在相當長一段時間內，世界都公認愛因斯坦的相對論是物理學上最奇特、最根本的變革。實際上，當時正在孕育著關於物質本性的更讓人難以置信的顛覆性理論。
1905年，當愛因斯坦還在伯爾尼的時候，他對光的構成做出了傑出的貢獻（見第三章第十小節）。從那之後，他轉向了相對論和萬有引力的研究，以恒星、行星這樣大尺度的宏觀物體為對象，而不再研究構成自然界的最基本的粒子——原子。盡管他曾經研究過引力場中的光線，但並不涉及光線的本質是波還是粒子流。
愛因斯坦自己意識到，1905年他提出的光量子（光子）的概念隻是一個臨時的假設，因為光學中還有無數問題沒法解決。光子理論在熱輻射和光電效應上的應用獲得了意外的成功，但是卻無法解釋光的幹涉、衍射等一係列現象。另一方麵，光的波動理論可以應用於後者，但是卻對光子理論能解釋的那些現象無能為力。
在某次交談中，愛因斯坦這樣描述光的二重性質：“光子就像豌豆粒一樣，隱藏在連續性的光波的某處。”光波的振幅決定在某個空間位置有多少粒“豌豆”，但是這個數量隻是統計學上的平均。人們永遠無法確定一粒“豌豆”會在什麽時刻出現在哪個位置。一開始，愛因斯坦覺得這不可能是終極的真相，因為他“永遠不可能相信上帝在擲骰子”。然而，“上帝的骰子”滲透到了物理學的多個問題中，例如，在放射性元素的衰變過程裏，人們隻知道每秒鍾發生衰變的原子占總原子的百分比，而不能確切預測下一秒哪一個具體的原子會發生衰變。
但是，早期愛因斯坦提出的“每束光中的光子（光量子，light quanta）”這一思想在肥沃的土壤上生根發芽。這個“啟蒙式觀點”最終促進了真正的物理學發現。1913年，丹麥物理學家、哥本哈根學派的創始人尼爾斯·玻爾（1885—1962）嚐試把原子結構與原子發出的光聯係在一起。英國物理學家、原子核物理之父盧瑟福（1871—1937）在1911年曾證明，原子是由中心帶有正電荷的原子核與周圍一定數量的帶負電的電子組成的。而且，人們早就發現，與日常的發光物體不同，原子不能發出頻率連續的各種顏色的光，隻能發出一係列具有特定頻率的光，這些光構成了原子的特征光譜。玻爾發現，若用牛頓定律解釋行星繞太陽運動的方式來建立電子繞原子核旋轉的模型，這將完全不能解釋原子光譜的特征。因此，他轉向另一種假設，用普朗克描述熱輻射的方式修改了牛頓定律。玻爾假設圍繞原子核運動的電子軌道的半徑隻能是某些分立的數值（定態，Preferred orbital）。不同軌道上的電子具有不同的能量，當電子從一個能量更高的軌道躍遷到能量較低的軌道時，其能量的差別會以一個光子的形式放射出來。這種發射光子的過程也可以被看作一種愛因斯坦光電效應的逆過程，因為在光電效應中，光子被吸收而電子能量被提高。但是就像原子衰變一樣，這種物理現象也是大量原子的統計平均，而不是可預測的特定原子的行為。開始人們也沒有覺得這種理論有什麽不妥，因為可以聯想到保險公司的運作中能夠統計人類群體的平均壽命，卻不可能知道每個人的壽命。但是，人類個體的死亡都有確定的原因，物理學家也相信單個原子的行為是可以預測的，隻不過他們還沒有找到這樣的方法和規律。