幾個世紀以來，物理學家提出了許多理論上的預言，改變了我們對世界執行方式的理解。David Appell是一位關注物理學領域的自由撰稿人，他選出了其中他認為最重要的十個預言，刊發於2021年首期的《物理世界》。
理論背後的面孔
上排：艾薩克·牛頓，西蒙·丹尼斯·泊松，詹姆斯·克萊克·麥克斯韋，艾伯特·愛因斯坦，瑪麗亞·格珀特·梅耶，朱利安·舒溫格。
下排：弗雷德·霍伊爾，楊振寧和李政道，布萊恩·約瑟夫森，維拉·魯賓，肯特·福特
（圖片來源，上排：Godfrey Kneller（1646–1723）；François-SéraphinDelpech（1778–1825） ）；AIP EmilioSegrè視覺檔案館，脆性圖書收藏；Ferdinand Schmutzer，1921年；美國能源部；AIP EmilioSegrè視覺檔案館，《今日物理學》收藏冊。實驗室/開爾文·法根（Kelvin Fagan）；《華盛頓時報》 / Shutterstock；AIP EmilioSegrè視覺檔案館，約翰·歐文（John Irwin）幻燈片收藏）
在物理學版圖中有一種理想的劃分：理論物理學家專注於筆頭和黑板，做計算和預測，而實驗物理學家則負責建造裝置，收集觀測並分析資料。
這兩組人相互依賴——實驗主義者可能在努力想要證明一個理論是正確或錯誤，而理論家則試圖解釋實驗觀察結果。對此，英國理論物理學家阿瑟•艾丁頓（Arthur Eddington）曾經幽默地諷刺道：“實驗主義者會驚訝地發現，我們不會接受任何沒有得到理論支援的證據。”
各種龐大概念層出不窮，而澄清遠非一時之功，讓每一個身處其中的物理學家都時不時會覺得迷失。這種情況在其他學科也不少見。然而，總有那麼幾次，這些群體中的某個人會給出一件作品，穿透黑暗，清晰如水晶，瞬間就將整個領域向前推進一大步，甚至開創出一個全新的領域。本文列舉的，正是這樣一些理論預言。
01
開普勒三定律，艾薩克·牛頓（1687年）
艾薩克·牛頓
英國物理學家和數學家牛頓是透過數學計算進行預測的早期支持者。1665年，他創造了“fluxions”——我們今天稱之為微積分（萊布尼茨幾乎在同一時間也獨立完成了）——他使得預測物體在空間和時間中的運動成為可能。之後，牛頓把伽利略（Galileo Galilei）提出的力和加速度的關係，與開普勒（Johannes Kepler）的行星運動三定律，以及羅伯特•胡克（Robert Hooke）在行星的切向速度和它所受的徑向力的關係上觀察到的引力方向（指向太陽）和大小（與距離的平方成反比）的規律結合起來，並加上他自己的思想，設計出他的運動三定律和萬有引力定律。
這四條定律為物理宇宙的研究帶來了秩序，同樣重要的是，也帶來了建模的數學工具。特別是，牛頓能夠從純數學中推匯出開普勒的三定律，即著名的行星以橢圓而不是圓運動的定律，同時將其作為他各種假設的試驗檯。這是第一次直接由數學來計算和預測天體的運動、潮汐、分點進動等等，同時終於清楚地表明，地球和天體現象是由同樣的物理規律所支配的。
02
阿拉戈亮斑，西蒙·丹尼斯·泊松（1818年）
西蒙·丹尼斯·泊松
法國數學家和物理學家西蒙·丹尼斯·泊松（Siméon Denis Poisson）曾經做出過一個他確信是錯誤的預測。然而，這個錯誤的預測無意中幫助別人證明了光是一種波。
1818年，一些科學家提出法國科學院的年度競賽應該是關於光的性質的，泊松也是其中之一，他希望這些參賽作品能支援牛頓的微粒理論——光是由“微粒”（小粒子）組成的。然而，法國工程師和物理學家奧古斯丁·讓·菲涅爾（Augustin Jean Fresnel）提出了一個基於克里斯蒂安·惠更斯（christian Huygen）的假設的想法，即光是一種波，波前的每個點都是二次小波的來源。Fresnal認為所有這些小波相互干擾。
泊松亮斑
