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几个世纪以来，理论物理学的许多预测改变了我们对世界的理解。以下是 David 认为的有史以来最伟大的十个预测。
理论背后的大师们。上排：牛顿、泊松、麦克斯韦、爱因斯坦、迈尔夫人、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，进行计算和预测。实验物理学家制造设备、进行观察并分析数据。他们相互依赖：实验物理学家试图证明一个理论是正确的（或错误的），或者理论物理学家想要证明一个理论是正确的（或错误的）。解释实验观察。英国理论物理学家乔纳森·爱丁顿曾经说过：“实验物理学家惊讶地发现，我们不会接受任何未经理论证实的证据。”
然而，当伟大的想法需要澄清时，每个人都会有点迷茫，这是很常见的情况。偶尔，有人的创造会冲破黑暗和混乱，带来一些清晰的东西，立即推动他们的领域发展。甚至开辟新的领域。
开普勒三大定律
牛顿（1687）
英国物理学家和数学家牛顿是主张通过数学计算进行预测的早期倡导者，他于 1665 年创立了微积分（与莱布尼茨大约在同一时间独立创立）使得预测物体在空间和时间中的运动成为可能。运动。
牛顿接受了伽利略关于力和加速度的思想，开普勒的行星运动三定律，并从胡克那里得到了行星的切向速度与它受到的径向力有关的想法，指出太阳的引力遵循平方反比定律。牛顿统一了所有这些概念，并加入了自己的想法，得出了他的三定律和万有引力定律。
这四条定律为物理世界的研究带来了秩序，并提供了对物理世界进行建模的数学工具。特别是，牛顿能够从纯数学中推导出开普勒三定律——这三条定律指出行星的轨道不是圆形而是椭圆形——并用它们来检验他的各种假设。数学首次可以直接计算和预测天体运动、潮汐、进动等，并最终清楚地表明地球和天体现象都受同一物理定律的支配。
阿拉戈亮点
泊松（1818）
法国数学家、物理学家西梅翁-丹尼斯·泊松做出了一个他认为是错误的预测。然而，他的错误预测却意外地帮助证明了光是一种波。
1818 年，一群科学家（包括泊松）提议在法国科学院的年度论文竞赛中讨论光的本质，希望论文能够支持牛顿的粒子理论（即光由“微小粒子”组成）。然而，法国工程师和物理学家菲涅尔提交了一份基于惠更斯假设的想法的报告（即光是一种波，波前的每个点都是次级波的来源）。菲涅尔提出，所有这些小波都会相互干扰。
泊松尴尬。点光源发出的光绕圆形物体发生衍射，而阿拉戈斑位于衍射图样的中心。这个小亮点表明光的行为就像波一样。
泊松仔细研究了菲涅尔的理论。他意识到菲涅尔的衍射积分意味着，如果一个点光源照射到一个圆盘或球体上，圆盘后面的轴上就会出现一个亮点。泊松认为这是荒谬的，因为粒子理论明确预测那里是完全黑暗的。
据说泊松非常自信，以至于在菲涅尔发表论文时向他提出了质疑。领导竞赛委员会的数学家和物理学家阿拉戈迅速在他的实验室里进行了实验。实验使用了火焰、滤光片和一个 2 毫米的金属圆盘（用蜡固定在玻璃载玻片上）。令泊松惊讶的是，阿拉戈观察到了预测的亮点。菲涅尔获胜了，此后，这个亮点被称为阿拉戈亮点、泊松亮点或菲涅尔亮点。
光速
麦克斯韦（1865）
1860年，在英国伦敦国王学院，苏格兰物理学家麦克斯韦开始在电磁学领域取得重大成果，将法拉第的实验思想转化为数学形式。
麦克斯韦在 1865 年的论文《电磁场的动力学理论》中物理学家菲佐，推导出了一组 20 个偏微分方程（直到 1884 年，海维赛德 ( ) 才给出了人们所熟悉的矢量微积分表示），加上六个波动方程（电场 E 和磁场 B 各有三个空间分量）。麦克斯韦最后得出结论：“几乎无法避免推论，光由同一介质的横波组成，而这种波动正是电和磁的成因”——他预言光是一种电磁波。
麦克斯韦发现该波的（相）速度v为
式中μ为介质的磁导率，ε为介质的介电常数。取空气的磁导率μ为1，利用带电电容器实验测得的空气的ε值，麦克斯韦计算出光在空气中的传播速度为m/s。通过与斐索（ ）测得的m/s和傅科（ Jean Leon ）测得的m/s相比较，他认为光是电磁波的推论是正确的。
水星近日点异常进动
阿尔伯特·爱因斯坦（1915年）
