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哦放肆那我可放肆惯了物理学的十大预言2021-02-19 14:58·返朴几个世纪以来理论物理学的许多预言改变了我们对世界的理解本文作者 David Appell 认为物理学有史以来最伟大的十项预言如下编译 | 姬扬（中国科学院半导体研究所）来源 | 本文选自《物理》2021年第2期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福特理论物理学家盯着黑板做计算和预测实验物理学家搭建设备观测和分析数据他们互相依赖：实验学家试图证明理论是正确的 (或错误的)或者理论学家想要解释实验观察英国理论物理学家爱丁顿 (Arthur Eddington) 说过实验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常见的是在伟大的理念需要澄清的时候每个人都有些迷失每隔一段时间某个人的创造就能够划破黑暗和混沌得到清晰透彻的成果立即推进他们的领域有时甚至能创造新的领域开普勒的三个定律牛顿（1687年）英国物理学家和数学家牛顿是通过数学计算进行预言的早期支持者他在1665 年创造了微积分 (莱布尼茨也大致同时地独立创造了)从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对于力和加速度的想法、开普勒对于行星运动的三个定律并从胡克 (Robert Hooke) 那里得到了对于行星的切向速度与它受到的径向力有关的想法指向太阳的引力服从平方反比定律牛顿将所有这些概念统一起来并加入自己的想法进而提出了他自己的三个运动定律和万有引力定律这四个定律为物理世界的研究带来了秩序提供了为它建模的数学工具特别是牛顿能够从纯粹的数学推导出开普勒的三个定律——这三个定律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种假设数学第一次能够直接的计算和预测天体的运动、潮汐、岁差等等最后明确地表明地上的现象和天上的现象都是由相同的物理规律支配阿拉戈亮斑泊松（1818年）法国数学家和物理学家泊松 (Siméon-Denis Poisson) 做过一个预言他相信这个预言是错误的但是他对预言的预言是错的反而意外地帮助证明了光是一种波1818年一些科学家 (包括泊松) 建议法国科学院的年度论文竞赛讨论光的性质期望这些文章支持牛顿的微粒理论 (光是由微小的粒子组成的)然而法国工程师和物理学家菲涅耳提交了一份报告基于惠更斯假设的想法 (光是一种波波前的每个点都是次级的波源)菲涅耳提出所有这些小波相互干涉泊松的尴尬点光源发出的光在圆形物体周围发生衍射阿拉戈亮斑位于衍射图案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照亮圆盘或球体在圆盘后面的轴上会出现一个亮点泊松认为这是荒谬的因为微粒理论清楚地预言说那里是完全的黑暗据说泊松很自信在菲涅耳进行论文宣讲的时候他站出来进行质疑领导竞赛委员会的数学家和物理学家阿拉戈 (Francois Arago) 迅速地在实验室里做了这个实验用的是火焰、滤光片和 2 mm 的金属圆片 (用蜡粘在玻璃片上)令人惊讶的是也让泊松尴尬的是阿拉戈观察到了预言的亮斑菲涅耳赢得了比赛此后这个亮斑被称为阿拉戈亮斑、泊松亮斑或者菲涅耳亮斑光速麦克斯韦（1865年）1860年在英国伦敦的国王学院苏格兰物理学家麦克斯韦开始在电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数学形式在1865年的论文《电磁场的动力学理论》里麦克斯韦导出了一组20个偏微分方程组 (直到1884年亥维塞德 (Oliver Heaviside) 才给出了我们熟悉的矢量微积分的表示方式)加上6个波动方程组 (电场E和磁场B各有3个空间分量) 麦克斯韦得出结论他几乎无法避免这样的推论即光是由同一介质的横向波动组成的而这种波动是电和磁现象的原因——他预言了光是电磁波麦克斯韦得到这种波的 (相) 速度 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利用带电电容器实验得到的空气 ε 值麦克斯韦计算出空气中的光速为 310740000 m/s将此与菲佐(Hippolyte Fizeau) 的测量值 314858000 m/s 和傅科 (Jean Leon Foucault) 的 298000000 m/s 进行比较他认为光是电磁波这个推论是正确的水星近日点的反常进动爱因斯坦（1915年）在1840年代法国天文学家勒维烈 (Urbain Le Verrier) 仔细分析了水星的轨道他发现与牛顿定律预言的精确椭圆不同行星椭圆轨道的近日点绕着太阳移动这个变化非常慢每世纪只有 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相互作用联系起来还剩下43角秒来历不明这个差别尽管很小却困扰着天文学家他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律中的指数与 2 有非常小的差别或者太阳是扁球形的)但一切似乎都过于刻意了(ad hoc)1915年德国理论学家爱因斯坦完成了广义相对论他能够计算出弯曲空间对水星轨道的影响从而推导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是光速对水星来说这正好是每世纪43角秒正好是缺失的数量严格地说这是一种事后的预言但是令人印象深刻结果证明水星近日点运动的方程是正确的你能想象我的快乐吗爱因斯坦写信给埃伦费斯特 (Paul Ehrenfest)我激动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但是德国物理学家梅耶夫人 (Maria Goeppert Mayer) 却添加了整整一行在美国哥伦比亚大学工作的时候梅耶夫人遇到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 Edwin McMillian 和 Philip Abelson 刚刚发现了第93号元素费米要求梅耶夫人利用托马斯-费米势能模型 (Llewellyn Thomas和费米在1927年独立发展的数值统计模型用于近似高Z原子中电子的分布)计算薛定谔方程对铀 (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-费米势对薛定谔方程的径向本征函数进行数值求解梅耶夫人发现 f 轨道开始填充在Z的临界值 (Z=59 为 4fZ=91 或 92 为 5f )由于模型的统计性质预计Z的不确定性有几个单位在这些临界值原子不再强烈地参与化学反应她的预言证实了费米的建议即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言了锕系稀土元素 (second series of rare earth elements又称为超铀行transuranic row)后来梅耶夫人因为发展核壳模型而分享了1963年的诺贝尔物理学奖电子的奇异磁矩施温格（1949年）在第二次世界大战期间美国理论物理学家施温格 (Julian Schwinger) 从事雷达和波导技术的研究他开发了基于格林函数的方法——为了求解复杂的微分方程可以通过求解更简单的格林函数的微分方程然后将它集成到原来的解中在实践中往往只能求微扰的解但是施温格本领高超战后施温格把他的格林函数方法转向了当时的物理前沿量子电动力学 (QED)——电子和光的相互作用在薛定谔和狄拉克的工作之后理论家们需要同时考虑量子的、相对论的电子和光子场的自相互作用以获得它们行为的细节但是对于可测量的量 (如质量和电荷)计算给出了讨厌的无穷大施温格首次用格林函数破除了一些数学雷区在1947年的一篇论文中他给出了对电子磁矩的一阶辐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麻麻的方程预言的一阶修正是：碳-12的7.65MeV能级霍伊尔（1953年）弱相互作用中的宇称不守恒李政道和杨振宁（1957年）到了1950年代对于电磁相互作用和强相互作用宇称守恒 (镜像的世界和现实世界的外观和行为完全一样) 的理念已经确立几乎所有的物理学家都期望弱力也是如此然而如果宇称守恒成立现有的理论就不能解释 k 介子的衰变因此在美国工作的中国理论学家李政道和杨振宁决定在已知的物理结果中更仔细地考察弱相互作用的宇称守恒的实验证据他们惊讶地发现什么也没有找到因此他们俩提出了一个理论即弱相互作用破坏了左右对称性他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刻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从而证实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因为这个预言而获得1957年诺贝尔物理学奖这是历史上最快的诺贝尔奖之一尽管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疏漏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 原子核的 β 衰变她首次发现电子的发射相对于粒子的自旋向下的方向集中反转磁场B以改变自旋的方向看到的不是发射(a)的镜像而是发现有更多的电子向上(b) ——这就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年）1977年诺贝尔物理学奖得主安德森 (Phillip Anderson) 回忆说在剑桥大学教约瑟夫森(Brian Josephson当时是研究生) 是一次令人不安的经历因为讲的一切都必须正确否则他会在课后给我解释由于这种关系约瑟夫森很快就向安德森展示了他做的对于两种超导体的计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进入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得到了这种结的电流和相位的变化率：其中J1 是绝缘结的参数 (临界电流)而 J 是无耗散的电流Φ 是势垒两侧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个月以后安德森和贝尔实验室的罗威尔 (John Rowell) 发表了对直流隧道电流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在有各种应用如直流和交流电子电路以及建造 SQUID(超导量子干涉仪)——可以用作极其敏感的磁强计和电压表的技术作为量子计算的量子比特等等暗物质鲁宾和福特（1970年）伟大的天文学家跟我们说这没啥意思有一次美国天文学家鲁宾(Vera Rubin)告诉一位采访者转得太快了鲁宾和福特发现螺旋星系(例如这里的NGC1232)中的外星以相同的速度运行这让他们预言了暗物质她说的是她和福特 (Kent Ford Jr) 在1970年的观察结果：在仙女座星系靠近边缘的恒星(外星outer stars) 都以同样的速度运行他们观察了更多的螺旋星系但这种效应仍然存在星系的转动曲线 (银河系内可见恒星的轨道速度与它们到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吃惊的是星系外缘附近的恒星转动得太快了它们应该会崩溃在鲁宾领导的团队里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)可以用数字形式进行精确的天文观测以进行分析鲁宾和福特的观测结果使他们预言星系内部有一些质量导致了异常的运动望远镜看不到它们但数量是发光物质的6倍为纪念瑞士天文学家兹威基 (Fritz Zwicky) 在1933年对 Coma 星系团进行了一项有启发性的研究鲁宾和福特首次将缺失质量称为暗物质因为它不发光利用宇宙学的标准ΛCDM模型计算宇宙微波背景下的温度涨落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%的暗能量宇宙中有85%的物质不发光这对我们来说仍然是个谜有许多实验正在试图识别它们本文经授权转载自微信公众号中国物理学会期刊网编译自 David Appell. Physics World2021(1)：36)