本文选自《物理》2021年第2期
(中国科大学半导体研究所姬扬编译自David.World，2021，(1)：36)
几个世纪以来，理论化学学的许多预言改变了我们对世界的理解。本文作者David觉得，数学学有史以来最伟大的十项预言如下。
理论背后的大师。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，丰田
理论化学学家盯住黑板，做估算和预测。实验化学学家搭建设备，观测和剖析数据。她们相互依赖：实验学家企图证明理论是正确的(或错误的)，或则理论学家想要解释实验观察。日本理论化学学家爱丁顿()说过，“实验学家惊愕地发觉，我们不会接受任何未经理论证实的证据。”
但是常见的是，在伟大的理念须要澄清的时侯，每位人都有些迷失。每隔一段时间，某个人的创造就能否划过黑暗和混沌，得到清晰透彻的成果，立刻推动她们的领域，有时甚至能创造新的领域。
开普勒的三个定理
牛顿（1687年）
日本化学学家和物理家牛顿是通过物理估算进行预言的初期支持者，他在1665年创造了微积分(莱布尼茨也大致同时地独立创造了)，因而有可能预测物体在空间和时间中的运动。
牛顿接受了伽利略关于力和加速度的看法、开普勒关于行星运动的三个定理，并从胡克(Hooke)那儿得到了关于行星的切向速率与它遭到的径向力有关的看法，指向太阳的引力服从平方正比定理。牛顿将所有这种概念统一上去，并加入自己的看法，因而提出了他自己的三个运动定理和万有引力定理。
这四个定理为化学世界的研究带来了秩序，提供了为它建模的语文工具。非常是，牛顿才能从纯粹的物理推导入开普勒的三个定理——这三个定理表明，行星的运动轨道不是圆而是椭圆——并将它们用于检验他的各类假定。物理第一次就能直接的估算和预测天体的运动、潮汐、岁差等等，最后明晰地表明，地上的现象和天上的现象都是由相同的化学规律支配。
阿拉戈亮斑
泊松（1818年）
日本语文家和化学学家泊松(Siméon-Denis)做过一个预言，他相信这个预言是错误的。并且，他对预言的预言是错的，反倒意外地帮助证明了光是一种波。
1818年，一些科学家(包括泊松)建议美国科大学的年度论文大赛讨论光的性质，期望这种文章支持牛顿的微粒理论(光是由“微小的粒子”组成的)。但是，美国工程师和数学学家菲涅耳递交了一份报告，基于惠更斯假定的看法(光是一种波，波前的每位点都是次级的波源)。菲涅耳提出，所有那些小波互相干涉。
泊松的难堪。点光源发出的光，在方形物体周围发生衍射，阿拉戈亮斑坐落衍射纹样的中心。这个小亮点表明，光的行为像波
泊松仔细研究了菲涅耳的理论。他认识到，菲涅耳的衍射积分意味着，用点光源点亮圆盘或圆球，在圆盘前面的轴上会出现一个亮点。泊松觉得这是愚蠢的，由于微粒理论清楚地预言说，哪里是完全的黑暗。
听说，泊松很自信，在菲涅耳进行论文宣讲的时侯，他站下来进行指责。领导大赛委员会的物理家和化学学家阿拉戈(Arago)迅速地在实验室里做了这个实验，用的是火焰、滤光片和2mm的金属圆片(用蜡粘在玻璃片上)。令人吃惊的是，也让泊松难堪的是，阿拉戈观察到了预言的亮斑。菲涅耳博得了联赛，随后，这个亮斑被称为阿拉戈亮斑、泊松亮斑或则菲涅耳亮斑。
光速
麦克斯韦（1865年）
1860年，在美国纽约的国王大学，爱尔兰化学学家麦克斯韦开始在热学和磁学领域取得深刻的成果，将法拉第的实验思想转化为物理方式。
在1865年的论文《电磁场的动力学理论》里，麦克斯韦导入了一组20个偏微分多项式组(直至1884年，亥维塞德()才给出了我们熟悉的矢量微积分的表示方法)，加上6个波动多项式组(电场E和磁场B各有3个空间份量)。麦克斯韦得出推论，他“几乎难以防止这样的结论，即光是由同一介质的纵向波动组成的，而这些波动是电和磁现象的缘由”——他预言了光是电磁波。
麦克斯韦得到，这些波的(相)速率v是
其中，μ和ε分别是介质的磁导率和介电常数。将空气的磁导率μ取为1，借助带电电容器实验得到的空气ε值，麦克斯韦估算出空气中的光速为m/s。将此与菲佐()的检测值m/s和傅科(JeanLeon)的m/s进行比较，他觉得光是电磁波这个结论是正确的。
水星近期点的反常进动
爱因斯坦（1915年）
在1840年代，英国天文学家勒维烈(Le)仔细剖析了水星的轨道。他发觉，与牛顿定理预言的精确椭圆不同，行星椭圆轨道的近期点绕着太阳联通。这个变化十分慢，每世纪只有575角秒，但当时的天文学家只能把532角秒与太阳系中其他行星的互相作用联系上去，还剩下43角秒由来不明。
