Albert Einstein es recordado por la teoría de la relatividad y la ecuación que equipara masa y energía, pero ninguno de sus logros le valió el Premio Nobel. Recibió ese honor por su trabajo teórico en física cuántica. Desarrollando ideas avanzadas por el físico alemán Max Planck, Einstein propuso que la luz estaba compuesta de partículas discretas. Él predijo que hacer brillar la luz sobre una superficie metálica conductora crearía una corriente eléctrica, y esta predicción fue probada en el laboratorio.
La naturaleza dual de la luz
Sir Isaac Newton, al describir el comportamiento de la luz difractada por un prisma, propuso que la luz estaba compuesta de partículas. Pensó que la difracción se debía a que las partículas se ralentizaban al viajar a través de medios densos. Los físicos posteriores tendieron a pensar que la luz era una onda. Una razón de esto fue que la luz que brilla a través de dos rendijas a la vez produce un patrón de interferencia, que solo es posible con ondas. Cuando James Clerk Maxwell publicó su teoría del electromagnetismo en 1873, basó las ecuaciones en la naturaleza ondulatoria de la electricidad, el magnetismo y la luz, un fenómeno relacionado.
La catástrofe ultravioleta
La elegancia de las ecuaciones de Maxwell es una fuerte evidencia de la teoría ondulatoria de la transmisión de luz, pero Max Planck se inspiró para refutar esa teoría para explicar el comportamiento observado al calentar una "caja negra", que es aquella desde la que no se puede iluminar escapar. Según la comprensión de la dinámica de las ondas, la caja debe irradiar una cantidad infinita de radiación ultravioleta cuando se calienta. En cambio, irradiaba frecuencias discretas, ninguna de ellas infinita. En 1900, Planck propuso la idea de que la energía incidente se "cuantificó" en paquetes discretos para explicar este fenómeno, conocido como la catástrofe ultravioleta.
El efecto fotoeléctrico
Albert Einstein tomó en serio las ideas de Planck y, en 1905, publicó un artículo titulado "Sobre un punto de vista heurístico sobre el Producción y transformación de la luz ", en la que los utilizó para explicar el efecto fotoeléctrico, observado por primera vez por Heinrich Hertz en 1887. Según Einstein, la luz que incide en una superficie de metal crea una corriente eléctrica porque las partículas de luz eliminan los electrones de los átomos que componen el metal. La energía de la corriente debe variar según la frecuencia - o el color - de la luz incidente, no según la intensidad de la luz. Esta idea fue revolucionaria en una comunidad científica en la que las ecuaciones de Maxwell estaban bien establecidas.
Verificación de la teoría de Einstein
El físico estadounidense Robert Millikan no estaba convencido de las teorías de Einstein al principio, y diseñó experimentos cuidadosos para probarlas. Colocó una placa de metal dentro de una bombilla de vidrio evacuada, iluminó la placa con luz de varias frecuencias y registró las corrientes resultantes. Aunque Millikan se había mostrado escéptico, sus observaciones coincidían con las predicciones de Einstein. Einstein recibió el Premio Nobel en 1921 y Millikan lo recibió en 1923. Ni Einstein, Planck ni Millikan llamaron "fotones" a las partículas. Ese término no entró en uso hasta que fue acuñado por el físico de Berkeley Gilbert Lewis en 1929.