Albert Einstein jest pamiętany z teorii względności i równania, które zrównuje masę i energię, ale żadne z osiągnięć nie przyniosło mu Nagrody Nobla. Otrzymał to wyróżnienie za pracę teoretyczną w fizyce kwantowej. Rozwijając pomysły opracowane przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka, Einstein zaproponował, że światło składa się z dyskretnych cząstek. Przewidywał, że światło padające na przewodzącą metalową powierzchnię wytworzy prąd elektryczny, co zostało potwierdzone w laboratorium.
Podwójna natura światła
Sir Isaac Newton, opisując zachowanie światła ugiętego przez pryzmat, zaproponował, że światło składa się z cząstek. Uważał, że dyfrakcja jest spowodowana spowolnieniem cząstek podczas podróży przez gęste ośrodki. Późniejsi fizycy skłaniali się ku poglądowi, że światło jest falą. Jednym z powodów było to, że światło przechodzące przez dwie szczeliny jednocześnie tworzy wzór interferencyjny, który jest możliwy tylko w przypadku fal. Kiedy James Clerk Maxwell opublikował swoją teorię elektromagnetyzmu w 1873 roku, oparł równania na falowej naturze elektryczności, magnetyzmu i światła – zjawisku pokrewnym.
Katastrofa ultrafioletowa
Elegancja równań Maxwella jest mocnym dowodem na falową teorię transmisji światła, ale Max Planck został zainspirowany obalić tę teorię, aby wyjaśnić zachowanie obserwowane podczas ogrzewania „czarnej skrzynki”, czyli takiej, z której żadne światło nie może; ucieczka. Zgodnie z rozumieniem dynamiki fal, skrzynka powinna emitować nieskończoną ilość promieniowania ultrafioletowego po podgrzaniu. Zamiast tego promieniował w dyskretnych częstotliwościach – żadna z nich nie była nieskończona. W 1900 r. Planck wysunął ideę, że energia padająca jest „skwantowana” w dyskretnych pakietach, aby wyjaśnić to zjawisko, znane jako katastrofa w ultrafiolecie.
Efekt fotoelektryczny
Albert Einstein wziął sobie do serca idee Plancka i w 1905 opublikował artykuł zatytułowany „On a heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”, w którym wykorzystał je do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, po raz pierwszy zaobserwowanego przez Heinricha Hertza w 1887. Według Einsteina światło padające na powierzchnię metalu wytwarza prąd elektryczny, ponieważ cząstki światła wybijają elektrony z atomów tworzących metal. Energia prądu powinna zmieniać się w zależności od częstotliwości - lub koloru - padającego światła, a nie od natężenia światła. Pomysł ten był rewolucyjny w środowisku naukowym, w którym równania Maxwella były dobrze ugruntowane.
Zweryfikowana teoria Einsteina
Amerykański fizyk Robert Millikan początkowo nie był przekonany do teorii Einsteina i opracował staranne eksperymenty, aby je przetestować. Umieścił metalową płytkę wewnątrz pustej szklanej bańki, oświetlił płytkę światłem o różnych częstotliwościach i zarejestrował wypadkowe prądy. Chociaż Millikan był sceptyczny, jego obserwacje zgadzały się z przewidywaniami Einsteina. Einstein otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 roku, a Millikan otrzymał ją w 1923 roku. Ani Einstein, Planck ani Millikan nie nazywali tych cząstek fotonami. Termin ten nie wszedł w życie, dopóki nie został wymyślony przez fizyka z Berkeley Gilberta Lewisa w 1929 roku.