עד 1904 כתב אינשטיין שלושה מאמרים שעסקו בסטטיסטיקה מכנית ובשדות אלקטרומגנטיים, שלא הרשימו את הקהילה הפיזיקלית. אבל במרוצת 1905 הוא פירסם ארבעה מאמרים מהפכניים, שהראשון בהם עסק בתוצא הפוטו־אלקטרי. מניסויים קודמים של היינריך הרץ בשנת 1888, נמצא שכאשר משגרים אלומת אור אחיד (בעל אותו אורך גל) לעבר לוח מתכת, נפלטים ממנו אלקטרונים, אבל – במפתיע – האנרגיה שלהם אינה מושפעת מעוצמת האור, אלא מאורך הגל שלו. ככל שאורך הגל קטן יותר (לכיוון אור סגול) גדלה האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים, ואילו ככל שאורך הגל גדול יותר (לכיוון אור אדום), מספר האלקטרונים הנפלטים נמוך (אם בכלל) ודל אנרגיה, גם כאשר מגדילים את עוצמת האור. תוצא זה לא התיישב עם המבנה הגלי של האור.

את ההסבר לדיסוננס זה סיפק אינשטיין בספרון קטן שחיבר עם ליאופולד אינפלד¹. כאשר מאירים לוח מתכת באור אחיד ומגבירים את עוצמתו, כתבו השניים, “מן הדין לצפות שמהירות האלקטרונים העקורים תגדל עם עוצמתו של האור. אך הניסוי סותר את הנבואה שלנו. […] התוצאה הניסיונית, כמו שהיא, מפתיעה מנקודת הראות של תורת הגלים. האלקטרונים בתצפיותינו נעים כולם באותה מהירות. לכולם אותה אנרגיה שאינה משתנה עם הגדלת עוצמתו של האור. […] ברור שמתוך תאוריית הגלים אין אנו יכולים להסביר כיצד זה אנרגיית האלקטרונים אינה תלויה בעוצמתו של האור”. כדי להשתכנע בכך די להסתכל על גלים הנשברים על מזח של אבני חצץ. ברור לכל שככל שהגלים מתעצמים, כן גדלה מהירותן של אבני החצץ הניתזות מהמזח.

אינשטיין ניגש לבעיה זו מזווית שונה. בניגוד לדעה הרווחת, הוא הניח שהאור הוא בעל מבנה גופיפי, ברוח סברתו של ניוטון, אבל ייחס לו אופן פעולה קוואנטי, משל היה עשוי מנות בדידות של אנרגיה, בדומה לקוואנטות הקרינה של גוף שחור (שעליהן הצביע מקס פלנק חמש שנים קודם לכן). אינשטיין הניח שהאלקטרון יכול לבלוע בכל זמן נתון רק מנת אור אחת (פוטון). הואיל וכך, אנרגיית האלקטרון נעשית תלויה ברמת האנרגיה של הפוטון שפגע בו, ומאחר שבאלומות אור אחידה יש לכל הפוטונים אותה רמת אנרגיה, אזי גם לכל האלקטרונים העקורים צריכה להיות אותה רמת אנרגיה. על פי התפישה החלקיקית של האור, אומרים אינשטיין ואינפלד, “הגדלת עוצמתו של האור פירושה […] הגדלת מספר הפוטונים המתנגשים. במקרה זה יגדל מספר האלקטרונים שייעקרו מתוך לוח המתכת”, אך האנרגיה שלהם לא תשתנה. מכאן ניתן להבין מדוע העצמתה (קרי, הגדלת מספר הפוטונים) של אלומת אור אדום (דל האנרגיה) אינה מעלה בהכרח את מספר האלקטרונים הנעקרים מלוח המתכת, לא כל שכן מדוע אין בה כדי להעניק להם אנרגיה יתרה. הניגוד בין שתי התפישות היה חד וברור: על פי התפישה הגלית אור אחיד הוא בעל אורך גל מסוים, ואילו על פי התפישה הקוואנטית אור אחיד הוא אלומה של פוטונים בעלי אנרגיה מסוימת.

טענתו של אינשטיין בדבר אופיו הקוואנטי של האור חוללה זעזוע עמוק בקהילת הפיזיקאים. למן המאה השבע־עשרה איבדה התאוריה הגופיפית (מבית מדרשם של דקארט וניוטון) בהדרגה את תומכיה. כבר בני דורו של ניוטון, רוברט הוק וכריסטיאן הויגנס, העלו טענות משכנעות בעד המבנה הגלי של האור. אמנם הויגנס נדרש בטיעוניו לאֶתֶר כתווך לגלים, אבל יש לזכור שגם רבים וטובים אחריו עשו שימוש בחומר ערטילאי זה כדי להסביר את התפשטות גלי האור. ניסוייו המבריקים של תומס יאנג (1801) ועבודתו התאורטית של אוגוסטין פרנל אישרו את התזה שלו. יאנג הוכיח באורח נחרץ כי אלומות אור מגלה תכונות של עקיפה והתאבכות, כגל מים לכל דבר. ואז בא הניסוי של זַ’ן פוקו (1850), שמדד את השוני במהירות האור במים ובאוויר, ונעץ את המסמר האחרון בארון הקבורה של תאוריית האור החלקיקית. אם נותר למישהו ספק כלשהו בסוגיה זו, סיפק ג’יימס קלרק מקסוול אישור משכנע לתורה הגלית של יאנג, כאשר איחד (1862) את התופעות המגנטיות עם התופעות החשמליות לכוח אחד, בעל מבנה פעולה גלי: הכוח האלקטרומגנטי.

