馬克斯·普朗克出生在一個受到良好教育的傳統家庭,他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(Gottlieb Jakob Planck,1751年-1833年)和祖父海因里希·路德維希·普朗克(Heinrich Ludwig Planck,1785年-1831年)都是哥廷根的神學教授,他的父親威廉·約翰·尤利烏斯·普朗克(Wilhelm Johann Julius Planck,1817年-1900年)是基爾和慕尼黑的法學教授,他的叔叔戈特利布·普朗克(Gottlieb Planck,1824年-1907年)也是哥廷根的法學家和德國民法典的重要創立者之一。
普朗克在基爾度過了他童年最初的幾年時光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,普朗克在慕尼黑的馬克西米利安文理中學(Maximiliansgymnasium)讀書,並在那裡他受到─數學家奧斯卡·馮·米勒(Oskar von Miller)(後來成為了德意志博物館的創始人)的啟發,引起青年時期的馬克斯發現自己對數理方面有興趣。米勒也教他天文學和力學和數學,從米勒那普朗克也學到了生平第一個原理——能量守恆。之後普朗克在16歲時就完成了中學的學業,在這個學校學習的這段期間內,也是普朗克第一次接觸物理學這個領域。
大學時期
普朗克十分具有音樂天賦,他會鋼琴、管風琴和大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會(Akademischer Gesangverein Munchen)為多首歌曲和一部輕歌劇(1876年)作曲。但是普朗克並沒有選擇音樂作為他的大學專業,而是決定學習物理。慕尼黑的物理學教授菲利普·馮·約利(Philipp von Jolly,1809年-1884年)曾勸說普朗克不要學習物理,他認為“這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補”,這也是當時許多物理學家所堅持的觀點,但是普朗克回復道:“我並不期望發現新大陸,只希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑開始了他的物理學學業。普朗克整個科學事業中僅有的幾次實驗是在約利手下完成的,研究氫氣在加熱後的鉑中的擴散,但是普朗克很快就把研究轉向了理論物理學。
普朗克演講的內容是關於物體熱輻射的規律,即關於一定溫度的物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規律。普朗克對於這一問題的研究已有6個年頭了,今天他將公布自己關於熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律,這一定律與最新的實驗結果精確符合(後來人們稱此定律為普朗克定律)。然後,普朗克指出,為了推導出這一定律,必須假設在光波的發射和吸收過程中,物體的能量變化是不連續的,或者說,物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,能量值只能取某個最小能量元的整數倍。為此,普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s(即6.626196×10^-27erg·s,因為1erg=10^-7J)。這一假設後來被稱為能量量子化假設,其中最小能量元被稱為能量量子,而常數 h 被稱為普朗克常數。
普朗克黑體輻射定律 :大約是在1894年,普朗克開始把心力全部放在研究黑體輻射的問題上,他曾經委託過電力公司製造能消耗最少能量,但能產生最多光能的燈泡,這一問題也曾在1859年被基爾霍夫所提出:黑體在熱力學平衡下的電磁輻射功率與輻射頻率和黑體溫度的關係。帝國物理技術學院(Physikalisch-Technischer Reichsanstalt)對這個問題進行了實驗研究,但是經典物理學的瑞利-金斯公式無法解釋高頻率下的測量結果,但這定律卻也創造了日後的紫外災難,威廉·維恩給出了維恩位移定律,可以正確反映高頻率下的結果,但卻又無法符合低頻率下的結果。這些定律之所以能發起有一小部分是普朗克的貢獻,但大多數的教科書卻都沒有提到他。 普朗克在1899年就率先提出解決此問題的方法,叫做“基礎無序原理”(principle of elementary disorder),並把瑞利-金斯定律和維恩位移定律這兩條定律使用一種熵列式進行內插,由此發現了普朗克輻射定律,可以很好地描述測量結果,不久後,人們發現他的這項新理論是沒有實驗證據的,這也讓普朗克他在當時感到稍稍的無奈。可是他並沒有因此而氣餒,反而修正了自己的方式,最後成功的推衍出著名的第一版普朗克黑體輻射定律,此定律是在描述由實驗觀察來的黑體輻射光譜呈現良好的狀態,這一定律於1900年10月19日在德國物理學會上首次提出。也因為普朗克黑體輻射定律是第一個不包括能源量化以及統計力學的推論,因為他本人不喜歡這個理論。
不久後的1900年12月14日,普朗克得出了輻射定律的理論推論,其中他使用了此前曾被他所否定的奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼的統計力學,熱力學第二定律的每個純統計學觀點都讓普朗克感到厭惡。普朗克於會議上提出了能量量子化的假說: 其中E是能量,是頻率,並引入了一個重要的物理常數h——普朗克常數,能量只能以不可分的能量元素(即量子)的形式向外輻射。這樣的假說調和了經典物理學理論研究熱輻射規律時遇到的矛盾。基於這樣的假設,他並給出了黑體輻射的普朗克公式,圓滿地解釋了實驗現象。這個成就揭開舊量子論與量子力學的序幕,因此12月14日成為了量子日,以作紀念。普朗克也因此獲得1918年諾貝爾物理學獎。儘管在後來的時間裡,普朗克一直試圖將自己的理論納入經典物理學的框架之下,但他仍被視為近代物理學的開拓者之一。不過在當時,這一假說與玻爾茲曼的理論相比,可謂無足輕重。 “一個純公式的假說,我其實並沒有為此思考很多。(德語原文:eine rein formale Annahme, ich dachte mir eigentlich nicht viel dabei.)” 如今這個與經典物理學相悖的假說被作為是量子物理學誕生的標誌,和普朗克最大的科學成就。但是需要提及的是,玻爾茲曼於先前的大約1877年已經將一個物理學系統的能量級可以是不連續的作為其理論研究的前提條件。 在接下來的時間裡,普朗克試圖找到能量子的意義,但是毫無結果,他曾寫道: “我的那些試圖將普朗克常數歸入經典理論的嘗試是徒勞的,卻花費了我多年的時間和精力。(德語原文:Meine vergeblichen Versuche, das Wirkungsquantum irgendwie der klassischen Theorie einzugliedern, erstreckten sich auf eine Reihe von Jahren und kosteten mich viel Arbeit.)” 其他物理學家如瑞利、詹姆斯·霍普伍德·金斯(1877年—1946年)和亨德里克·洛倫茲在幾年後仍將普朗克常數設為零,以便其不與經典物理學相悖,但是普朗克十分清楚,普朗克常數是一個不等於零的確切的數值。“Jeans的固執令我很費解,他就像是理論學界裡的黑格爾,他本不該是這樣的,觀點與事實不相符時卻越是要堅持。”(德語原文:Jeans' Hartnäckigkeit ist mir unverständlich – er ist das Beispiel eines Theoretikers, wie er nicht sein soll, dasselbe, was Hegel in der Philosophie war. Um so schlimmer für die Tatsachen, wenn sie nicht stimmen.)