19 世纪 40 年代，法国天文学家勒威耶仔细分析了水星的轨道，发现与牛顿定律预测的精确椭圆不同，该行星椭圆轨道的近日点绕太阳移动，这种变化非常缓慢，每个世纪仅发生约 10 次。近日点变化量为 575 角秒，但当时的天文学家只能将 532 角秒与太阳系其他行星的相互作用联系起来，其余 43 角秒的来源不明。
这种差异虽然很小，却让天文学家感到困惑，他们提出了许多解决方案（一颗看不见的行星，牛顿引力定律的指数与 2 相差很小，或者太阳是扁球体），但这些似乎都是临时的。1915 年，当德国理论家阿尔伯特·爱因斯坦完成他的广义相对论时，他能够计算出弯曲空间对水星轨道的影响，从而推断出水星近日点的这种额外进动。：
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。
对于水星来说，这正好是每世纪 43 角秒，正是缺失的量。严格来说，这是一个事后预测，但它令人印象深刻。“事实证明，水星近日点运动方程是正确的。你能想象我的喜悦吗？”爱因斯坦写信给保罗·埃伦费斯特说，“我激动得说不出话来。”
锕系稀土元素
迈耶夫人 (1941)
在元素周期表中添加新元素很困难，但德国物理学家玛丽亚·迈耶却添加了整整一行。
在美国哥伦比亚大学工作期间，梅耶夫人结识了费米和尤里。费米想弄清楚铀和原子序数大于它的元素的衰变产物，因为埃德温·尤里刚刚发现了93号元素。费米请梅耶夫人利用托马斯-费米势模型（以及费米于1927年独立发展的用于近似高Z原子中电子分布的数值统计模型）计算铀附近原子（原子序数Z=92）的薛定谔方程5f电子轨道的本征函数。
梅耶夫人利用托马斯-费米势以数字方式求解薛定谔方程的径向本征函数，发现 f 轨道在临界值 Z 处开始填充（Z=59 时为 4f，Z=91 或 92 时为 5f）。Z 的统计特性预测了几个单位的不确定性。在这些临界值下，原子不再强烈参与化学反应。她的预测证实了费米的建议，即除铀以外的任何元素在化学上都是 梅耶夫人后来因开发核壳模型而获得了 1963 年诺贝尔物理学奖。
电子的奇异磁矩
施温格（1949）
二战期间，美国理论物理学家约翰·施温格（ ）在研究雷达和波导技术时，开发了一种基于格林函数的方法——为了求解复杂的微分方程，可以求解更简单的格林函数。然后将函数的微分方程积分到原始解中。在实践中，只能找到扰动，但施温格的技术很高超。
战后，施温格将他的格林函数方法转向当时物理学的前沿，量子电动力学 (QED) - 电子和光的相互作用。继薛定谔和狄拉克的工作之后，理论家需要考虑量子、相对论电子和光子场，以获得它们行为的细节。但对于质量和电荷等可测量的量，计算会给出令人讨厌的无穷大。施温格首先用格林函数突破了这个问题。一些数学雷区，并在 1947 年的一篇论文中给出了电子磁矩一阶辐射校正的结果。他的整个理论最终在 1949 年的一篇论文中达到顶峰，其中包含许多页密密麻麻的公式。该方程预测的一阶校正为：
这里，α 是精细结构常数（≈1/137），μ0 是电子的经典磁矩。实验很快就证实了这一点。今天，α/2π 刻在施温格的墓碑上。
量子电动力学是科学界最精确的理论。它对电子δμ的五阶预测已通过实验验证，精度为1013分之3。QED对于理解激光、量子计算和穆斯堡尔光谱学非常重要。物理学标准模型的原型。费曼称QED为“物理学的瑰宝”。
碳-12的能级为7.65MeV
霍伊尔（1953年）
1953 年，英国天文学家弗雷德·霍伊尔做出了一个预测，后来他意识到这个预测对于他的存在以及所有生命的存在都是必要的。
早在上世纪 30 年代，汉斯·贝特等人就已证明恒星通过原子核（由质子等组成）聚变成氦核（α粒子），然后配对成铍-8（8Be）来获得能量。除此过程外，科学家还发现了由碳-12（12C）形成的氮、氧等原子核。然而，没有人知道不稳定的 8Be 原子核是如何产生 12C 的。这些元素是如何在恒星内部或大爆炸后形成的？在哪里产生的？12C 在我们周围随处可见，但它是如何产生的却是一个谜。
极不稳定的8Be原子核会迅速衰变成两个α粒子，而三个α粒子结合形成12C的理论并不成立，因为反应的概率太低，无法解释产生的碳核数量。霍伊尔大胆预测，12C有一个新的能级，比基态高7.65MeV。这种激发的12C态（称为“霍伊尔态”）正是8Be与α粒子反应形成的共振态。虽然霍伊尔态几乎总是12C原子衰变成三个α粒子，但每隔2421.3衰变一次，它就会回到12C的基态，以伽马射线的形式释放出额外的能量。然后12C原子要么保持完整，要么与α粒子融合形成氧原子，从而开始形成具有更高数量的原子。当恒星以超新星形式爆炸时，碳和其他原子核冷却成原子并充满宇宙。
