这十大物理学预测，改变了我们对世界如何运作的理解
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：原原，原文标题：《十大物理学预测》，头图来自：unsplash
理论物理学家常常站在黑板前思考、计算，然后做出预测；而实验物理学家则会利用一些先进工具，比如激光、粒子加速器或望远镜，设计和进行实验和观测，来收集足够多的数据。这二者之间往往相互依赖：实验家试图验证一个理论是否正确，而理论家尝试对实验观测加以解释。
在物理学史上有过许多伟大的预测，有的在被提出之后很快就得到了验证，有的则在几十年甚至百年才得以证明。以近年来才被直接探测到的引力波为例，这是爱因斯坦在百年前就已经预测的。除了引力波之外，物理学史上还有哪些著名的理论预测呢？
1687年：《原理》
1687年，牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，首次提出了万有引力定律和牛顿运动定律，为研究物理宇宙带来了新的秩序。应用自己提出的定律，牛顿在数学上推导出了开普勒行星运动定律——描述了行星围绕太阳的运动。基于牛顿的理论，物理学家可以从数学上计算和预测天体的运动、潮汐、分点岁差等现象。牛顿的工作也展示了地面的物体与天体的运动都遵循着相同的物理定律。
1818年：泊松亮斑
法国数学家和物理学家泊松曾做出过一个他原本认为是错误的预测。19世纪初，以泊松为代表的科学家认为光的本质是粒子。而法国物理学家菲涅尔却认为光是一种波，并提出光能产生衍射行为。在研究了菲涅耳的理论后，泊松意识到菲涅耳的衍射积分意味着当用一个点光源照亮一个圆盘或球体时，一个明亮的光斑会出现在圆盘后的轴上。泊松原本觉得这很荒谬，但很快，实验却验证了泊松对菲涅尔的衍射积分的预测。
1865年：光的速度
19世纪60年代，麦克斯韦将电磁学领域的理论公式化，他推导出一组与电和磁有关的偏微分方程，并预测光是一种电磁波。1865年，麦克斯韦将光波的速度写成了由传播光的介质（如空气、水等）的磁导率和介电常数构成的一个表达式，计算出光在空气中的速度为310740000米/秒。接着，麦克斯韦将这个数字与由斐索测量到的314858000米/秒，以及由傅科所测得的298000000米/秒进行了比较，推断出他对光是电磁波的预测是正确的。
1915年：水星进动之谜
19世纪40年代，天文学家勒威耶观察到水星的轨道与牛顿定律的预测不同。他发现水星的椭圆轨道的近日点会绕着太阳移动。这一变化非常缓慢，每世纪只变化575角秒。太阳系中的其他行星的作用能解释其中的532角秒，还有43角秒的来源无从得知。有天文学家提出，可能存在一颗看不见的行星存在，又或者说太阳是扁圆的……然而，所有的说法都不正确。直到1915年，爱因斯坦应用自己的广义相对论计算出了弯曲空间对水星轨道的影响，成功地解释了水星进动之谜。广义相对论还预言了光线在经过大质量物体时会发生偏折，转动的物体会对其周围的时空产生拖曳，以及宇宙中存在神秘的黑洞等等。
1941年：铀后元素
在元素周期表中，每增添一个新的元素都一次巨大的突破，然而在上世纪40年代，物理学家玛丽·戈佩特-迈耶做到了一次添加整整一行。当迈耶在哥伦比亚大学无薪任教时，她遇到了正试图研究铀的衰变产物，以及可能比铀更重的元素的费米。费米要迈耶计算铀附近的原子的5f电子轨道的特征函数。这使迈耶发现一些特定的原子序数值的f轨道会被填满，与这些特定的原子序数对应的原子会终止参与到剧烈的化学反应中。迈耶的预测证实了费米的观点，即铀以外的任何元素在化学上都与已知的稀土元素相似，因此预测了铀后元素。
1949年：奇异的电子磁矩
格林函数是一种求解复杂微分方程的方法，而物理学家施温格便是运用这种函数的大师。在二战时期，他基于格林函数发展了雷达和波导技术；在战后，他又将其应用在了量子电动力学（QED）上。QED研究的是电子和光的相互作用，当时的QED研究需要考虑量子、相对论性电子和光子场的自相互作用，但对一些可测量的量总会得出无穷大的计算数值。施温格利用格林函数解决了这个问题。1949年，在他的一篇正式发表的论文中，给出了电子磁矩的一阶辐射修正结果为(α/2π) µ₀，且这一结果很快得到了实验的证实（α是精细结构常数，详见《著名“魔数”的最精确测量》）。α/2π，被刻在了施温格的墓碑上。
1953年：霍伊尔碳态
20世纪30年代，科学家已经确定恒星可以从原子核的聚变中获取能量：质子聚变成氦核、两个氦核聚变成铍-8，但是没有人知道碳-12是如何从不稳定的铍-8形成的。理论上看，三个氦核可以形成碳-12；但据计算，三氦过程形成碳-12的可能性很低，无法用它来解释碳-12的无处不在。1953年，霍伊尔预测了三氦过程的一个前提，那就是需要有一种新的碳态存在，他提出这个碳态比其基态高7.65 MeV。这一预测在不久后就得到了实验的证实，这个新的碳态后来也被称为霍伊尔碳态。
1957年：宇称不守恒
宇称守恒为电磁力和强力建立了牢固的理论基础，因此几乎所有人都认为，对于弱力来说，宇称也应该是守恒的。然而，上世纪50年代，杨振宁和李政道提出，在弱相互作用中，宇称对称性会遭到破坏。很快，物理学家吴建雄就通过设计实验来观察弱相互作用下的粒子衰变，她从放射性元素钴-60的原子核衰变中，发现它的确并不遵循镜像对称原则，表明宇称在弱相互作用下是不对称的，证实了李政道和杨振宁的预测。
1962年：约瑟夫森效应
1962年，约瑟夫森预测了一个宏观的量子效应。他通过计算，预测出对于两个被一个薄绝缘层或一小段非超导金属隔开的超导体的结构（约瑟夫森结）来说，一对电子（库珀对）组成的“直流超电流”可以穿越势垒，从一个超导体量子隧穿到另一个超导体。这种超电流的量子隧穿现象被称为约瑟夫森效应。9个月后，贝尔实验室的研究人员用实验观测到了这一效应。
1970年：看不见的物质
1970年，鲁宾和福特对邻近的仙女座星系（M31）进行了观测。他们预期会观测到的现象是，靠近中心的天体比靠近边缘的天体移动更快。然而他们实际观测到的是，无论在距离中心区域多远的位置，天体都以相同的速度移动。他们转而观测仙女座之外的星系，并在分析了星系的自转曲线后得到了相似的结果。鲁宾提出，如果每个星系中都存在大量看不见的物质，或许这一现象就可以得到解释。瑞士天文学家兹维基在1933年就已提出了暗物质的想法，而鲁宾和福特则为可能存在暗物质首次提供了观测证据。
你还知道物理学中有哪些成功的理论预测吗？
选题来源：
https://physicsworld.com/a/the-10-greatest-predictions-in-physics/
图片来源：
开普勒定律：Hankwang / Wikipedia
泊松亮斑：CC BY SA Thomas Reisinger
光速：PixxlTeufel / Pixabay & geralt / Pixabay
水星进动：scienceman.com
铀后元素：Aenigmatis-3D / Pixabay
镜框：AlLes / Pixabay
约瑟夫效应：FC GUBKIN
暗物质：NASA
本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：原原
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