物理学史上十大具有里程碑意义的预测DavidAppell是一位专注于物理学领域的自由撰稿人。他选出了他认为最重要的十个预言，发表在2021年第一期的《物理世界》上，朱利安·舒温格。
下排：弗雷德·霍伊尔、杨振宁和李正道、布莱恩·约瑟夫森、维拉鲁宾、肯特福特
（图片来源，上排：GodfreyKneller(1646–1723)；Francois-SéraphinDelpech(1778–1825));AIPEmilioSegrè视觉档案，易碎书籍收藏；费迪南德·施穆策(FerdinandSchmutzer)，1921年；美国能源部；AIPEmilioSegrè视觉档案，《今日物理学》收藏。实验室/KelvinFagan；《华盛顿时报》/Shutterstock；AIPEmilioSegrèVisualArchive,JohnIrwinSlideCollection)
物理领域有一个理想的划分：理论物理学家专注于笔和黑板，进行计算和预测，而实验物理学家则建造设备，收集观察结果并分析数据。
这两个群体相互依赖——实验者可能试图证明一个理论是对还是错，而理论家则试图解释实验观察。对此，英国理论物理学家阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington）曾幽默地说：“实验学家会惊奇地发现，我们不会接受任何没有理论支持的证据。”
这个庞大的概念层出不穷，澄清也远非一蹴而就，让每一个卷入其中的物理学家都不时感到茫然。这种情况在其他学科中并不少见。但是，总有那么几次，这些群体中有人会拿出一个划破黑暗、晶莹剔透的作品，瞬间将整个领域推向前进，甚至开辟一个全新的领域。本文列举的正是这样的理论预测。
01
开普勒三定律，艾萨克·牛顿(1687)
艾萨克·牛顿
英国物理学家和数学家牛顿很早就提倡通过数学计算进行预测。1665年，他创造了“流量”——我们今天所知的微积分（莱布尼茨大约在同一时间独立完成了这项工作）——他使预测物体在空间和时间上的运动成为可能。后来，牛顿将伽利略提出的力与加速度的关系与约翰内斯开普勒的行星运动三定律，以及罗伯特胡克关于行星切线速度及其影响的理论相结合。结合在径向力关系上观察到的引力方向（指向太阳）和大小（与距离的平方成反比）定律，并加入自己的想法，他设计了他的三大运动定律和万有引力定律.
这四个定律为物理宇宙的研究带来了秩序，同样重要的是，为建模的数学工具带来了秩序。特别是，牛顿能够从纯数学中推导出开普勒三大定律，即行星以椭圆而不是圆形运动的著名定律，同时将它们用作他的各种假设的试验台。这是第一次用数学直接计算和预测天体运动、潮汐、岁差等，同时也终于清楚地表明，地球和天体现象受相同的物理定律支配.AragoBrightSpot,Confucius(1818)
Confucius
法国数学家、物理学家西蒙·丹尼斯·泊松（SiméonDenisPoisson）曾做出一个他认为是错误的预言。然而，这个错误的预测却在无意中帮别人证明了光是一种波。
1818年，有科学家提出法国科学院的年度竞赛应该是关于光的本质，泊松就是其中之一。他希望这些条目能够支持牛顿的粒子理论——光是由“粒子”（小粒子）组成的。然而，法国工程师和物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔根据克里斯蒂安·惠更斯的假设提出了一个想法，即光是波，每个波前的每个点都是二次小波的源。Fresnal认为所有这些小波都相互干扰。
泊松亮点
这张图也叫“泊松烦恼”，可以看出中心的干涉图样是圆形物体周围点光源的光绕射造成的。这个小亮点表明光表现得像波浪。（来源：SAThomasReisinger）