泊松詳細研究了菲涅爾的理論。他透過計算發現菲涅耳衍射積分意味著，至少對於照明圓盤或球體的點光源來說，亮點會位於圓盤後面的軸上。泊松認為這是荒謬的，因為微粒理論清楚地預言這裡應該是完全的黑暗。
泊松是如此自信，一個版本的故事說，當比賽的時間到了，他站起來，在菲涅爾的講座前面對著他。弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）是競賽委員會的數學家和物理學家，他在實驗室裡用火焰、過濾器和一個2毫米的金屬圓盤迅速地進行了這項實驗，圓盤被蠟固定在玻璃板上。令所有人驚訝的是，阿拉戈觀察到了預測的亮斑。菲涅爾在比賽中獲勝，這個斑點後來被稱為阿拉戈亮斑、泊松亮斑或菲涅爾亮斑。
03
光速，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（1865）
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
1860年，在英國倫敦國王學院，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋開始在電磁學領域取得深入進展，將邁克爾·法拉第的實驗思想轉化為數學形式。
這一理論在1865年的論文《電磁場的動力學理論》中達到高潮。在這裡，麥克斯韋匯出了一組20個偏微分方程（直到1884年奧利弗·海維塞德（Oliver Heaviside）才被轉換成我們熟悉的向量演算符號），以及六個波動方程，其中三個分別代表電場E和磁場的空間分量B。麥克斯韋總結說，他“幾乎無法避免這樣的推論，即光是由同一介質的橫向波動構成的，而這種波動是產生電磁現象的原因”——也就是說，他預言光是一種電磁波。
波速（相位）v，麥克斯韋公式為：
其中μ是介質的磁導率，ε是介質的介電常數。麥克斯韋將空氣的滲透率μ取為1，利用充電電容器實驗確定的空氣的ε值，麥克斯韋計算出空氣中的光速為310740000 m/s。他將其與希波利特·菲索的測量值314858000 m/s和讓·萊昂·福柯的29800000 m/s進行了比較，得出他的結論光是電磁波的推論是正確的。
04
水星的反常近日點進動，阿爾伯特·愛因斯坦（1915）
阿爾伯特·愛因斯坦
19世紀40年代，法國天文學家烏爾班·勒維裡埃仔細分析了水星的軌道。他發現，與牛頓定律所預測的精確橢圓不同，行星橢圓軌道的近日點（離太陽最近的點）正在繞太陽移動。這種變化非常緩慢，每世紀只有575弧秒，但當時的天文學家只能解釋與太陽系其他行星相互作用產生的532弧秒，剩下43弧秒則無法解釋。
這種差異，無論多麼微小，都困擾著天文學家。他們提出了一系列的解決方案——一顆看不見的行星，一個牛頓引力定律中指數為2的近乎無窮小的變化，一個扁圓的太陽——但一切似乎都顯得有點刻意。然後，在1915年，當德國理論家愛因斯坦完成他的廣義相對論時，他能夠計算出彎曲空間對水星軌道的影響，由此匯出近日點進動的額外位移：
其中a是行星橢圓的半長軸，T是週期，e是偏心率，c是光速。
對於水星來說，這正好是每世紀43弧秒，正好是缺失的量。雖然嚴格地說這是一個後記，但它仍然令人印象深刻。“你能想象我的喜悅嗎，”愛因斯坦當年在給保羅·埃倫費斯特（Paul Ehrenfest）的信中寫道，“結果證明水星近日點運動的方程式是正確的？我激動得說了好幾天話。”
05
第二系列稀土元素，瑪麗亞·戈佩特·梅耶（1941）
瑪麗亞·戈佩特·梅耶
雖然不斷有人向元素週期表中新增新元素，但德國物理學家瑪麗亞·戈佩特·梅耶則直接添加了一整行元素。
在美國哥倫比亞大學（Columbia University）期間，梅耶遇到了恩里科•費米（Enrico Fermi）和哈羅德•尤里（Harold Urey）。由於丈夫在那裡工作，梅耶並不領薪水。費米試圖找出鈾的衰變產物以及可能存在於它之外的元素，因為93號元素錼剛剛被埃德溫·麥克米利安和菲利普·阿貝爾森發現。費米要求戈佩特·邁耶使用托馬斯-費米勢能模型（1927年盧埃林·托馬斯和費米獨立開發的一種數值統計模型）計算厄溫·薛定諤方程中鈾附近原子（原子序數Z = 92）5f電子軌道的本徵函式高Z原子中電子的分佈。
