Deşi este adesea omis de cărţile de istorie a ştiinţei, Gustav Kirchhoff a obţinut importante realizări care stau la baza fizicii secolului XX. În 1859, Kirchhoff a enunţat principiul general conform căruia fiecare element emite un spectru caracteristic de lumină.
Împreună cu Robert Bunsen, el a instituit spectroscopia şi a transformat-o într-un puternic instrument de analiză. În forma sa cea mai simplă, un spectroscop conţine o sursă de lumină, un tub care duce la o prismă şi o mică lunetă care permitea caracterizarea tuturor elementelor din natură.
Kirchhoff a intuit imediat o consecinţă şi mai importantă: o bază nouă pentru chimia astronomică. În scurt timp, Kirchhoff a prezentat fizicienilor o enigmă absolut stupefiantă, aşa-numita „problemă a radiaţiei corpului negru" care avea să conducă în cele din urmă la dezvoltarea mecanicii cuantice abia peste 40 de ani.
Profesor influent, Kirchhoff „s-a luptat pentru claritate şi rigoare în abordarea unui experiment", scrie Leon Rosenfeld, „de o manieră directă şi deschisă şi recurgând la idei simple". Gustav Robert Kirchhoff s-a născut pe 12 martie 1824 la Konigsberg, pe vremea aceea în Prusia, astăzi Kaliningrad, în Rusia. Fiu al unui avocat al al unei funcţionare de stat, Kirchhoff a manifestat de timpuriu un mare interes pentru matematică.
La Universitatea din Konigsberg, el a studiat cu Franz Neumann, un mineralog care se simţea atras de noua fizică matematică şi de teoria electromagnetismului. Absolvind în 1847, Kirchhoff a primit o bursă de studii la Paris, dar a intervenit anul revoluţionar 1848. În aceste condiţii s-a mutat mai întâi la Berlin, unde a început să predea, devenind în 1850 profesor-adjunct la Universitatea din Breslau. În acea perioadă s-a întâlnit cu Robert Bunsen, marele chimist şi fizician inventator al „becului Bunsen", cu care a legat o strânsă prietenie. Cu 13 ani mai în vârstă decât el, Bunsen a fost cel care a intervenit pentru aducerea lui Kirchhoff la Universitatea din Heidelberg, în 1854, moment care marchează începutul unei lungi şi fructuoase colaborări.
Primele contribuţii ale lui Kirchhoff în domeniul electricităţii au fost importante atât din punct de vedere practic, cât şi teoretic. Încă din anii studenţiei, în 1845, Kirchhoff a formulat două legi care îi poartă numele şi care se folosesc şi în prezent în aplicaţiile din electronică. Descoperind limitele legii lui Ohm, care stabileşte relaţia dintre rezistenţa şi intensitatea unui curent printr-un circuit, Kirchhoff elaborează formulele corecte pentru calculul potenţialelor şi curenţilor în oricare punct sau ramură a unei reţele de conductori electrici.
În 1857, el şi-a adus o altă contribuţie esenţială la dezvoltarea electromagnetismului, formulând o teorie referitoare la modul în care este condusă electricitatea. El şi-a bazat calculele pe rezultate experimentale care determinau o constantă pentru viteza de propagare a curentului electric. Kirchhoff a remarcat faptul că această viteză este aproximativ echivalentă cu viteza luminii - dar semnificaţia mai profundă a acestei similitudini i-a scăpat. A trecut peste ea ca peste o simplă coincidenţă. Ulterior, James Clerk Maxwell a propus o teorie conform căreia lumina făcea parte dintr-un spectru electromagnetic mai larg.
Cea mai importantă activitate a lui Kirchhoff, desfăşurată între 1859 şi 1862, s-a materializat în fundamentarea spectroscopiei ca instrument de analiză. Conform legendei, Kirchhoff l-ar fi vizitat pe Bunsen în laboratorul în care acesta analiza diverse săruri care, aruncate în flacără, împrăştie o lumină de diverse culori. Kirchhoff a sugerat că s-ar putea face o analiză mai bună dacă s-ar trece lumina flăcării printr-o prismă. Ceea ce au şi făcut.
Valoarea spectroscopiei a devenit imediat limpede. Spectroscopia, care îşi are originile în demonstraţia făcută de Newton asupra naturii compuse a luminii, a dobândit brusc o largă aplicabilitate. Fiecare element prezenta un spectru specific care putea fi văzut, înregistrat şi măsurat.
„Rezultatele lor", notează Abraham Pais, „erau de cea mai mare importanţă." Fiecare element sau compus are un spectru distinct, la fel de unic pe cât este o amprentă umană. Bunsen şi Kirchhoff puteau să scrie la scurt timp după aceea că analiza spectrală face posibilă „explorarea unui domeniu care până acum era complet interzis". Ei nu numai că au analizat elementele cunoscute, dar au şi descoperit unele noi.
Examinând sărurile din apa minerală evaporată, Kirchhoff şi Bunsen au detectat o linie spectrală albastră; ea aparţinea unui element pe care cei doi l-au botezat cesiu.