这个差异虽说很小，却困惑着天文学家。她们提出了一系列的解决方案(一颗看不见的行星，牛顿引力定理中的指数与2有特别小的差异，或则太阳是扁球状的)，但一切仿佛都过分刻意了(adhoc)。1915年，美国理论学家爱因斯坦完成了广义相对论，他还能估算出弯曲空间对水星轨道的影响，进而推论出水星近期点的这些额外进动：
其中，a是行星椭圆的半长轴，T是周期，e是偏心率，c是光速。
对水星来说，这恰好是每世纪43角秒，刚好是缺位的数目。严格地说，这是一种事后的预言，并且令人印象深刻。“结果证明水星近期点运动的多项式是正确的，你能想像我的快乐吗？”爱因斯坦寄信给埃伦费斯特(Paul)，“我兴奋得说不出话来。”
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，而且日本化学学家梅耶夫人(MariaMayer)却添加了整整一行。
在日本阿根廷学院工作的时侯，梅耶夫人遇见了费米和尤里。费米想弄清楚铀和原子序数小于它的元素的衰变产物，由于Edwin和刚才发觉了第93号元素。费米要求梅耶夫人借助托马斯-费米势能模型(和费米在1927年独立发展的数值统计模型初中生非牛顿流体物理论文，用于近似高Z原子中电子的分布)，估算薛定谔多项式对铀(原子序数Z=92)附近原子的5f电子轨道的本征函数。
用托马斯-费米势对薛定谔多项式的径向本征函数进行数值求解，梅耶夫人发觉f轨道开始填充在Z的临界值(Z=59为4f，Z=91或92为5f)，因为模型的统计性质，预计Z的不确定性有几个单位。在这种临界值，原子不再强烈地参与物理反应。她的预言否认了费米的建议，即铀以外的任何元素在物理上都与已知的稀土元素相像，因而预言了锕系稀土元素(ofrareearth，又称为超铀行，row)。后来，梅耶夫人由于发展核壳模型而分享了1963年的诺贝尔化学学奖。
电子的奇特磁矩
施温格（1949年）
在第二次世界大战期间，日本理论化学学家施温格()从事雷达和波导技术的研究，他开发了基于格林函数的方式——为了求解复杂的微分等式，可以通过求解更简单的格林函数的微分等式，之后将它集成到原先的解中。在实践中，常常只能求微扰的解，并且施温格本领娴熟。
战后，施温格把他的格林函数方式转向了当时的化学前沿，量子电动热学(QED)——电子和光的互相作用。在薛定谔和狄拉克的工作以后，理论家们须要同时考虑量子的、相对论的电子和光子场的自互相作用，以获得它们行为的细节。并且初中生非牛顿流体物理论文，对于可检测的量(如质量和电荷)，估算给出了厌恶的无穷大。施温格首次用格林函数破不仅一些物理雷区，在1947年的一篇论文中，他给出了对电子磁矩的一阶幅射修正的结果。他的全部理论在1949年的一篇论文中达到顶峰，由许多页密密妈妈的等式预言的一阶修正是：
其中，α是精细结构常数(≈1/137)，μ0是电子的精典磁矩。实验很快否认了这一点。明天，α/2π镌刻在施温格的石碑上。
量子电动热学是科学中最精确的理论，它对电子δμ的五阶预言早已被实验验证到1013分之三的精度。QED对理解激光、量子估算和穆斯堡尔谱很重要，是基本粒子化学标准模型的原型。费曼把QED称为“物理学的首饰”。
碳-12的7.65MeV基态
霍伊尔（1953年）
1953年，美国天文学家霍伊尔(FredHoyle)做了一个预言。后来他才认识到，他以及所有生命的存在，都须要这个预言。
在1930年代，贝特(HansBethe)等人早已否认，星体通过将原子核(由质子等构成)聚合为氦核(α粒子)获得能量，之后将它们配对成铍-8(8Be)。不仅这个过程以外，科学家还发觉了氮、氧和由碳-12(12C)产生的其他的核。但是没有人晓得，不稳定的8Be核怎么形成12C。这种元素是怎样在星体内部或宇宙大爆燃后形成的？12C在我们周围四处都是，但它的生成路径却是一个谜。
高度不稳定的8Be核会迅速衰变为两个α粒子，而3个α粒子结合产生12C的理论不创立，由于反应的几率太低，难以解释形成的碳原子核的数目。霍伊尔大胆地预测，12C有一个新基态，比能级高7.65MeV。这些迸发的12C态(被称为“霍伊尔态”)恰好是由8Be与α粒子反应产生的共振。其实霍伊尔态几乎总是衰减成3个α粒子，并且平均每2421.3次衰变，就有一次会步入12C的能级，以伽玛射线的方式释放出额外的能量。之后，12C原子要么保持原貌，要么与α粒子聚合产生氧原子，因而开始生成序数更高的原子。当星体弄成超新星而爆燃的时侯，碳和其他原子核冷却成原子，并填充宇宙。
