自1901年大学毕业后，爱因斯坦每年都在德国莱比锡出版的权威科学刊物《物理学纪事》上发表一篇论文。1905年这一杂志一共发表了他4篇文章，问题不单是数量多，更主要的是这些文章质量之高也是空前的。现在人们只知道爱因斯坦是“相对论”之父，其实他在科学的其他许多领域（包括1905年发表的其他内容的文章）也作出了划时代的贡献。他的这些成果同样对自然科学后来的发展都起了巨大的作用。他本人也说过：“为什么总是在我的相对论上饶费口舌？我还干了其他有用的，或许是更好的事情嘛！”②具体地说，这一年发表的论文有：用统计方法分析原子、分子运动问题以及运动与热之间关系问题的《分子热运动论所要求的平静液体中悬浮粒子的运动》；有关光量子物理学的《有关光的产生和转化的一个试样性观点》；宣告相对论诞生的《论动体的电动力学》，第一次向人类预告有一种震动世界的力量的短文《物体的惯性同它所含的能量有关吗》，这是对前者的补充，从理论上提出了利用原子能的公式。他用这些论文中分量最轻的一篇取得了苏黎世大学哲学博士学位，博士论文的题目《分子大小的新测定法》。这篇论文他是题献给好友格罗斯曼的。
①[法]赫尔内克：《爱因斯坦传》，科学普及出版社1979年版，第36页。
②[美]杜卡斯、霍夫曼编：《爱因斯坦谈人生》，世界知识出版杜1984年版，第24—25页。
从事科学研究实在太苦太苦了，尤其是在他当时那种条件下。由于长期超负荷的拼搏，他在写完这几篇文章之后就病倒了，而且病势很重，一躺就是两个星期。他太劳累了！1947年爱因斯坦读了瓦尔林·怀特发表在《星期六文艺评论》上感人肺腑的文章——《为什么我仍是黑人》后，在给杂志编辑写的信中有这样一段话：
通向人类的真正伟大的道路只有一条——那就是历尽艰苦的道路。如果这种苦难是由囿于世俗传统的社会的盲目和昏庸所造成的话，那么它往往使弱者产生盲目的仇恨，而强者则因此产生高尚的道德力量，这是一种人间罕见的巨大的力量。①
这不正是他自己的生活道路和内心世界的写照吗！爱因斯坦就是完全凭借了这种要为人类探索大自然的秘密的巨大的高尚的道德力量才克服重重困难，取得辉煌的成就的！
历史上有许多本来没有多大意思的事情，当时人为地被捧得很高，有的甚至成了某个国家、某个时期内家喻户晓压倒一切的大事。然而由于它本身毕竟没有多少价值，时间一长也就自然而然地烟消云散，被人们遗忘了。而另一些事恰恰相反，发生时可能默默无闻，被人看作是小事一桩，然而它在历史潮流的荡涤下，却像金子，被越磨越亮，日益放射出它的夺目的光辉。爱因斯坦在1905年发表的这些文章，就属于后者。当时注意到这些论文的重要性的人简直是凤毛麟角，过了好几年情况也没有多少变化。而现在，科学界谁都知道，物理学因爱因斯坦的文章在1905年发生了革命。从此，人类对自然的认识产生了飞跃。
①[美]杜卡斯、霍夫曼编：《爱因斯坦谈人生》，世界知识出版社1984年版，第69页。
证实原子的存在——解开布朗运动之谜
关于物质结构的问题一直是19世纪下半叶物理学家们争论的焦点之一。一些学术权威，如奥斯特瓦尔德和马赫等人，由于受实证论哲学成见的影响，不仅自己不能，还坚持反对别人对物质结构作出科学的解释。因为在他们看来，“存在就是被感觉”，谁能看到分子、原子呢？所以分子、原子是不存在的。他们说：“存在原子吗？存在分子吗？多大？什么样子的？”当时普朗克等人认为就跟天体是实在的一样，原子也是实在的。马赫对此曾气愤地说：“假如相信原子对你是那么重要，那么我就放弃物理学的思想方式，我不愿做一个物理学者，我不愿意留在信徒们的团体里——思想自由对于我更可贵！”①他们甚至迫害不按规定的教学方式，讲物质是由原子组成理论的人。波尔兹曼就是因此而自杀的。
爱因斯坦相信世界是物质的，由原子组成的分子是存在的。这样的观点虽然当时早已有人提出，但他们既无数学基础，又没有任何实验的证明。爱因斯坦就是要用科学的方法来证实原子是存在的。
