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1902年夏，爱因斯坦在瑞士专利局中开始了他著名的工作。在最初的几年里他主要致力于热力学与统计力学方面的研究。他首次发表的文章就如同包括普朗克在内的前辈科学家那样按传统方式处理同样的问题。但是，就在他第一篇文章中，在公开引用普朗克黑体辐射谱的想法时（发表于1904年），他就另辟天地，发展出他自己的解决科学问题的新方式。马丁·克莱茵叙述道，爱因斯坦是第一个严肃对待普朗克公式的物理含义的人，他不把它当作数学技巧看待。
爱因斯坦1904年的论文中的另一个突破性的一点与普朗克的工作有关，是对19世纪末菲利浦·雷纳德（Phillip Lenard）和J.J.汤姆逊各自独立发现的光电效应的研究。雷纳德1862年生于现在称之为捷克斯洛伐克的那部分匈牙利地区，1905年因其对阴极射线方面的工作获得了获诺贝尔奖。在他进行的实验中，特别的是他在1899年发现在真空管中当光照向金属表面时，能产生阴极射线（电子）。光的能量以某种方式使电子从金属中跳出来。
雷纳德使用的是单色光，也就是说所有的光波均具有同样的频率。他想找出光强度对出射电子的影响，发现了一个惊人的结果。使用强一些的光（实际上他是将光移近金属，效果相同），即在每平方厘米金属表面上照射更多的能量，如果电子能得到更多的能量，那么，它应该更快地被击出金属表面，以更大的速度飞行。但是雷纳德发现，只要光的波长保持不变，所有出射的电子飞出的速度都是相同的。将光移近金属表面能产生更多的受激电子，但每个电子的速度仍保持与同样颜色的弱光时的速度相同。另一方面，使用更高频率的光（比如说用紫光替代兰光或红光做实验）照射时，电子确实走得更快些。
只要你准备好愿意放弃固有的经典物理的观点将普朗克方程看作是具有物理意义的，就很容易解释这一点。只要看看在雷纳德光电效应方面的工作及普朗克引入黑体辐射量子化以后的五年时间中，无人迈出这似乎简单的一步，就能知道这一步是何等的重要。实际上，所有爱因斯坦做的就是将方程E=hυ用到电磁辐射上来替代原子中的小振子。他说光不是连续的波（可100年来科学家们都认为是），而是以确定形式的波包或量子存在。具有特定频率υ的光（意味着具有特定的颜色）存在于具有同样能量E的波包中。光量子每次撞击电子时，它将同样大小的能量传给电子，因此，所有电子都具有同样的速度。光更强些仅意味着有更多具有同样能量的光量子，（如今我们称之为光子），但是改变光的颜色也就改变了它的频率，因此，也就改变了每个光子所带的能量。
这就是1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖的工作。又一次证明了理论上的突破必须等待对事物较全面的认知。光子观点未得到立即认可，虽然总体说来，雷纳德的实验是和光子理论一致的，直到10年后，该理论预言的速度与光的波长之间的精确关系被实验证实以后才得以认可。此实验是由美国实验物理学家罗伯特·密立根（Robert Millikan）做的，而且在此过程中还发展出一个精确测定普朗克常数的方法。就是因为这个工作及其电子电荷的精确测定，1923年密立根获得诺贝尔物理学奖。
爱因斯坦在那几年之中特别忙。一篇文章使他获得了诺贝尔奖；另一篇又在总体上证实了原子的真实性；第三篇产生了使他最为出名的理论——相对论。在同一年，几乎是无意地又忙于完成关于分子尺寸大小的工作，他将那篇文章提交苏黎世大学作为博士论文。在1906年1月他获得了博士学位。虽然当时物理学博士学位并没有像现在这样对于科研生涯那么关键，1905年那三篇巨作出自于当时只能将自己名字签为“Mr.”的爱因斯坦之手，还是很特别的。
在接下来的几年里，爱因斯坦继续从事于将普朗克的量子论用于其他物理领域的工作。他发现量子观点可以解决热容理论中长期未能解决的问题（热容是让固定质量的物质温度上升特定的振动方式，这些振动实际上量子化的）。这是一个不太吸引人眼球的领域，在爱因斯坦的工作中也常常被忽视，可是物质的量子论比爱因斯坦的辐射量子论更快地获得了认可，可以说服许多旧式物理学家正确地看待量子观点。爱因斯坦在直到1911年的这段时间中完善了他的量子辐射理论，确认光的量子结构是普朗克方程不可避免的含意。它指向一个真实的科学世界——要更深入地理解光必须包含波和粒子这个自从17世纪以来一直对抗的理论。到1911年，他的思路转向别处。他确信量子是真实的，他自己的观念都是这么定位的。他的兴趣是引力问题，到1916年这5年中他创立了他所有工作中最伟大的工作——广义相对论。直到1923年，才毫无疑义地确立了光的量子本性，这又引起波和粒子的争论，这种争论改变了量子理论，促使了现代理论——量子力学的产生。更多想法都集中在这一点上了。在爱因斯坦从这个课题转开的10年中，正是量子理论最初的繁荣时期。这来自卢瑟福模型的启迪，也主要来自丹麦科学家尼尔斯·玻尔的贡献，他曾在曼彻斯特跟随卢瑟福工作。在玻尔形成他的原子模型之后，再也没有人疑惑量子理论作为描述微观世界的价值了。