On se souvient d'Albert Einstein pour la théorie de la relativité et l'équation qui équivaut à la masse et à l'énergie, mais aucune de ces réalisations ne lui a valu le prix Nobel. Il a reçu cet honneur pour ses travaux théoriques en physique quantique. Développant les idées avancées par le physicien allemand Max Planck, Einstein a proposé que la lumière soit composée de particules discrètes. Il a prédit que la lumière brillante sur une surface métallique conductrice créerait un courant électrique, et cette prédiction a été prouvée en laboratoire.
La double nature de la lumière
Sir Isaac Newton, décrivant le comportement de la lumière diffractée par un prisme, a proposé que la lumière soit composée de particules. Il pensait que la diffraction était due au fait que les particules ralentissaient lorsqu'elles traversaient des milieux denses. Plus tard, les physiciens pensaient que la lumière était une onde. L'une des raisons en était que la lumière brillante à travers deux fentes à la fois produit un motif d'interférence, ce qui n'est possible qu'avec des ondes. Lorsque James Clerk Maxwell a publié sa théorie de l'électromagnétisme en 1873, il a basé les équations sur la nature ondulatoire de l'électricité, du magnétisme et de la lumière - un phénomène connexe.
La catastrophe ultraviolette
L'élégance des équations de Maxwell est une preuve solide de la théorie ondulatoire de la transmission de la lumière, mais Max Planck s'est inspiré réfuter cette théorie pour expliquer le comportement observé lors du chauffage d'une « boîte noire », qui est une boîte à partir de laquelle aucune lumière ne peut s'échapper. Selon la compréhension de la dynamique des ondes, la boîte devrait émettre une quantité infinie de rayonnement ultraviolet lorsqu'elle est chauffée. Au lieu de cela, il rayonnait dans des fréquences discrètes - aucune d'entre elles n'est infinie. En 1900, Planck a avancé l'idée que l'énergie incidente était « quantifiée » en paquets discrets pour expliquer ce phénomène, connu sous le nom de catastrophe ultraviolette.
L'effet photoélectrique
Albert Einstein prit à cœur les idées de Planck et, en 1905, il publia un article intitulé "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production et transformation de la lumière", dans lequel il les utilise pour expliquer l'effet photoélectrique, observé pour la première fois par Heinrich Hertz dans 1887. Selon Einstein, la lumière incidente sur une surface métallique crée un courant électrique parce que les particules lumineuses éliminent les électrons des atomes qui composent le métal. L'énergie du courant doit varier en fonction de la fréquence - ou de la couleur - de la lumière incidente, et non en fonction de l'intensité de la lumière. Cette idée était révolutionnaire dans une communauté scientifique où les équations de Maxwell étaient bien établies.
La théorie d'Einstein vérifiée
Le physicien américain Robert Millikan n'était pas convaincu des théories d'Einstein au début, et il a conçu des expériences minutieuses pour les tester. Il a placé une plaque de métal à l'intérieur d'une ampoule de verre sous vide, a projeté une lumière de différentes fréquences sur la plaque et a enregistré les courants résultants. Bien que Millikan ait été sceptique, ses observations étaient en accord avec les prédictions d'Einstein. Einstein a reçu le prix Nobel en 1921 et Millikan l'a reçu en 1923. Ni Einstein, ni Planck ni Millikan n'ont appelé les particules "photons". Ce terme n'a été utilisé qu'après avoir été inventé par le physicien de Berkeley Gilbert Lewis en 1929.