泊松详细研究了菲涅耳的理论。他计算出菲涅耳衍射积分意味着，至少对于照亮圆盘或球体的点光源，亮点将位于圆盘后面的轴上。泊松认为这是荒谬的，因为粒子理论清楚地预言这里应该是完全黑暗的。
泊松是如此自信，以至于有一个版本的故事说，当比赛时间到了，他站起来面对菲涅耳在他的演讲前。竞赛委员会的数学家和物理学家弗朗索瓦·阿拉戈(FrancoisArago)在他的实验室里使用火焰、过滤器和一个2毫米的金属圆盘迅速进行了实验，圆盘用蜡固定在玻璃板上。令所有人惊讶的是，阿拉戈观察到了预测的亮点。菲涅尔赢得了比赛，这个斑点被称为阿拉戈亮点、泊松亮点或菲涅尔亮点。
03
光速，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1865）
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
1860年，在英国伦敦国王学院，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦开始在该领域深入推进电磁学，它将迈克尔法拉第的实验思想转化为数学形式。
这一理论在1865年的论文《电磁场的动力学理论》中达到顶峰。在这里，麦克斯韦导出了一组20个偏微分方程（直到1884年才被奥利弗·海维赛德翻译成人们熟悉的向量微积分符号）和六个波动方程，其中三个表示电场E和磁场的空间分量B场地。麦克斯韦总结说，他“几乎不可避免地要避免光是由同一介质的横向波动组成的推论，这种波动是造成电磁现象的原因”——也就是说，他预测光是一种电磁波。
波速（相位）v，麦克斯韦公式为：
其中μ为介质的磁导率，ε为介质的介电常数。麦克斯韦取空气渗透率μ为1，利用充电电容实验确定的空气的ε值，麦克斯韦计算出光在空气中的传播速度为310740000m/s。他将其与HippolyteFizeau的测量值314,858,000m/s和Jean-LéonFoucault的29,800,000m/s进行了比较，并得出结论，他关于光是电磁波的推论是正确的。AnomalousperihelionofMercury,AlbertEinstein(1915)
AlbertEinstein
1840年代，法国天文学家UrbanLeVerrier仔细分析了水星的轨道。他发现，与牛顿定律预测的精确椭圆不同，行星椭圆轨道的近日点（最靠近太阳的点）绕着太阳运动。这种变化非常缓慢，每世纪只有575角秒，但当时的天文学家只能从与太阳系其他行星的相互作用中解释532角秒，还有43角秒无法解释。
这种差异，无论多小，都让天文学家百思不得其解。他们提出了一系列解决方案——一颗看不见的行星、指数为2的牛顿万有引力定律几乎无穷小的变化、一颗扁圆的太阳——但一切似乎都经过深思熟虑。1915年，德国理论家爱因斯坦完成广义相对论后，计算出弯曲空间对水星轨道的影响，由此推导出近日点进动的附加位移：
其中a为行星椭圆的半长轴，T为周期，e为偏心率，c为光速。
对于水星来说，这恰好是每世纪43角秒，正好是缺失的数量。虽然这完全是一个结语，但它仍然令人印象深刻。“你能想象我的喜悦吗，”爱因斯坦当时写信给保罗·埃伦费斯特，“发现水星近日点运动的方程是正确的？我兴奋地说了好几天。”
05
第二系稀土元素，MariaGoeppertMeyer(1941)
MariaGoeppertMeyer
虽然元素周期表元素不断加入新元素，但德国物理学家MariaGoeppertMeyer只是简单地加了一整行的元素。
在哥伦比亚大学期间，Mayer遇到了EnricoFermi和HaroldUrey。Mayer没有领薪水，因为她的丈夫在那里工作。费米试图寻找铀的衰变产物以及铀外可能存在的元素，因为埃德温·麦克米利安和菲利普·阿贝尔森刚刚发现了93号元素镎。费米请戈佩特迈耶利用托马斯-费米势能模型（LlewellynThomas和费米于1927年独立开发的数值统计模型）计算了铀附近的原子（原子序数Z=92）的5f电子轨道的本征函数电子在高Z原子中的分布。