几个月后，加州理工学院的沃德研究组对氮-14衰变的α粒子谱进行磁分析，在7.68±0.03MeV处发现了这样的12C状态——霍伊尔正确地预言了宇宙中最重要元素之一的起源。
弱相互作用中的宇称不守恒
李政道、杨振宁 (1957)
到 20 世纪 50 年代，宇称守恒定律（镜像世界的外观和行为与真实世界完全一样）的思想在电磁和强相互作用中得到了很好的确立。几乎所有物理学家都期望同样的观点也适用于弱相互作用。然而，如果宇称守恒定律成立，现有的理论就无法解释介子的衰变。因此，在美国工作的中国理论家李政道和杨振宁决定在已知的物理结果中更仔细地研究弱相互作用的宇宙特性。他们惊讶地发现一无所获。
于是两人提出了弱相互作用破坏左右对称性的理论。他们与实验物理学家吴健雄合作，设计了几个实验，观察不同粒子在弱相互作用下的衰变。吴健雄立即开始工作。通过测试钴-60的β衰变特性，她观察到了表明宇称不守恒的不对称现象，从而证实了李道明和杨振宁的预测。
论文发表仅 12 个月后，李和杨就因这一预测获得了 1957 年诺贝尔物理学奖，这是历史上最快的诺贝尔奖之一。该奖项并未分享，这一遗漏随着时间的推移变得越来越有争议。
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核的β衰变。她首次发现电子的发射集中在粒子自旋向下的方向。通过改变自旋方向，我们看到的不是发射的镜像（a），而是更多的电子指向上方（b）——这证明了弱相互作用的宇称不守恒。
约瑟夫森效应
约瑟夫森 (1962)
1977年，诺贝尔物理学奖得主安德森回忆说，在剑桥大学教当时还是研究生的约瑟夫森（布莱恩）是“一段令人不安的经历，因为一切都必须正确，否则他就会犯错误。你以后再向我解释吧。”
因为这种关系，约瑟夫森很快就向安德森展示了他对两个被薄绝缘层或一小段非超导金属隔开的超导体所做的计算物理学家菲佐，他预言由对（库珀对）组成的“直流超电流”可以穿过势垒从一个超导体流向另一个超导体，这是宏观量子效应的一个例子。
约瑟夫森计算了该连接处的电流和相位的变化率：
其中J1为绝缘结的参数（临界电流），J为无耗散电流，Φ为势垒两侧库珀对波函数的相位差，e为电子的电荷，V为两个超导体间的相对电势差。
九个月后，安德森和贝尔实验室的约翰·洛厄尔发表了他们对直流隧道电流的实验观察，约瑟夫森因他的预测获得了 1973 年的诺贝尔奖。约瑟夫森结现在有各种应用，例如直流和交流电子电路，以及构建 SQUID（超导量子干涉装置）的技术 - 它可以用作极其灵敏的磁力计和电压表，用作量子计算的量子比特等等。
暗物质
鲁宾和福特 (1970)
美国天文学家维拉·鲁宾曾在一次采访中说道：“伟大的天文学家告诉我们这并不有趣。”
鲁宾和福特发现螺旋星系中的外星恒星（比如这个）以相同的速度运行，这使他们预测了暗物质的存在。
她谈到了她和小肯特·福特在 1970 年所做的观察：在仙女座星系中，靠近边缘的恒星（外层恒星）都以相同的速度移动。他们观察到了更多的螺旋星系网校头条，但这种效应仍然存在。星系的旋转曲线（银河系中可见恒星的轨道速度与其与银河系中心的径向距离的关系图）是“平坦的”，这似乎与开普勒定律相矛盾。令人惊讶的是，星系外缘附近的恒星旋转得如此之快，以至于它们应该会坍缩。
在鲁宾领导的团队中，福特建造了新的观测仪器（特别是基于光电倍增管的先进光谱仪），可以以数字形式进行精确的天文观测以供分析。
鲁宾和福特的观测使他们预测星系内部存在某种质量，这种质量是望远镜无法看见的，但其数量却是发光物质的六倍。1996 年，在一项对后发座星系团的启发性研究中，鲁宾和福特首次将“缺失的质量”称为“暗物质”，因为它不发光。他们利用标准的宇宙学 ΛCDM 模型计算了宇宙微波背景的温度波动，人们发现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 85% 的物质不发光，这对我们来说仍然是个谜，目前有许多实验正在进行中，试图识别它们。
本文摘自《物理学》2021年期刊
（中国科学院半导体研究所杨季编译，摘自David.世界，2021，（1）：36）