怎样才能用最有力的证据来说明原子和分子是客观存在的，是物质的真实结构呢？他开始研究分子运动论。早在那些失业的日子里他就开始研究这些问题了。这时，当他坐在专利局办公室里偷偷研究这个问题时，以前在联邦工业大学实验室里，在显微镜下看到的那种奇妙现象一下子浮现到眼前：粒子不规则的、永无止息的运动。其实，这种现象早就被人发现了，只是由于资料的缺乏，他并不知道。
①[苏]里沃夫：《爱因斯坦传》，商务印书馆1963年版，第47页。
1827年，植物学家布朗在观察花粉泡在水里形态有什么改变时，意外地发现一种怪现象，在水一点儿也不动的情况下，花粉就像在水中跳舞一样。他感到很惊讶，在实验报告中记下了这种奇怪的现象，但解释不了，所以一直没有发表它。在他去世后，人们才在他的文件中找到这一搁置了40年的报告，后来这种现象就称为布朗运动。
事后，人们一直设法解释它。也有人对这种现象作了描述。
但爱因斯坦感到，仅仅是对实验观察到的现象的描述是不够的，必须以计算的方法找出其中的规则，给人以科学的解释。他把概率作为热学的数学演算基础，深入研究了运动与热之间的关系问题，用统计学的方法分析了原子和分子运动的问题，终于找到了布朗运动的规律。爱因斯坦发现：热是能量的一种形式，是由不规则的分子运动引起的。爱因斯坦在《分子热运动论所要求的平静液体中悬浮粒子的运动》论文中论证了悬浮粒子的运动速度及其颗粒大小与液体的黏滞系数之间存在着可用实验检验的数量关系：粒子越小，液体温度越高，运动就越激烈。科学地证明了法国物理学家对布朗运动的本质上是正确的解释。现在，根据爱因斯坦测定分子体积的方法，加上布朗运动的公式，可以用精确的数学方法对分子的实际大小和数量进行计算了。
爱因斯坦的工作远远超过了奥地利天才的物理学家波尔兹曼和美国科学家吉布斯的研究结果，从而彻底解开了布朗运动之谜。所有这些都是爱因斯坦独自研究出来的。因此，有人曾评价说：“统计力学方面中所有具有主要特点的新发现都是爱因斯坦搞出来的。”①但由于他手头缺乏充分的科学资料，所以在论文中只是十分谨慎地写道：“可能，这里所讨论的运动就是所谓的布朗分子运动。”在论文最后也表示希望实验物理学家能用实验证实这一理论。
①[法]赫尔内克：《爱因斯坦传》，科学普及出版社1979年版，第20页。
3年之后，巴黎大学的佩兰真的通过实验完全证实了“布朗运动的爱因斯坦定律”，计算出了分子的大小。爱因斯坦因此获得了1926年的诺贝尔奖金。这时，连最顽固地坚持反对原子论的马赫和奥斯特瓦尔德也不能不声称“改信原子学说”。
爱因斯坦的工作不仅从物理学上科学地揭示了物质是由分子和原子组成的，某些自然科学家否定和怀疑原子论是不对的，还从认识论上证明，世界是不依赖于主体的客观存在，人对客观世界的认识是没有止境的，从而有力地反对了形而上学的主观唯心主义和思想僵化的教条主义，为辩证唯物主义的正确性增添了新的有力的自然科学论证。
爱因斯坦为原子论的决定性胜利所做的工作，是他在科学上的伟大成就之一。
创立新的科学理论，解开辐射之谜
关于光的本质，以往科学界有过两种看法，一是以牛顿为代表，认为它是由微粒组成的，直线传递的，是不连续的；一是以惠更斯为代表，认为它是一种波，是连续的。早在爱因斯坦研究它之前，微粒说与波动说已争论了很久，经历了一个彼消此长的过程。开始是微粒说占上风，这主要是因为当时牛顿的名气大，同时在当时看来，微粒说的论据也比较充分。但后来物理学发展史上发生的一些事使波动说占了上风，甚至完全占了统治地位。
先是1801年，英国有位学者做了一个实验，他让一束光穿过两个十分靠近的小孔，投射到一个屏上，结果发现呈现出来的是明暗相间的条纹。这给微粒说不啻是一个致命打击。因为如是微粒流，是直线传播的，呈现在屏上的应是两个亮点。可是这种结果用波动说却很好解释：条纹本身就说明它是以波的形式传播的，亮的地方是穿过小孔的两束光波互相增强造成的，暗条纹则是由两束光波互相抵消引起的。