透過數值求解薛定諤方程和徑向本徵函式的托馬斯-費米勢，梅耶發現f軌道開始填充到臨界值Z（對於4f為Z = 59，對於5f為Z = 91或92），由於模型的統計性質，預計會有幾個Z單位的誤差。在這些臨界值下，原子停止強烈參與化學反應。梅耶的預測證實了費米的說法，即鈾以外的任何元素在化學上都與已知的稀土元素相似，從而預測了超鈾行列。戈佩特·梅耶後來因發展核殼模型共享了1963年諾貝爾物理學獎。
06
電子的反常磁矩，朱利安·施文格（1949）
朱利安·施文格
第二次世界大戰期間，美國理論物理學家朱利安·施溫格（Julian Schwinger）致力於新型雷達和波導技術的研究，在這個過程中開發了基於格林函式的方法——一種透過求解一個簡單的微分方程（給出格林函式）來求解複雜微分方程的方法，然後可以將其整合，以給出原始的解決方案。在實踐中這很複雜，通常會讓人算的頭昏腦漲，但是對此施溫格很擅長。
戰後，施溫格將他在格林函式方面的技能應用於當時的前沿物理學，量子電動力學（QED）——即電子與光的相互作用。在薛定諤和保羅狄拉克的工作之後，理論家現在需要包括量子、相對論電子和光子場的自相互作用，以獲得它們行為的細節。但是計算給出了可測量的物理量（例如質量和電荷）具有可怕的無限性。施溫格是第一個利用格林函式破解一部分數學雷區的人，在1947年的一篇論文中，他給出了所謂電子磁矩一階輻射修正的結果。他的完整理論在1949年的一篇論文中達到了頂峰，密集的方程預測一階修正為：
其中α是精細結構常數（≈1/137），μ0是電子的經典磁矩。實驗很快證實了這一點，今天分數α/2π被刻在施溫格的墓碑上。
量子電動力學（QED）是科學上最精確的理論，它對電子δμ的五階預測現已透過實驗驗證了1013中的三個部分，它的建立對於理解鐳射、量子計算和穆斯堡爾光譜學具有重要意義，是基本粒子物理標準模型的原型。理查德·費曼稱量子電動力學為“物理學的寶石”。
07
碳12中的7.65 MeV能級，弗雷德·霍伊爾（1953）
弗雷德·霍伊爾
20世紀30年代，漢斯·貝特（Hans Bethe）等科學家已經證實，恆星的能量來源於原子核的聚變，即質子（氫離子）與氦核（α粒子）的聚變，然後成對的原子核與鈹-8（8Be）的聚變。除此之外，科學家們還發現氮、氧和其他原子核是由碳-12（12C）形成的。然而，沒有人知道12C是如何從不穩定的8Be核中產生的。元素是如何從恆星內部燃燒或大爆炸後產生的，其完整過程是個謎，然而12C就在我們周圍。
雖然高度不穩定的8Be核會很快衰變回兩個α粒子，但三個α粒子結合形成12C的計算似乎被排除在外，因為反應的機率太低，無法解釋宇宙中的碳元素數量。然而，霍伊爾大膽地預測了12C的新能級，在基態以上7.65兆電子伏。這種被稱為“霍伊爾態”的12C激發態，正好是8Be與α粒子反應形成的共振。雖然霍伊爾態幾乎總是衰變回三個α粒子，但平均每2421.3次衰變一次，它就會變成12C的基態，以伽馬射線的形式釋放出額外的能量。然後12C原子要麼保持原樣，要麼與α粒子融合生成氧，依此類推。當恆星在超新星中爆炸時，碳原子和其他原子核冷卻成原子並充滿宇宙。
幾個月後，由沃德·瓦林領導的加州理工學院的一個實驗小組透過對氮-14衰變產生的α粒子光譜進行磁性分析，發現這樣一個12C的狀態為7.68± 0.03 MeV，從而證明霍伊爾正確地預言了宇宙中最重要元素之一的起源。
08
弱相互作用中的宇稱破壞，李政道和楊振寧（1957）
李政道和楊振寧
宇稱守恆是一種觀點，認為無論在鏡子內外，世界的外觀和行為都是一樣的，這種觀點在20世紀50年代已經在電磁和強相互作用中得到了牢固的確立。幾乎所有的物理學家都認為弱力也是一樣的。然而，如果宇稱守恆是真的，一些被稱為kaons的粒子衰變就不能用現有的理論來解釋。因此，華裔理論物理學家李政道和楊振寧決定更仔細地研究弱相互作用物理已知結果中宇稱守恆的實驗證據。令人驚訝的是，他們什麼也沒找到。
