Albert Einstein wordt herinnerd voor de relativiteitstheorie en de vergelijking die massa en energie gelijkstelt, maar geen van beide prestaties leverde hem de Nobelprijs op. Hij kreeg die eer voor zijn theoretische werk in de kwantumfysica. Einstein ontwikkelde ideeën van de Duitse natuurkundige Max Planck en stelde voor dat licht uit discrete deeltjes bestond. Hij voorspelde dat het schijnen van licht op een geleidend metalen oppervlak een elektrische stroom zou veroorzaken, en deze voorspelling werd bewezen in het laboratorium.
De dubbele aard van licht
Sir Isaac Newton beschreef het gedrag van licht dat door een prisma wordt afgebogen en stelde voor dat licht uit deeltjes bestond. Hij dacht dat diffractie werd veroorzaakt doordat de deeltjes langzamer gingen als ze door dichte media reisden. Latere natuurkundigen neigden naar de opvatting dat licht een golf was. Een reden hiervoor was dat het schijnen van licht door twee spleten tegelijk een interferentiepatroon oplevert, wat alleen mogelijk is met golven. Toen James Clerk Maxwell in 1873 zijn theorie van elektromagnetisme publiceerde, baseerde hij de vergelijkingen op de golfachtige aard van elektriciteit, magnetisme en licht - een verwant fenomeen.
De ultraviolette catastrofe
De elegantie van de vergelijkingen van Maxwell is een sterk bewijs voor de golftheorie van lichttransmissie, maar Max Planck werd geïnspireerd om die theorie te weerleggen om het gedrag te verklaren dat wordt waargenomen bij het verwarmen van een 'zwarte doos', een doos waar geen licht uit kan ontsnappen. Volgens de inzichten van de golfdynamica moet de doos bij verwarming een oneindige hoeveelheid ultraviolette straling uitstralen. In plaats daarvan straalde het in discrete frequenties uit - geen van hen oneindig. In 1900 bracht Planck het idee naar voren dat de invallende energie werd "gekwantiseerd" in discrete pakketten om dit fenomeen te verklaren, dat bekend stond als de ultraviolette catastrofe.
Het foto-elektrisch effect
Albert Einstein nam Plancks ideeën ter harte en in 1905 publiceerde hij een paper getiteld "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light", waarin hij ze gebruikte om het foto-elektrische effect te verklaren, dat voor het eerst werd waargenomen door Heinrich Hertz in 1887. Volgens Einstein creëert licht dat op een metalen oppervlak valt een elektrische stroom omdat lichtdeeltjes elektronen uit de atomen slaan waaruit het metaal bestaat. De energie van de stroom moet variëren volgens de frequentie - of kleur - van het invallende licht, niet volgens de intensiteit van het licht. Dit idee was revolutionair in een wetenschappelijke gemeenschap waarin de vergelijkingen van Maxwell goed ingeburgerd waren.
Einsteins theorie geverifieerd
De Amerikaanse natuurkundige Robert Millikan was aanvankelijk niet overtuigd van de theorieën van Einstein en bedacht zorgvuldige experimenten om ze te testen. Hij plaatste een metalen plaat in een geëvacueerde glazen bol, scheen licht van verschillende frequenties op de plaat en registreerde de resulterende stromen. Hoewel Millikan sceptisch was geweest, kwamen zijn waarnemingen overeen met Einsteins voorspellingen. Einstein ontving de Nobelprijs in 1921 en Millikan ontving deze in 1923. Noch Einstein, Planck noch Millikan noemden de deeltjes 'fotonen'. Die term kwam pas in gebruik toen hij in 1929 werd bedacht door de Berkeley-natuurkundige Gilbert Lewis.