再就是电磁现象的发现。1864年，麦克斯韦利用前人的成果，提出了两组电磁场的方程。他据此预言存在着电磁波，他还计算出电磁波的传播速度等于光速，而且它具有光的各种性质。因此，他断言，电磁波与光是同一种东西，光不过是波长极短的电磁波。1888年，赫兹通过实验产生出了电磁波，从而使麦克斯韦的磁场理论得到了普遍承认。从此，没有一个大胆的学者敢越雷池一步，没有一个叛逆者敢于突破这个根深蒂固的传统学说——光是波，而且只是波，除了波什么也不是！
但是新的实验事实又使这似乎成了定论的理论成了问题，这就是黑体辐射实验。
所谓“黑体”，是指外界向它辐射电磁波它只吸引不反射的那种理想物体。一块烧红的铁近似于黑体。把铁加热到一定程度，它就呈现出暗红色，温度继续升高，铁的颜色也随之变化，由红到黄，再到白。我们知道，光是电磁波，有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等颜色，频率由低到高。黑体的温度越高，在它辐射出来的电磁波中高频的成分就越多，而黑体辐射出来的能量，各种电磁波所占的比例，是可以用实验测定的。长期以来经典物理学都无法解释这种现象。
长期从事黑体辐射研究的柏林大学理论物理教授普朗克后来作了一个简单的假设就使一切问题都迎刃而解了。他假设黑体是由许多振子组成，每一个振子的能力又是某一基本能量的整倍数。普朗克把这个基本能量叫做“量子”。他从这种假设出发推导出来的黑体辐射公式和实验结果完全吻合。这就与传统理论发生了尖锐的矛盾：在电磁理论中，能量从来都是连续的，可现在到了微观世界，能量变成了一份一份的量子，能量从连续变成了不连续的了。
量子假设在经典物理学上打开了一个缺口，为新物理学的诞生奠定了第一块基石，可是由于受经典理论的禁锢，谁也不相信普朗克的量子假设，连他本人也不相信，在以后的多年中，他也一心想取消这一假设。
但爱因斯坦却赞成普朗克的假设。认为只要正确运用普朗克的假设，便可使光的学说焕然一新。
事情还得从光电效应说起。所谓光电效应就是光照射到金属表上，金属能释放出电子来。而这种释放与光的强弱无关，只取决于光的频率。这是先后由赫兹和勒纳德的实验发现的一种现象。微弱的紫光能使金属表面放射出电子，而很强的红光却不能。这与光的波动是相抵触的。按照波动说，它的能量是连续的，所以它应当只与光的强弱有关，而与光的频率无关。爱因斯坦为了正确解释光电效应现象，作了一个大胆的假设，认为光也与原子、电子一样，是由一个个粒子组成的，他把它们叫做光量子。和普朗克一样，每个光量子的能量是由这样的公式决定：E=hv，这里h是普朗克常数，v是光的频率，E是光量子的能量。用这个公式就能很好地解释光电效应了——光是由一个个光量子组成的，光的能量是不连续的，每一个光量子的能量要达到一定的质才能使金属表面释放出电子来。微弱的紫光，光量子虽然也较少，但每个光量子能量却是够大，所以能使金属表面释放电子；而很强的红光，光量子数量虽多，但每个光量子的能量却不够大，所以不能使金属表面释放出电子。
爱因斯坦于1905年3月17日撰就的《关于光的产生和转化的一个试探性观点》就是专门讨论光量子问题的，集中反映了这些思想，后来他因此获得了诺贝尔奖金。
这的确是叫人难以接受的看法，习惯于波动说的物理学家们看到爱因斯坦这一在逻辑上无可置疑的成果，就像看到死人重新从坟墓里爬出来一样，震惊不已。“光究竟是什么呢？”爱因斯坦的好友问道，“是波还是微粒，要知道这两种是不能并存的！波充斥着连续不断的空间，微粒则反映实在世界的不连续的粒状面貌。不是这样，就是那个。然而无数次最精密的实验都要求光有波动的性质，可是普朗克的辐射公式和光电效应正如你在这里确切指明的那样，都以不可反驳的明确性说明了光量子的实在性。这怎么办？难道又是一条死胡同，无结果一场？不是这个，就是那个。没有第三种说法了！”
“不是这个，就是那个？为什么不可以又是这个、又是那个呢？光同时又是波，又是微粒。是连续的，同时又是不连续的。自然界喜欢矛盾——并且是事物最中心的矛盾。未来将告诉我们，光的结构的这一具体矛盾也许将是物理界一些新的、最伟大的事件的出发点……”①爱因斯坦回答道。