為了驗證李政道和楊振寧的理論，吳健雄研究了鈷-60核的β射線發射。首次發現電子發射相對於粒子的自旋向下集中。當磁場B被反轉以改變自旋方向，而不是看到發射的映象（a），他們發現有更多的電子向上移動（B），從而證明弱相互作用的宇稱破壞。
結果，兩人提出了一個理論，即弱相互作用破壞了左右對稱性。他們與實驗家吳健雄合作，設計了幾個實驗來觀察透過弱力進行的不同粒子衰變。吳健雄很快開始著手設計實驗，透過測試鈷-60中β衰變的性質，她觀察到一種不對稱性，這表明奇偶性被破壞，因此證實了李和楊的預測。
李政道和楊振寧在他們的論文發表後僅僅12個月就因為他們的預測獲得了1957年的諾貝爾物理學獎，這是歷史上最快的諾貝爾獎之一。不過，儘管證實了這一理論，但吳健雄沒有分享諾貝爾獎，隨著時間的推移，這一疏忽只會引起更多爭議。
09
約瑟夫森效應，布萊恩·約瑟夫森（1962）
布萊恩·約瑟夫森
1977年諾貝爾物理學獎得主菲利普·安德森（Phillip Anderson）曾回憶起在劍橋大學研究生時教布賴恩·約瑟夫森（Brian Josephson）的經歷：“我可以向你保證，這對一位講師來說是一次令人不安的經歷，因為一切都必須是正確的，否則他會在課後上來讓我解釋。”
但由於這種關係，約瑟夫森很快向安德森展示了他所做的關於兩個超導體的計算，這兩個超導體被一層薄薄的絕緣層或一小塊非超導金屬隔開。他預測由成對電子（庫珀對）組成的“直流超電流”可以透過勢壘從一個超導體到另一個超導體的量子隧道，這是宏觀量子效應的一個例子。
約瑟夫森計算出這種結的電流和相位變化率的形式為：
式中，J1是絕緣接頭的引數，稱為臨界電流，因此J是無耗散電流。Φ是勢壘兩側庫珀對波函式之間的相位差，e是電子上的電荷，V是超導體之間的電位差。
9個月後，貝爾電話實驗室（現為諾基亞貝爾實驗室）的安德森和約翰·羅威爾發表了關於直流隧道電流的實驗觀察報告，約瑟夫森的這一預測將獲得1973年諾貝爾獎。約瑟夫森結現在被用於各種各樣的應用，比如直流和交流電子電路，以及製造超導量子干涉器件（SQUIDs）——這項技術可以用作極為靈敏的磁強計和伏特計，也可以用作量子計算的量子位等等。
10
暗物質，維拉·魯賓與W·肯特·福特（1970）
維拉·魯賓
美國天文學家維拉·魯賓曾對一位採訪者說：“偉大的天文學家對我們說，這沒有任何意義。”
她說的是她和肯特·福特1970年觀察到的在仙女座星系中執行的外星都是以同樣的速度執行的。他們被告知要觀察更多的螺旋星系；這種影響持續存在。星系的自轉曲線（星系內可見恆星的軌道速度與它們到星系中心的徑向距離的曲線圖）是“平坦的”，這似乎與開普勒定律相矛盾。更令人擔憂的是，星系外緣附近的恆星執行速度如此之快，它們應該會分崩離析。
螺旋星系
維拉·魯賓和W·肯特·福特觀察到旋渦星系中的外恆星（如NGC1232）以同樣的速度執行，這一現象使得他們預測了暗物質的存在。（由ESO提供）
魯賓領導的團隊中，福特公司製造了新的觀測儀器，特別是一種基於電子光電倍增管的先進光譜儀，這種光譜儀可以將他們精確的天文觀測資料以數字形式捕捉下來進行分析。
魯賓和福特的觀察結果使他們預測，星系內部有某種物質導致了這種異常運動，他們的望遠鏡無法看到這種物質，但其數量大約是目前發光物質數量的六倍。1933年瑞士天文學家弗裡茨·茲維基對彗發星系團進行了一項具有啟發性的研究後，首次被稱為“失蹤質量”，魯賓和福特為我們今天所說的“暗物質”提供了第一個有力的證據，因為它甚至不發射光子。利用標準ΛCDM宇宙學模型計算了宇宙微波背景下的溫度起伏，結果表明：宇宙總質量和能量中約有5%是普通物質和能量，27%是暗物質，暗能量佔68%。儘管宇宙中85%的物質是不發光的，但對今天的科學界來說，這仍然是一個謎，需要更多的實驗來確定。