通过数值求解薛定谔方程和径向特征函数的Thomas-Fermi势，Meyer发现f轨道开始填充到临界值Z（4f的Z=59，5f的Z=91或92）,由于模型的统计性质，预计会有几个Z单位的误差。在这些临界值下，原子不再强烈参与化学反应。Mayer的预测证实了Fermi的说法，即除铀以外的任何元素在化学上都与已知的稀土元素相似，从而预测了超铀元素。GoppertMayer后来因开发核-壳模型而分享了1963年的诺贝尔物理学奖。
06
电子的异常磁矩，JulianSchwinger(1949)函数-一种通过求解简单微分方程（给定格林函数）来求解复杂微分方程的方法，然后可以对其进行积分以给出原始解。在实践中，这很复杂，而且通常难以理解，但Schwinger擅长于此。
战后，施温格将他的格林函数技能应用到当时最前沿的物理学，量子电动力学（QED）——电子与光的相互作用。继薛定谔和保罗狄拉克的工作之后，理论家们现在需要包括量子、相对论电子和光子场的自相互作用，以获得它们行为的细节。但是计算给出了可测量的物理量，例如无穷大的质量和电荷。施温格率先利用格林函数破解了一部分数学雷区。在1947年的一篇论文中，他给出了电子磁矩的所谓一阶辐射校正的结果。他的完整理论在1949年的一篇论文中达到顶峰，其中密集方程预测一阶校正为：
其中α是精细结构常数(≈1/137)，μ0是电子的经典磁矩。实验很快证实了这一点，今天分数α/2π被刻在施温格的墓碑上。
量子电动力学（QED）是科学中最准确的理论，其对电子δμ的五阶预测现已在1013年分三部分得到实验验证，其建立对于理解激光、量子计算和穆斯鲍尔光谱学至关重要意义重大，是基本粒子物理标准模型的雏形。理查德·费曼称量子电动力学为“物理学的宝石”。
07
7.65MeVenergylevelincarbon12,Biden(1953)
Biden
在1930年代，HansBethe等科学家已经证实恒星的能量来自于原子核中质子（氢离子）的聚变与氦原子核（α粒子），然后成对原子核与铍8(8Be)融合。除其他外，科学家发现氮、氧和其他原子核是由碳12(12C)形成的。然而，没有人知道12C是如何从不稳定的8Be核心中生成的。元素如何从恒星内部燃烧或大爆炸后产生的完整过程是一个谜，但12C就在我们身边。
虽然高度不稳定的8Be原子核会迅速衰变回两个α粒子，但三个α粒子结合形成12C的计算似乎被排除在外，因为反应的概率太低，无法解释宇宙中的碳量.然而，霍伊尔大胆地预测了12C的新能级，比基态高7.65MeV。这种12C激发态，称为“霍伊尔态”，恰好是8Be与α粒子反应形成的共振。虽然霍伊尔态几乎总是衰变回三个α粒子，但平均每衰变2421.3，它就会变为12C的基态，以伽马射线的形式释放额外的能量。然后12C原子要么保持原样，要么与alpha粒子融合产生氧气，依此类推。当一颗恒星在超新星中爆炸时，碳原子和其他原子核冷却成原子并充满宇宙。
几个月后，WardWaring领导的加州理工学院实验小组通过对氮-14衰变产生的α粒子谱进行磁分析，发现这样一个12C态为7.68±0.03MeV，从而证明霍伊尔正确地预测了宇宙中最重要元素之一的起源。
08
弱相互作用中的奇偶违反，Lee&Yang(1957)
Lee&Yang
奇偶守恒是世界在镜子内外都看起来和行为的想法再次，这种观点在50年代的电磁学和强相互作用。几乎所有物理学家都同意弱力也是如此。然而，如果宇称守恒为真，一些称为介子的粒子的衰变就无法用现有理论来解释。因此，美籍华人理论物理学家李政道和杨振宁决定在弱相互作用物理的已知结果中更仔细地研究宇称守恒的实验证据。令人惊讶的是，他们一无所获。
