תוֹכֶן
אלברט איינשטיין זוכר בגלל תורת היחסות והמשוואה שמשווה מסה ואנרגיה, אך אף הישג לא זכה בו בפרס נובל. את הכבוד הזה קיבל על עבודתו התיאורטית בפיזיקה קוונטית. איינשטיין פיתח רעיונות שפיתח הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק והציע כי האור מורכב מחלקיקים נפרדים. הוא ניבא כי הזרחת אור על משטח מתכת מוליך תייצר זרם חשמלי, וניבוי זה הוכח במעבדה.
טבעו הכפול של האור
סר אייזק ניוטון, המתאר את התנהגות האור המופרעת על ידי פריזמה, הציע כי האור מורכב מחלקיקים. הוא חשב כי עקיפה נגרמה מכיוון שהחלקיקים האטו כשנוסעים במדיה צפופה.מאוחר יותר פיסיקאים נטו לעבר התפיסה כי האור הוא גל. סיבה אחת לכך הייתה שאור בהיר דרך שני חריצים מייצר בו זמנית דפוס הפרעות, דבר אפשרי רק עם גלים. כשפרסם ג'יימס קלרק מקסוול את תיאוריית האלקטרומגנטיות שלו בשנת 1873, הוא ביסס את המשוואות על אופי הגל של חשמל, מגנטיות ואור - תופעה קשורה.
הקטסטרופה האולטרה סגולה
האלגנטיות של משוואות מקסוולס היא עדות חזקה לתיאוריית הגלים של העברת האור, אך מקס פלאנק קיבל השראה להפריך את התיאוריה הזו כדי להסביר את ההתנהגות שנצפתה בעת חימום "קופסה שחורה", שהיא אחת ממנה שום אור לא יכול לברוח. על פי ההבנות של דינמיקת הגלים, התיבה צריכה להקרין כמות אינסופית של קרינה אולטרה סגולה כאשר היא מחוממת. במקום זאת, הוא הקרין בתדרים נפרדים - אף אחד מהם אינסופי. בשנת 1900 קידם פלאנק את הרעיון כי אנרגיית האירוע "כמתה" במנות נפרדות כדי להסביר תופעה זו, שכונתה כקטסטרופה האולטרה-סגולה.
האפקט הפוטואלקטרי
אלברט איינשטיין לקח ללב רעיונות של פלאנקס, ובשנת 1905 פרסם מאמר שכותרתו "על נקודת מבט היוריסטית ביחס לייצור ושינוי אור", בו השתמש בהם כדי להסביר את האפקט הפוטואלקטרי, שנצפה לראשונה על ידי היינריך הרץ בשנת 1887. לדברי איינשטיין, אירוע אור על משטח מתכת יוצר זרם חשמלי מכיוון שחלקיקי אור שולפים אלקטרונים מהאטומים המרכיבים את המתכת. האנרגיה של הזרם צריכה להשתנות בהתאם לתדר - או לצבע - של האור שקורה, ולא לפי עוצמת האור. רעיון זה היה מהפכני בקהילה מדעית שבה משוואות מקסוולס היו מבוססות היטב.
תיאוריית איינשטיינס מאומתת
הפיזיקאי האמריקני רוברט מיליקן לא היה משוכנע בתחילה בתאוריות איינשטיין, והוא תכנן ניסויים מדוקדקים לבחינתם. הוא הציב לוח מתכת בתוך נורת זכוכית מפונה, האיר אור בתדרים שונים על הצלחת ותיעד את הזרמים שהתקבלו. למרות שמיליקן היה ספקן, תצפיותיו הסכימו עם תחזיותיו של איינשטיין. אינשטיין קיבל את פרס נובל בשנת 1921 ומיליקן קיבל אותו בשנת 1923. לא איינשטיין, פלאנק ולא מיליקן לא כינו את החלקיקים "פוטונים". מונח זה לא נכנס לשימוש עד שטבע אותו הפיזיקאי של ברקלי גילברט לואיס בשנת 1929.