几个宿世纪以来，理论物理学的很多预言改变了我们对宿世界的理解。本文作者 David Appell 认为，物理学有史以来最伟大的十项预言如下。
编译 | 姬扬（中国科学院半导体研究所）
来历 |本文选自《物理》2021年第2期
理论背后的巨匠。上排：牛顿，泊松，麦克斯韦，爱因斯坦，梅耶夫人，施温格；下排：霍伊尔，杨振宁和李政道，约瑟夫森，鲁宾，福特
理论物理学家盯着黑板，做计较和展望。尝试物理学家搭扶植备，不雅测和阐发数据。他们互相依靠：尝试学家试图证实理论是准确的(或错误的)，或者理论学家想要诠释尝试不雅察。英国理论物理学家爱丁顿(Arthur Eddington)说过，“尝试学家惊奇地发现，我们不会接管任何未司理论证实的证据。”
然而常见的是，在伟大的理念需要澄清的时辰，每个人都有些迷掉。每隔一段时候，某小我的缔造就可以或许划破暗中和混沌，获得清楚透辟的当作果，当即推进他们的范畴，有时甚至能缔造新的范畴。
开普勒的三个定律
牛顿（1687年）
英国物理学家和数学家牛顿是经由过程数学计较进行预言的早期撑持者，他在1665 年缔造了微积分(莱布尼茨也大致同时地自力缔造了)，从而有可能展望物体在空间和时候中的活动。
牛顿接管了伽利略关于力和加快度的设法、开普勒关于行星活动的三个定律，并从胡克(Robert Hooke)那边获得了关于行星的切标的目的速度与它受到的径标的目的力有关的设法，指标的目的太阳的引力从命平方反比定律。牛顿将所有这些概念同一起来，并插手本身的设法，进而提出了他本身的三个活动定律和万有引力定律。
这四个定律为物理宿世界的研究带来了秩序，供给了为它建模的数学东西。出格是，牛顿可以或许从纯粹的数学推导出开普勒的三个定律——这三个定律表白，行星的活动轨道不是圆而是椭圆——并将它们用于查验他的各类假设。数学第一次可以或许直接的计较和展望天体的活动、潮汐、岁差等等，最后明白地表白，地上的现象和天上的现象都是由不异的物理纪律支配。
阿拉戈亮斑
泊松（1818年）
法国数学家和物理学家泊松(Siméon-Denis Poisson)做过一个预言，他相信这个预言是错误的。可是，他对预言的预言是错的，反而不测地帮忙证实了光是一种波。
1818年，一些科学家(包罗泊松)建议法国科学院的年度论文竞赛会商光的性质，期望这些文章撑持牛顿的微粒理论(光是由“细小的粒子”构成的)。然而，法国工程师和物理学家菲涅耳提交了一份陈述，基于惠更斯假设的设法(光是一种波，波前的每个点都是次级的波源)。菲涅耳提出，所有这些小波彼此干与。
泊松的尴尬。点光源发出的光，在圆形物体四周发生衍射，阿拉戈亮斑位于衍射图案的中间。这个小亮点表白，光的行为像波
泊松细心研究了菲涅耳的理论。他熟悉到，菲涅耳的衍射积分意味着，用点光源照亮圆盘或球体，在圆盘后面的轴上会呈现一个亮点。泊松认为这是荒谬的，因为微粒理论清晰地预言说，那边是完全的暗中。
据说，泊松很自傲，在菲涅耳进行论文宣讲的时辰，他站出来进行质疑。带领竞赛委员会的数学家和物理学家阿拉戈(Francois Arago)敏捷地在尝试室里做了这个尝试，用的是火焰、滤光片和 2 mm 的金属圆片(用蜡粘在玻璃片上)。令人惊奇的是，也让泊松尴尬的是，阿拉戈不雅察到了预言的亮斑。菲涅耳博得了角逐，此后，这个亮斑被称为阿拉戈亮斑、泊松亮斑或者菲涅耳亮斑。
光速
麦克斯韦（1865年）
1860年，在英国伦敦的国王学院，苏格兰物理学家麦克斯韦起头在电学和磁学范畴取得深刻的当作果，将法拉第的尝试思惟转化为数学形式。
在1865年的论文《电磁场的动力学理论》里，麦克斯韦导出了一组20个偏微分方程组(直到1884年，亥维塞德 (Oliver Heaviside) 才给出了我们熟悉的矢量微积分的暗示体例)，加上6个波动方程组(电场E和磁场B各有3个空间分量)。麦克斯韦得出结论，他“几乎无法避免这样的推论，即光是由统一介质的横标的目的波动构成的，而这种波动是电和磁现象的原因”——他预言了光是电磁波。
麦克斯韦获得，这种波的(相)速度v是