几个月后，加洲理工大学的Ward实验小组在轰击12C的时侯，对氮-14衰变的α粒子谱进行磁剖析，在7.68±0.03MeV发觉了这样的12C态——霍伊尔正确地预测了宇宙中一个最重要元素的起源。
弱互相作用中的宇称不守恒
李政道和杨振宁（1957年）
到了1950年代，对于电磁互相作用和强互相作用，宇称守恒(镜像的世界和现实世界的外型和行为完全一样)的理念早已确立。几乎所有的化学学家都期望弱力也是这么。但是，假若宇称守恒创立，现有的理论就不能解释k介子的衰变。为此，在日本工作的中国理论学家李政道和杨振宁决定，在已知的化学结果中更仔细地考察弱互相作用的宇称守恒的实验证据。她们吃惊地发觉，哪些也没有找到。
为此，她们俩提出了一个理论，即弱互相作用破坏了左右对称性。她们与实验学家吴健雄合作，设计了几个实验来观察通过弱力进行的不同粒子的衰变。吴健雄立即开始工作，通过测试钴-60中β衰变的性质，她观察到了一种不对称性，表明了宇称不守恒，因而否认了李政道和杨振宁的预言。
在论文发表后仅12个月，李政道和杨振宁就由于这个预言而获得1957年诺贝尔化学学奖，这是历史上最快的诺贝尔奖之一。虽然吴健雄验证了这个理论，她却没有分享这一奖项，随着时间的推移，这个失策显得越来越有争议。
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。她首次发觉，电子的发射相对于粒子的载流子向上的方向集中。反转磁场B以改变载流子的方向，见到的不是发射(a)的镜像，而是发觉有更多的电子向下(b)——这就证明了弱互相作用的宇称不守恒
约瑟夫森效应
约瑟夫森（1962年）
1977年，诺贝尔化学学奖得主安德森()追忆说，在剑桥学院教约瑟夫森(Brian，当时是研究生)“是一次令人不安的经历，由于讲的一切都必须正确，否则他会在课后给我解释。”
因为这些关系，约瑟夫森很快就向安德森展示了他做的关于两种超导体的估算，这两种超导体由一层薄的绝缘层或一小段非超导金属隔开。他预言，由电子对(库珀对)组成的“直流超流”可以通过势垒从一个超导体步入另一个超导体，这是宏观量子效应的一个反例。
约瑟夫森估算得到了这些结的电压和相位的变化率：
其中，J1是绝缘结的参数(临界电压)，而J是无耗散的电压。Φ是势垒两边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个月之后，安德森和贝尔实验室的罗威尔(John)发表了对直流隧洞电压的实验观察，约瑟夫森因他的预言而获得1973年的诺贝尔奖。约瑟夫森结现今有各类应用，如直流和交流电子电路，以及建造SQUID(超导量子干涉仪)——可以用作非常敏感的磁强计和电流表的技术，作为量子估算的量子比特，等等。
暗物质
鲁宾和雪佛兰（1970年）
“伟大的天文学家跟我们说，这没啥意思，”有一次，法国天文学家鲁宾(VeraRubin)告诉一位专访者。
转得太快了。鲁宾和丰田发觉，螺旋星体(比如这儿的)中的外星以相同的速率运行，这让她们预言了暗物质
她说的是她和雪佛兰(KentFordJr)在1970年的观察结果：在仙女座星体，紧靠边沿的星体(外星，outerstars)都以同样的速率运行。她们观察了更多的螺旋星体，但这些效应仍旧存在。星体的转动曲线(银河系内可见星体的轨道速率与它们到星体中心的径向距离的关系图)是“平坦的”，这显然与开普勒定理相矛盾。更令人惊讶的是，星体边沿附近的星体转动得太快了，它们应当会崩溃。
在鲁宾领导的团队里，丰田建造了新的观测仪器(非常是基于光电倍增管的先进波谱仪)，可以用数字方式进行精确的天文观测以进行剖析。
鲁宾和丰田的观测结果使她们预言，星体内部有一些质量造成了异常的运动，望远镜看不到它们，但数目是发光物质的6倍。为记念英国天文学家兹威基(Fritz)在1933年对Coma星体团进行了一项有启发性的研究，鲁宾和丰田首次将“缺失质量”称为“暗物质”，由于它不发光。借助宇宙学的标准ΛCDM模型，估算宇宙微波背景下的气温涨落，人们发觉宇宙的总质量-能量包括5%的普通物质和能量，27%的暗物质和68%的暗能量。宇宙中有85%的物质不发光，这对我们来说一直是个谜，有许多实验正在企图辨识它们。