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射线发射。首次发现电子发射相对于粒子的自旋向下集中。当磁场B反转以改变自旋方向时，他们没有看到发射的镜像(a)，而是发现有更多电子向上移动(b)，从而证明了弱相互作用的宇称违反。
结果，两人提出了弱相互作用打破左右对称性的理论。他们与实验家吴建雄合作，设计了多个实验来观察不同粒子通过弱力的衰变。Wu很快着手设计实验来测试钴60中β衰变的特性，她观察到一个表明宇称破缺的不对称性，从而证实了Li和Yang的预测。
1957年李政道和杨振宁的预测在他们的论文发表仅12个月后就获得了诺贝尔物理学奖，这是历史上最快的诺贝尔奖之一。但尽管证实了这一理论，吴健雄并没有分享诺贝尔奖，这一遗漏只会随着时间的推移引发更多争议。
09
约瑟夫森效应，布莱恩·约瑟夫森(1962)
布莱恩·约瑟夫森
1977年诺贝尔物理学奖得主菲利普·安德森回忆起在剑桥大学读研究生时教布赖恩·约瑟夫森的经历：“我可以向你保证，这是一次令人不安的经历一位讲师，因为一切都必须是正确的，否则他会在下课后过来要求我解释。”
但因为这种关系，约瑟夫森很快向安德森展示了他对两个由薄绝缘层或一小块非超导金属隔开的超导体所做的计算。他预测，由电子对（库珀对）组成的“直流超电流”可以通过势垒从一个超导体量子隧穿到另一个超导体，这是宏观量子效应的一个例子。
约瑟夫森计算该结点的电流和相位变化率的形式为：
其中J1是绝缘结点的一个参数，称为临界电流，因此J是非耗散电流。Φ是势垒两侧库珀对波函数的相位差，e是电子上的电荷，V是超导体之间的电位差。
9个月后，贝尔电话实验室（现为诺基亚贝尔实验室）的Anderson和JohnLowell发表了关于直流隧道电流的实验观察报告。贝尔奖。约瑟夫森结现在用于各种应用，例如直流和交流电子电路，以及制造超导量子干涉装置(SQUID)——一种可用作极其灵敏的磁力计和电压计以及用于量子的量子比特的技术计算等等。
10
DarkMatter,VeraRubinandW.KentFord(1970)
VeraRubin
美国天文学家VeraRubin曾对一位采访者说：“伟大的天文学对我们来说没有任何意义。”
她说的是1970年她和KentFord在仙女座星系观测到的外星行星都以同样的速度运动。他们被告知要观测更多的旋涡星系，效果依然存在。一个星系的自转曲线（星系内可见恒星的轨道速度与它们距星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。更令人担忧的是，靠近星系外缘的恒星正在移动
旋涡星系
VeraRubin和W.KentFord观察到旋涡星系中的外层恒星（例如NGC1232）以相同的速度运行，这使他们预测存在暗物质。（由ESO提供）
Rubin在福特领导的一个团队建造了新的观测仪器，特别是一种基于电子光电倍增管的先进光谱仪，可以将其精确的天文观测结果转换为数字形式，以供分析。
鲁宾和福特的观察使他们预测，银河系内部有某种东西导致了异常运动，这种东西用他们的望远镜是看不见的，但它的存在量大约是现有发光物质的六倍。瑞士天文学家FritzZwicky于1933年对星系的彗发团进行了一项富有启发性的研究，最初被称为“缺失质量”，鲁宾和福特为我们今天所知的“暗物质”提供了基础。它的第一个有力证据，因为它甚至不发射光子。使用标准ΛCDM宇宙学模型计算宇宙微波背景的温度波动，结果表明，宇宙总质量和能量中约有5%为普通物质和能量，27%为暗物质，暗能量占68%。尽管宇宙中85%的物质是不发光的，但这对今天的科学界来说仍然是个谜，需要更多的实验才能确定。
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