此中，μ和ε别离是介质的磁导率和介电常数。将空气的磁导率μ取为 1，操纵带电电容器尝试获得的空气ε值，麦克斯韦计较出空气中的光速为 310740000 m/s。将此与菲佐(Hippolyte Fizeau)的测量值 314858000 m/s 和傅科(Jean Leon Foucault)的 298000000 m/s 进行比力，他认为光是电磁波这个推论是准确的。
水星近日点的反常进动
爱因斯坦（1915年）
在1840年月，法国天文学家勒维烈(Urbain Le Verrier)细心阐发了水星的轨道。他发现，与牛顿定律预言的切确椭圆分歧，行星椭圆轨道的近日点绕着太阳移动。这个转变很是慢，每宿世纪只有 575 角秒，但那时的天文学家只能把 532 角秒与太阳系中其他行星的彼此感化联系起来，还剩下43角秒来历不明。
这个不同尽管很小，却困扰着天文学家。他们提出了一系列的解决方案(一颗看不见的行星，牛顿引力定律中的指数与 2 有很是小的不同，或者太阳是扁球形的)，但一切似乎都过于决心了(ad hoc)。1915年，德国理论学家爱因斯坦完当作了广义相对论，他可以或许计较出弯曲空间对水星轨道的影响，从而推导出水星近日点的这种额外进动：
此中，a是行星椭圆的半长轴，T是周期，e是偏疼率，c是光速。
对水星来说，这正好是每宿世纪43角秒，正好是缺掉的数目。严酷地说，这是一种过后的预言，可是令人印象深刻。“成果证实水星近日点活动的方程是准确的，您能想象我的欢愉吗？”爱因斯坦写信给埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)，“我冲动得说不出话来。”
锕系稀土元素
梅耶夫人（1941年）
在元素周期表中添加一个新元素都很难，可是德国物理学家梅耶夫人(Maria Goeppert Mayer)却添加了整整一行。
在美国哥伦比亚大学工作的时辰，梅耶夫人碰到了费米和尤里。费米想弄清晰铀和原子序数大于它的元素的衰变产品，因为 Edwin McMillian 和 Philip Abelson 方才发现了第93号元素。费米要求梅耶夫人操纵托马斯-费米势能模子(Llewellyn Thomas和费米在1927年自力成长的数值统计模子，用于近似高Z原子中电子的分布)，计较薛定谔方程对铀(原子序数Z=92)四周原子的 5f 电子轨道的本征函数。
用托马斯-费米势对薛定谔方程的径标的目的本征函数进行数值求解，梅耶夫人发现 f 轨道起头填充在Z的临界值(Z=59 为 4f，Z=91 或 92 为 5f )，因为模子的统计性质，估计Z的不确定性有几个单元。在这些临界值，原子不再强烈地介入化学反映。她的预言证实了费米的建议，即铀以外的任何元素在化学上都与已知的稀土元素相似，从而预言了锕系稀土元素(second series of rare earth elements，又称为超铀行，transuranic row)。后来，梅耶夫人因为成长核壳模子而分享了1963年的诺贝尔物理学奖。
电子的奇异磁矩
施温格（1949年）
在第二次宿世界大战时代，美国理论物理学家施温格(Julian Schwinger)从事雷达和波导手艺的研究，他开辟了基于格林函数的方式——为了求解复杂的微分方程，可以经由过程求解更简单的格林函数的微分方程，然后将它集当作到本来的解中。在实践中，往往只能求微扰的解，可是施温格本事崇高高贵。
战后，施温格把他的格林函数方式转标的目的了那时的物理前沿，量子电动力学(QED)——电子和光的彼此感化。在薛定谔和狄拉克的工作之后，理论家们需要同时考虑量子的、相对论的电子和光子场的自彼此感化，以获得它们行为的细节。可是，对于深奥无极量的量(如质量和电荷)，计较给出了厌恶的无限大。施温格初次用格林函数废除了一些数学雷区，在1947年的一篇论文中，他给出了对电子磁矩的一阶辐射批改的成果。他的全数理论在1949年的一篇论文中达到颠峰，由很多页密密麻麻的方程预言的一阶批改是：
碳-12的7.65MeV能级
霍伊尔（1953年）
弱彼此感化中的宇称不守恒
李政道和杨振宁（1957年）
