черного тела, Макс Планк вычислил значение постоянной Больцмана – одну из фундаментальных величин новой теории, предложенной им.

Кроме того, ученый вычислил значение числа Авогадро (число атомов в одном моле элемента), что позволило ему с большой точностью произвести расчет электрического заряда электрона.

Хотя гениальность открытия Планка не была в полной мере оценена ни самим автором, ни другими физиками того времени, можно с уверенностью сказать, что именно его исследования стали первым кирпичиком в построении квантовой теории.

Сегодня в литературе часто встречается термин «физика до Планка», которым обозначают классическую физику.

За вклад в развитие квантовой физики Макс Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год. Премия гениальному ученому была вручена «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии».

В своей презентационной речи 1 января 1920 года А. Г. Экстранд, президент Шведской королевской академии наук, назвал открытия Планка «открытиями эпохального значения», а его теорию излучения – «самой яркой путеводной звездой в современных физических исследованиях».

2 июня 1920 года Планк прочитал свою нобелевскую лекцию, озаглавленную «Возникновение и современное состояние квантовой теории». Ученый подвел подробные итоги своей работы за более чем двадцать лет и пошутил, что известная фраза Гете «Тот человек ошибается, который ничего не делает» как можно лучше характеризирует его работу.

С 1894 года Макс Планк состоял членом Берлинской академии наук, а в период с 1912 по 1943 год являлся ее непременным секретарем.

Всю жизнь Планк пользовался уважением среди ученых. Именно по его инициативе Прусская академия открыла для Альберта Эйнштейна специальную кафедру. Макс Планк оказал полную поддержку теории относительности Эйнштейна, опубликованной в «Анналах физики» в 1905 году. В этом же году Эйнштейн использовал идеи Планка и предсказал двойственную природу света, объяснил фотоэлектрический эффект и ввел понятие фотона.

В 1906 году Планк вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона.

В этом же году он выпустил книгу «Лекции по теории теплового излучения», которая стала популярной и издавалась на многих языках.

В 20-е годы XX века благодаря работам Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера и Поля Дирака квантовая теория получила серьезное развитие. «Отец квантовой теории» двояко встретил работы молодых физиков. С одной стороны, он радовался развитию своего детища, а с другой – сложнейший математический аппарат и новый вероятностный подход квантовой механики совсем не нравились гениальному ученому. Как бы то ни было, в 1928 году, в возрасте 70 лет, он с большим энтузиазмом передал свою кафедру теоретической физики Берлинского университета создателю волновой механики Эрвину Шрёдингеру.

В 1930 году Макс Планк стал президентом Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма. Он продолжал читать публичные лекции и заниматься наукой. В 1937 году в знак протеста против изгнания из Общества ученых-евреев Планк ушел в отставку.

К числу других выдающихся достижений великого ученого можно отнести вывод уравнения Фоккера – Планка, которое описывает поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов. Кроме того, на основе теории электролитов Планку удалось вычислить разность потенциалов двух электролитических растворов.

Семейная жизнь Планка была сплошной трагедией.

Впервые он женился в 1885 году в Киле, после вхождения в должность адъюнкт-профессора Кильского университета, на сестре своего друга детства – Марии Мерк. За пять лет супруга родила Максу четырех детей – сыновей Карла и Эрвина, а также дочерей-близнецов Эмму и Грету. После переезда в Берлин семья Планка жила на вилле за городом. Дом Планков стал культурным центром, его посещали многочисленные друзья Макса, среди которых были Альберт Эйнштейн, Отто Хан, Адольф фон Харнак. Хозяин дома любил организовывать и проводить совместные музыкальные вечера.

Однако счастье было недолгим – в 1909 году Мария умерла от туберкулеза.

В марте 1911 года Планк женился вторично – на своей кузине Марге фон Хесслин. В декабре этого же года у него родился третий сын – Герман.

Старший сын Планка был убит в 1916 году в Вердене в Первую мировую войну, а любимый сын Макса – Эрвин попал в плен к французам. В 1917 году во время родов умерла дочь Грета, вторая дочь Эмма стала женой вдовца Греты, а спустя два года умерла при подобных же обстоятельствах.

В 1944 году сын Планка, Эрвин, был казнен нацистами за участие в неудавшемся покушении на Гитлера 20 июля этого же года.

В Берлине Планк исполнял обязанности пастора, хоть и не имел священнического сана. Он был глубоко уверен, что наука является всего лишь дополнением к религии.

После прихода в 1933 году к власти Гитлера, который Планк воспринимал как национальную трагедию, он открыто выступал против гонений еврейских ученых. Будучи президентом Общества фундаментальных наук кайзера Вильгельма, Планк на очередной встрече с Гитлером попросил последнего прекратить преследования еврейских ученых, но получил категорический отказ. Макс Планк приложил много усилий, чтобы сохранить немецкую науку от полного упадка.

После того как в феврале 1944 года его дом и личная библиотека в Берлине были разрушены в результате воздушной бомбардировки, Планк с супругой пытался бежать в имение Рогец неподалеку от Магдебурга. К счастью, они были обнаружены американскими солдатами и доставлены в безопасный Геттинген.