Альберта Эйнштейна помнят за теорию относительности и уравнение, которое уравнивает массу и энергию, но ни одно из достижений не принесло ему Нобелевской премии. Он получил эту награду за свои теоретические работы в области квантовой физики. Развивая идеи немецкого физика Макса Планка, Эйнштейн предположил, что свет состоит из дискретных частиц. Он предсказал, что яркий свет на проводящей металлической поверхности вызовет электрический ток, и это предсказание было подтверждено в лаборатории.
Двойственная природа света
Сэр Исаак Ньютон, описывая поведение света, дифрагированного призмой, предположил, что свет состоит из частиц. Он думал, что дифракция была вызвана тем, что частицы замедлялись при перемещении через плотную среду. Позднее физики склонились к мнению, что свет - это волна. Одна из причин этого заключалась в том, что свет, проходящий через две щели одновременно, создает интерференционную картину, которая возможна только с волнами. Когда Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электромагнетизма в 1873 году, он основал уравнения на волновой природе электричества, магнетизма и света - связанном с этим явлении.
Ультрафиолетовая катастрофа
Элегантность уравнений Максвелла является убедительным доказательством волновой теории светопропускания, но Макс Планк был вдохновлен опровергнуть эту теорию для объяснения поведения, наблюдаемого при нагревании «черного ящика», из которого свет не может побег. Согласно представлениям о волновой динамике, ящик должен излучать бесконечное количество ультрафиолетового излучения при нагревании. Вместо этого он излучал дискретные частоты - ни одна из них не бесконечна. В 1900 году Планк выдвинул идею о том, что падающая энергия «квантовалась» дискретными пакетами, чтобы объяснить это явление, известное как ультрафиолетовая катастрофа.
Фотоэлектрический эффект
Альберт Эйнштейн принял идеи Планка близко к сердцу и в 1905 году опубликовал статью, озаглавленную «Об эвристической точке зрения на Производство и преобразование света », в котором он использовал их для объяснения фотоэлектрического эффекта, впервые обнаруженного Генрихом Герцем в 1887. Согласно Эйнштейну, свет, падающий на металлическую поверхность, создает электрический ток, потому что легкие частицы выбивают электроны из атомов, составляющих металл. Энергия тока должна изменяться в зависимости от частоты или цвета падающего света, а не в зависимости от интенсивности света. Эта идея была революционной в научном сообществе, в котором уравнения Максвелла были хорошо известны.
Теория Эйнштейна подтверждена
Американский физик Роберт Милликен сначала не был убежден в теориях Эйнштейна и разработал тщательные эксперименты, чтобы проверить их. Он поместил металлическую пластину в вакуумированную стеклянную колбу, посветил на пластину светом различной частоты и записал результирующие токи. Хотя Милликен был настроен скептически, его наблюдения совпадали с предсказаниями Эйнштейна. Эйнштейн получил Нобелевскую премию в 1921 году, а Милликен получил ее в 1923 году. Ни Эйнштейн, ни Планк, ни Милликен не называли частицы «фотонами». Этот термин не использовался до тех пор, пока он не был изобретен физиком из Беркли Гилбертом Льюисом в 1929 году.