Albert Einstein è ricordato per la teoria della relatività e l'equazione che eguaglia massa ed energia, ma nessuno dei due successi gli è valso il premio Nobel. Ha ricevuto questo onore per il suo lavoro teorico in fisica quantistica. Sviluppando idee avanzate dal fisico tedesco Max Planck, Einstein propose che la luce fosse composta da particelle discrete. Ha predetto che la luce brillante su una superficie metallica conduttrice avrebbe creato una corrente elettrica, e questa previsione è stata dimostrata in laboratorio.
La doppia natura della luce
Sir Isaac Newton, descrivendo il comportamento della luce diffratta da un prisma, propose che la luce fosse composta da particelle. Pensava che la diffrazione fosse causata dal rallentamento delle particelle quando viaggiavano attraverso mezzi densi. I fisici successivi tendevano a ritenere che la luce fosse un'onda. Uno dei motivi era che la luce che brilla attraverso due fessure contemporaneamente produce un modello di interferenza, che è possibile solo con le onde. Quando James Clerk Maxwell pubblicò la sua teoria dell'elettromagnetismo nel 1873, basò le equazioni sulla natura ondulatoria dell'elettricità, del magnetismo e della luce, un fenomeno correlato.
La catastrofe ultravioletta
L'eleganza delle equazioni di Maxwell è una forte evidenza per la teoria ondulatoria della trasmissione della luce, ma Max Planck è stato ispirato confutare quella teoria per spiegare il comportamento osservato quando si riscalda una "scatola nera", che è una da cui nessuna luce può fuga. Secondo la comprensione della dinamica delle onde, la scatola dovrebbe irradiare una quantità infinita di radiazioni ultraviolette quando riscaldata. Invece, irradiava frequenze discrete, nessuna infinita. Nel 1900, Planck avanzò l'idea che l'energia incidente fosse "quantizzata" in pacchetti discreti per spiegare questo fenomeno, noto come catastrofe ultravioletta.
L'effetto fotoelettrico
Albert Einstein prese a cuore le idee di Planck e nel 1905 pubblicò un articolo intitolato "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light", in cui li usò per spiegare l'effetto fotoelettrico, osservato per la prima volta da Heinrich Hertz in 1887. Secondo Einstein, la luce incidente su una superficie metallica crea una corrente elettrica perché le particelle di luce espellono gli elettroni dagli atomi che compongono il metallo. L'energia della corrente dovrebbe variare in base alla frequenza - o colore - della luce incidente, non in base all'intensità della luce. Questa idea era rivoluzionaria in una comunità scientifica in cui le equazioni di Maxwell erano ben consolidate.
Verificata la teoria di Einstein
Il fisico americano Robert Millikan all'inizio non era convinto delle teorie di Einstein e ha ideato esperimenti accurati per metterle alla prova. Posò una lastra di metallo all'interno di un bulbo di vetro evacuato, fece brillare la luce di varie frequenze sulla lastra e registrò le correnti risultanti. Sebbene Millikan fosse stato scettico, le sue osservazioni concordavano con le previsioni di Einstein. Einstein ricevette il premio Nobel nel 1921 e Millikan lo ricevette nel 1923. Né Einstein, né Planck né Millikan chiamavano le particelle "fotoni". Quel termine non è entrato in uso fino a quando non è stato coniato dal fisico di Berkeley Gilbert Lewis nel 1929.