מאמרו של אינשטיין הציב אפוא את הפיזיקאים בפני דילמה קשה: על פי פוקו, יאנג ומקסוול יש לאור מבנה גלי, ואילו על פי אינשטיין הוא בעל מבנה חלקיקי. היתה זו סתירה רבתי, שהפיזיקאים התקשו לסכון עמה. גל הוא מבנה רציף והמשכי, ואילו אלומת חלקיקים היא מבנה מקוטע המורכב מגופיפים בדידים. שני התיאורים לא התיישבו זה עם זה. אף על פי כן, אינשטיין עמד על דעתו ששניהם נכונים: האור מציג תכונה גלית כאשר אלומתו מרוכזת, ותכונה חלקיקית כאשר אלומתו דלילה. כבר ב־1909 הוא העריך כי צפויה לקום תאוריה חדשה של האור, אשר תאחד את התפישה הגלית עם התפישה החלקיקית ותוכיח בכך ששתי התאוריות אינן סותרות בהכרח. אולם אינשטיין לא חזה כי אחד ממופעיה היותר מוזרים של מכניקת הקוואנטים יציב אותו מול עובדה בלתי נתפשת בשכל הישר: פוטון יחיד המציג תכונה גלית. ההיבט העמוק הזה של שניות החומר נחת על אינשטיין בהפתעה גמורה.

שום תגלית אחרת של אינשטיין לא קוממה עליו פיזיקאים רבים כל כך, זמן רב כל כך, כמו קביעתו שהאור מורכב ממנות בדידות (קוואנטות). יתרה מזאת, אינשטיין ראה בקוואנטות אלה חלקיקי יסוד ממשיים, שמהם עשויים כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית והרדיואקטיבית, באותו מובן שהחומר עשוי מאטומים. פלנק, האיש שחשף ב־1900 את המבנה הקוואנטי של פליטת אנרגיה מגופים שחורים לוהטים, התייחס לקוואנטות שלו כאל גורמים סטטיסטיים והיפותטיים ולאו דווקא קונקרטיים, וסבר שאינשטיין הרחיק לכת בהחלת המבנה החלקיקי על גלי האור ועל כלל הקרינה האלקטרומגנטית. לא בכדי הוא כינה את ההגבלה שהחיל על האטום, לפלוט אנרגיה במנות בדידות, “צעד של ייאוש”. ואמנם, העלאת התאוריה החלקיקית של האור כמעט הכשילה את חברותו של אינשטיין באקדמיה הפרוסית למדעים. הוועדה, שדנה ב־1913 במועמדותו, המליצה לקבלו על סמך הישגיו המפוארים בתחום הפיזיקה, למרות מה שכינתה “הספקולציה הלא מוצלחת שלו” בדבר האופי הגופיפי של האור².

רוברט אנדרוז מיליקן הקדיש עשר שנים מחייו לבדיקת השערתו של אינשטיין. ב־1915 הוא נאלץ להסכים לה, בניגוד לדעתו, מפני שהיא שסתרה את התופעה הידועה לכל של התאבכות האור. ב־1923 אישר ארתור קומפטון סופית את פרשנותו של אינשטיין לתוצא הפוטו־אלקטרי, אבל עוד קודם לכן השלים הממסד הפיזיקלי עם הרעיון הגופיפי, וזיכה את הפוטון בהכרה כחלקיק היסודי של האור. ב־1921 הוענק לאינשטיין פרס נובל לפיזיקה על תרומותיו לפיזיקה התאורטית, שבמרכזן – אכן כן – הסברו לתוצא הפוטו־אלקטרי. בהרצאה שנשא הפיזיקאי ויקטור ויסקופף (Weisskopf) באקדמיה המדעית של הוותיקן ב־1979, ליום הולדתו המאה של אינשטיין, הצביע על השניות בין גלים לחלקיקים כעל אחד משלושת הישגיו הגדולים. אינשטיין היה מודע למשמעויות הרבות של פרשנותו, אבל לא רווה נחת מהתמונה שנחשפה לעיניו. בשנת 1951 כתב לאחד ממקורביו, כי חמישים שנות התעמקות בנושא לא קירבו אותו לתשובה מהן הקוואנטות של האור. לבטח לא שיער בראשית דרכו, כי קוואנטות אלה הן הסנוניות של תורה פיזיקלית חדשה, שתנכר אותו מהפיזיקה המודרנית, וכי הן עתידות להיות הסוס הטרויאני שבאמצעותו תסלק מכניקת הקוואנטים את הוודאות והסיבתיות מהטבע ותחדיר במקומן את אי־הוודאות ואת האקראיות.