到了1950年月，对于电磁彼此感化和强彼此感化，宇称守恒(镜像的宿世界和实际宿世界的外不雅和行为完全一样)的理念已经确立。几乎所有的物理学家都期望弱力也是如斯。然而，若是宇称守恒当作立，现有的理论就不克不及诠释 k 介子的衰变。是以，在美国工作的中国理论学家李政道和杨振宁决议，在已知的物理成果中更细心地考查弱彼此感化的宇称守恒的尝试证据。他们惊奇地发现，什么也没有找到。
是以，他们俩提出了一个理论，即弱彼此感化粉碎了摆布对称性。他们与尝试学家吴健雄合作，设计了几个尝试来不雅察经由过程弱力进行的分歧粒子的衰变。吴健雄立即起头工作，经由过程测试钴-60中β衰变的性质，她不雅察到了一种不合错误称性，表白了宇称不守恒，从而证实了李政道和杨振宁的预言。
在论文颁发后仅12个月，李政道和杨振宁就因为这个预言而获得1957年诺贝尔物理学奖，这是汗青上最快的诺贝尔奖之一。尽管吴健雄验证了这个理论，她却没有分享这一奖项，跟着时候的推移，这个疏漏变得越来越有争议。
宇称不守恒。为了验证李政道和杨振宁的理论，吴健雄研究了钴-60 原子核的β衰变。她初次发现，电子的发射相对于粒子的自旋标的目的下的偏向集中。反转磁场B以改变自旋的偏向，看到的不是发射(a)的镜像，而是发现有更多的电子标的目的上(b) ——这就证实了弱彼此感化的宇称不守恒
约瑟夫森效应
约瑟夫森（1962年）
1977年，诺贝尔物理学奖得本家儿安德森(Phillip Anderson)回忆说，在剑桥大学教约瑟夫森(Brian Josephson，那时是研究生)“是一次令人不安的履历，因为讲的一切都必需准确，不然他会在课后给我诠释。”
因为这种关系，约瑟夫森很快就标的目的安德森展示了他做的关于两种超导体的计较，这两种超导体由一层薄的绝缘层或一小段非超导金属离隔。他预言，由电子对(库珀对)构成的“直流超流”可以经由过程势垒从一个超导体进入另一个超导体，这是宏不雅量子效应的一个例子。
约瑟夫森计较获得了这种结的电流和相位的转变率：
此中，J1 是绝缘结的参数 (临界电流)，而J是无耗散的电流。Φ是势垒两侧的库珀对波函数的相位差，e是电子的电荷，V是两个超导体的电势差。
9个月今后，安德森和贝尔尝试室的罗威尔(John Rowell)颁发了对直流地道电流的尝试不雅察，约瑟夫森因他的预言而获得1973年的诺贝尔奖。约瑟夫森结此刻有各类应用，如直流和交流电子电路，以及建造 SQUID(超导量子干与仪)——可以用作极其敏感的磁强计和电压表的手艺，作为量子计较的量子比特，等等。
暗物质
鲁宾和福特（1970年）
“伟大的天文学家跟我们说，这没啥意思，”有一次，美国天文学家鲁宾(Vera Rubin)告诉一位采访者。
转得太快了。鲁宾和福特发现，螺旋星系(例如这里的NGC1232)中的外星以不异的速度运行，这让他们预言了暗物质
她说的是她和福特(Kent Ford Jr)在1970年的不雅察成果：在仙女座星系，接近边缘的恒星(外星，outer stars)都以同样的速度运行。他们不雅察了更多的螺旋星系，但这种效应仍然存在。星系的动弹曲线(银河系内可见恒星的轨道速度与它们到星系中间的径标的目的距离的关系图)是 “平展的”，这似乎与开普勒定律相矛盾。更令人受惊的是，星系外缘四周的恒星动弹得太快了，它们应该会解体。
在鲁宾带领的团队里，福特建造了新的不雅测仪器 (出格是基于光电倍增管的进步前辈光谱仪)，可以用数字形式进行切确的天文不雅测以进行阐发。
鲁宾和福特的不雅测成果使他们预言，星系内部有一些质量导致了异常的活动，千里镜看不到它们，但数目是发光物质的6倍。为纪念瑞士天文学家兹威基(Fritz Zwicky)在1933年对 Coma 星系团进行了一项有开导性的研究，鲁宾和福特初次将“缺掉质量”称为“暗物质”，因为它不发光。操纵宇宙学的尺度ΛCDM模子，计较宇宙微波布景下的温度涨落，人们发现宇宙的总质量-能量包罗5%的通俗物质和能量，27%的暗物质和68%的暗能量。宇宙中有85%的物质不发光，这对我们来说仍然是个谜，有很多尝试正在试图识别它们。
