Albert Einstein wordt herinnerd voor de relativiteitstheorie en de vergelijking die massa en energie vergelijkt, maar geen van beide prestaties heeft hem de Nobelprijs opgeleverd. Hij ontving die eer voor zijn theoretische werk in de kwantumfysica. Einstein, die ideeën ontwikkelde van de Duitse natuurkundige Max Planck, stelde voor dat licht bestond uit afzonderlijke deeltjes. Hij voorspelde dat schijnend licht op een geleidend metalen oppervlak een elektrische stroom zou creëren, en deze voorspelling werd in het laboratorium bewezen.

De dubbele aard van licht

Sir Isaac Newton beschreef het gedrag van licht afgebogen door een prisma, stelde voor dat licht uit deeltjes bestond. Hij dacht dat diffractie werd veroorzaakt omdat de deeltjes vertraagden tijdens het reizen door dichte media. Later dachten natuurkundigen naar de opvatting dat licht een golf was. Een van de redenen hiervoor was dat een schijnend licht door twee spleten tegelijk een interferentiepatroon produceert, 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 gerelateerd fenomeen.

The Ultraviolet Catastrophe

De elegantie van Maxwell's vergelijkingen is een sterk bewijs voor de golftheorie van de lichttransmissie, maar Max Planck was geïnspireerd om die theorie te weerleggen om het gedrag te verklaren dat werd waargenomen bij het verwarmen van een "zwarte doos", een bron waaruit geen licht kan ontsnappen. Volgens de inzichten van de golfdynamica moet de doos bij verwarming een oneindige hoeveelheid ultraviolette straling uitstralen. In plaats daarvan straalde het uit in discrete frequenties - geen van hen oneindig. In 1900 kwam Planck op het idee dat de invallende energie in afzonderlijke pakketten "gekwantiseerd" was om dit fenomeen, dat bekend stond als de ultraviolette catastrofe, te verklaren.

Het foto-elektrische effect

Albert Einstein nam Planck's plan ideeën ter harte, en in 1905 publiceerde hij een paper getiteld "On a Heuristic Viewpoint in verband met de productie en transformatie van licht", waarin hij ze gebruikte om het foto-elektrische effect te verklaren, voor het eerst waargenomen door Heinrich Hertz in 1887. Volgens Einstein, licht dat invalt op een metalen oppervlak creëert een elektrische stroom omdat lichtdeeltjes elektronen uit de atomen waaruit het metaal bestaat, kloppen. De energie van de stroom moet variëren afhankelijk van 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.

Einstein's Theorie geverifieerd door

De Amerikaanse natuurkundige Robert Millikan was aanvankelijk niet overtuigd van de theorieën van Einstein en hij 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, waren zijn observaties in overeenstemming met de voorspellingen van Einstein. Einstein ontving de Nobelprijs in 1921 en Millikan ontving het in 1923. Noch Einstein, Planck noch Millikan noemden de deeltjes 'fotonen'. Die term kwam pas in gebruik toen hij in 1929 werd bedacht door Berkeley-fysicus Gilbert Lewis.