Albert Einstein è ricordato per la teoria della relatività e l'equazione che equipara massa ed energia, ma nessuno dei due ha vinto il premio Nobel. Ha ricevuto quell'onore per il suo lavoro teorico in fisica quantistica. Sviluppando idee avanzate dal fisico tedesco Max Planck, Einstein propose che la luce fosse composta da particelle discrete. Ha predetto che una luce splendente su una superficie metallica conduttiva creerebbe una corrente elettrica, e questa previsione è stata dimostrata in laboratorio.

La doppia natura della luce

Sir Isaac Newton, che descrive il comportamento di luce diffratta da un prisma, propose che la luce fosse composta di particelle. Pensava che la diffrazione fosse causata dal rallentamento delle particelle quando viaggiavano attraverso mezzi densi. I fisici successivi tendevano a considerare la luce come un'onda. Una ragione di ciò è che la luce splendente attraverso due fenditure produce immediatamente uno schema di interferenza, che è possibile solo con le onde. Quando James Clerk Maxwell pubblicò la sua teoria dell'elettromagnetismo nel 1873, basò le equazioni sulla natura ondulatoria dell'elettricità, del magnetismo e della luce - un fenomeno correlato.

La catastrofe ultravioletta

L'eleganza delle equazioni di Maxwell è una forte prova per la teoria ondulatoria della trasmissione della luce, ma Max Planck è stato ispirato a confutare quella teoria per spiegare il comportamento osservato quando si riscalda una "scatola nera", che è una da cui nessuna luce può sfuggire. Secondo la comprensione della dinamica delle onde, la scatola dovrebbe irradiare una quantità infinita di radiazioni ultraviolette quando viene riscaldata. Invece, si irradiava in frequenze discrete, nessuna delle quali infinita. Nel 1900, Planck avanzò l'idea che l'energia incidente fosse "quantizzata" in pacchetti discreti per spiegare questo fenomeno, che era noto come la catastrofe ultravioletta.

L'effetto fotoelettrico

Albert Einstein prese Planck idee al cuore, e nel 1905 pubblicò un documento dal titolo "Su un punto di vista euristico riguardante la produzione e la trasformazione della luce", in cui li usò per spiegare l'effetto fotoelettrico, osservato per la prima volta da Heinrich Hertz nel 1887. Secondo Einstein, la luce incidente su una superficie metallica crea una corrente elettrica perché le particelle di luce scaricano gli elettroni dagli atomi che compongono il metallo. L'energia della corrente dovrebbe variare in base alla frequenza o al colore della luce incidente, non in base all'intensità della luce. Questa idea era rivoluzionaria in una comunità scientifica in cui le equazioni di Maxwell erano ben stabilite.

La teoria di Einstein verificata

Il fisico americano Robert Millikan non era convinto delle teorie di Einstein all'inizio, e ideò esperimenti accurati per testarli. Posò una lastra di metallo all'interno di una lampadina di vetro evacuata, illuminò varie frequenze sul piatto e registrò le correnti risultanti. Sebbene Millikan fosse stato scettico, le sue osservazioni concordavano con le previsioni di Einstein. Einstein ricevette il premio Nobel nel 1921 e Millikan lo ricevette nel 1923. Né Einstein, Planck né Millikan chiamarono le particelle "fotoni". Quel termine non è entrato in uso fino a quando non è stato coniato dal fisico Berkeley Gilbert Lewis nel 1929.