Studiind lepidolitele, Bunsen a descoperit în 1862 un element denumit rubidiu, element folosit astăzi la ceasurile atomice de precizie. Cu ajutorul spectroscopiei au fost descoperite până la sfârşitul secolului încă alte 10 elemente noi, iar domeniul s-a extins considerabil. Între 1900 şi 1912, H.G.J. Kayser şi-a publicat Handbuch der Spectroscopie, în şase volume, cu un total de 5000 de pagini.
Unul dintre rezultatele analizei spectrale s-a dovedit extrem de important. Kirchhoff a remarcat că anumite linii întunecate din spectrul luminii solare - numite linii Fraunhofer - coincid cu liniile galbene din spectrul sodiului ars. Privind spectrul solar prin lumina flăcării de sodiu, el a observat că acele linii întunecate au dispărut. Dându-şi seama că era pe punctul să facă o descoperire fundamentală, Kirchhoff a tras concluzia corectă: întunecarea liniilor spectrale indică absorbirea lor pentru că atmosfera solară conţine sodiu. Şi spectrele altor elemente chimice din lumina solară vor prezenta linii întunecate corespunzătoare.
Comparând spectrele, Kirchhoff şi Bunsen au intuit importanţa tehnicii lor pentru studiul compoziţiei soarelui şi pentru chimia cerurilor. „Este plauzibil", notează Kirchhoff, „ca spectroscopia să fie aplicabilă şi pentru atmosfera solară şi pentru stelele fixe mai strălucitoare." Într-adevăr, aşa stăteau lucrurile, iar ideea a fost ulterior extinsă la întregul univers. În 1861, Kirchhoff şi Bunsen au continuat să compare liniile spectrale ale elementelor cu cele provenind de la Soare, cercetare care a condus la descoperirea heliului. În secolul XX, spectroscopia s-a dovedit o tehnică eficientă atât în dezvoltarea teoriei atomice, cât şi în astrofizică.
Studierea liniilor Fraunhofer i-a permis lui Kirchhoff să elaboreze o teorie generală a emisiei radiaţiei în termeni de termodinamică, cunoscută drept legea lui Kirchhoff. Aceasta avea o formă cantitativă, dar, în rezumat, prevedea că o substanţă are o capacitate de a emite lumină egală cu capacitatea ei de a absorbi lumina la aceeaşi temperatură.
Una din consecinţele legii radiaţiei a lui Kirchhoff a reprezentat-o „problema corpului negru", care avea să fie coşmarul fizicienilor timp de patruzeci de ani. Acest impas ciudat, dar fundamental a apărut o dată cu constatarea că dacă se încălzeşte un corp negru, de pildă o bară de fier, acesta tinde să emită lumină şi căldură. Radiaţia lui este la început invizibilă sau infraroşie; după aceea devine vizibilă, încingându-se până la roşu.
În cele din urmă se încinge până la alb, ceea ce înseamnă că emite toate culorile spectrului. Radiaţia spectrală, care depinde doar de temperatura la care este încălzit corpul şi nu de materialul din care este făcut acesta, nu putea fi prezisă de fizica clasică. Kirchhoff a recunoscut că „descoperirea acestei funcţii universale" reprezintă o misiune de mare importanţă. Dată fiind însemnătatea ei în înţelegerea energiei, problema corpului negru şi-a găsit în cele din urmă rezolvarea. În 1900, Max Pplanck a descoperit cuantele, o cucerire cu implicaţii enorme în fizica secolului XX.
În memoriile hagiografice ale lui Robert von Helmholtz, publicate în 1890, Kirchhoff este considerat „un exemplu perfect al unui adevărat cercetător german. Religia şi scopul lui în viaţă erau căutarea adevărului În forma lui pură, mergând până la uitarea de sine". Într-adevăr, deşi realizările lui majore nu au fost trecute cu vederea şi numele lui este menţionat În cărţile de istorie a ştiinţei scrise în limba engleză, el e rareori evidenţiat. Aceasta s-ar putea explica prin faptul că nu a fost un atomist convins, iar influenţa lui directă se limitează la fizica clasică.
Dar, cum aveau să remarce Lloyd Motz şi Jefferson Weaver, spectroscopul, „în ciuda simplităţii lui, este probabil cel mai important instrument ştiinţific în sine născocit vreodată. De la inventarea lui, el a permis realizarea mai multor descoperiri ştiinţifice de anvergură, în domenii care se întind de la fizica nucleului la cosmologia fizică şi la astronomie, încorporând şi toate ramurile geologiei, chimiei şi medicinei, ceea ce înseamnă un număr mai mare de descoperiri decât ar fi fost posibil cu ajutorul oricărui alt instrument sau combinaţii de instrumente". Iar Kirchhoff, alături de Bunsen, este primul care a generalizat conceptul din care derivă marea putere analitică a acestui instrument.
Profesor extrem de respectat, dar nu neapărat un foarte bun pedagog, Kirchhoff a suferit un accident în urma căruia s-a văzut nevoit să opteze pentru cârje sau un scaun cu rotile. Se pare că acest lucru nu i-a afectat nici simţul umorului, nici puterea de muncă; el a continuat să experimenteze până în 1875, când şi-a redus activitatea la aceea de profesor de fizică teoretică la Universitatea din Berlin. Aici a rămas până în 1886, pensionându-se cu puţin timp înainte de a muri, pe 17 octombrie 1887.