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物理学的10个最大预测

19 Jan 2021
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几个世纪以来,已经有许多理论物理预测,震撼了我们对世界的作用方式的理解。 David Appell. 突出他认为是所有时间的前10名

Isaac Newton,Siméon-denispoisson,James Clerk Maxwell,Albert Einstein,Maria Goeppert Mayer,Julian Schwinger,Fred Hoyle,Chen-Dao Lee,Brian Josephson,Vera Rubin和W Kent Ford Jr面临理论背后 顶部行:艾萨克牛顿,Siméon-丹尼斯·泊松,詹姆斯·克雷克麦克韦尔(Albert Einstein),玛丽亚·沃珀特·梅尔,朱利安·舒卧林。 底行:弗雷德霍河,陈宁杨和慈爱李,布莱恩约瑟夫森,维拉·鲁宾,W肯特福特Jr.(图片来源,顶行:Godfrey膝盖(1646-1723);François-séraphindelpech(1778-1825 ); AIP EmilioSegrè视觉档案馆,脆性书籍集合; Ferdinand Schmutizer,1921; Doe; Aip EmilioSegrè视觉档案,物理学今天收集。底行:Martyn Goddard / Shutterstock; Nypl / Science / Scothstock; CC通过SA Caventish实验室/凯尔文·佛山;华盛顿时报/羽毛房; AIP EmilioSegrè视觉档案馆,John Irwin Slide Collection)" />
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理论物理学家盯着黑板,做计算并做出预测。实验物理学家建立设备,收集观察和分析数据集。 (至少,这就是它在最好的时候。)

这两组群体依赖于彼此 - 实验主义者可能试图证明理论是正确的(或错误的),或者可能是理论家试图解释实验观察。随着英国理论物理学家Arthur Eddington一旦扭曲它,“实验主义者就会感到惊讶地认为我们不会接受任何未经理论证实的证据。”

但往往,每个人都在一个关于清晰起见呼声的大想法的世界中有点丢失。只有每一次偶尔都是来自其中一个群体的人产生了一项工作,这些工作会通过杂音切断,提供瞬间推进其现场的晶体效果,有时甚至会产生它。

在本文中,我选择了我认为的10个最大的理论物理预测,以时间顺序提出。当然,任何此类列表都有点任意,取决于提交人的预防,意见和知识。任何读者都不会怀疑不同意一些,也许是所有人。我们很乐意听到自己的想法,评论和意见,所以取得联系 [email protected].

Kepper的三个法律,由Isaac Newton(1687年)

英国物理学家和Mathematician Isaac Newton是通过数学计算预测的早期支持者。通过在1665年创建他的“势利” - 我们今天呼叫微积分(Gottfried Wilhelm Leibniz在大约同一时间做了太独立了) - 他使得可以通过空间和时间预测物体的运动。

为此,牛顿从伽利略伽利略的掌握和加速,从约翰内斯开普勒和他的三个行星行动法律,以及从罗伯特出海的罗伯特对地球的切向速度与其经历的径向力量相比,具有反向的径向力广场法指向太阳。牛顿联合所有这些观念,并增加了自己的想法,制定了他的三个动议法和他的普遍引力。

这四项法律为物理宇宙的研究提供了命令,同样重要的是,模拟它的数学工具。特别是,牛顿能够推导开普勒的三个法律 - 这有名地表明行星在椭圆上移动而不是循环 - 从纯数学,同时使用它们作为他的各种假设的测试床。由于第一次直接数学允许计算,并预测天体物体的动作,潮汐,昼夜平分的动作等,同时终于明确地明确地统治了陆地和天文的统治。

Arago Spot,Siméon-Denis Poisson(1818)

法国数学家和物理学家Siméon-Denis Poisson曾经做过预测,他确信错了。相反,他对预测的预测是错误的,他意外地帮助证明光是波浪。

1818年,泊松是一系列科学家之一,他提出了法国科学学院的年度竞争应该是关于光的财产,期望支持牛顿的肉类理论 - 光线由“小粒子”(小颗粒)组成。然而,Augustin-Jean Fresnel - 法国工程师和物理学家 - 提交了一个建立在Christiaan Huygen的假设上的想法,即光是波浪,其波前在其波前的每个点次要小波源。 FRESLAL提出所有这些小波彼此相互干扰。

Poisson spot

泊松学习了菲涅耳的理论。他意识到菲涅耳的衍射积分暗示,至少对于照射盘或球的点光源,亮点将位于盘后面的轴上。泊松认为这是荒谬的,因为肉体理论明确预测会有完全黑暗。

泊松是如此自信,这个故事的一个版本,当竞争的演示时,他在菲涅尔的讲座和面对他时站起来。 FrançoisArago - 前往比赛委员会的数学家和物理学家 - 用火焰,过滤器和2毫米金属圆盘迅速在他的实验室中进行了实验,并用蜡连接到玻璃板上。对于每个人的惊喜,而泊松的Chagrin,Arago观察了预测的位置。菲涅尔赢得了比赛,而斑点被称为阿拉戈现货,泊松点或菲涅耳穴位。

光速,由James Clerk Maxwell(1865)

1860年,在英国伦敦王的大学,苏格兰物理学詹姆斯·克劳克·克斯威尔队开始在电力和磁场领域进步,将迈克尔法雷德的实验思想转化为数学形式。

一系列出版物在1865年纸上终止于“电磁场的动态理论”(伦敦皇家学会的哲学交易 155 459)。在这里,Maxwell衍生了一组20个局部微分方程(它们尚未施放到US熟悉的向量符号中,直到奥利弗在1884年沉重的是,六个波浪方程,电场的每个空间部件三个, E和磁场, B。 Maxwell得出结论,他可以“几乎没有避免光线在一起的推理,这是电磁现象的原因的相同媒体的横向波动” - 也就是说,他预测光是一种电磁波。

波(阶段)速度, v麦克斯韦派生的是:

v=1με

其中μ是介质的渗透率和ε。 Maxwell将空气的渗透率μ为1,并且使用由带电电容器实验建立的空气的ε的值,Maxwell计算出空气中的光速为310,740,000 m / s。他有利地与海马外汇的测量值314,858,000米/秒的298,000,000米/秒的标准值相比,得出光明是电磁波的推断是正确的。

Albert Einstein(1915)的异常的米歇尔汞

在1840年代,法国天文学家Urbain Le Verrier仔细分析了汞的轨道。他发现,而不是牛顿法律预测的精确椭圆,而是星球的椭圆轨道的截瘫 - 它对太阳的最接近的点 - 正在围绕太阳转移。这个变化很慢,只有575个克弧秒,而是当时的天文学家只能占太阳系中其他行星的532个弧秒,留下43个弧形秒。

差异,无论是小,困扰的天文学家。他们提出了一系列解决方案 - 一个看不见的星球,一个近乎无穷无尽的变化,在牛顿的引力法中的2次临时,一个扁平的太阳 - 但一切似乎是临时。然后,在1915年,正如他完成了他的一般相对论的理论,德国理论家艾伯特爱因斯坦能够计算弧形空间对水星轨道的影响,从而导致普里翁预测的额外转变为:

ε=24π3a2T2c2(1e2)

在哪里 a 是地球椭圆的半臂轴, T 它的时期, e 它的怪癖和怪物 c the speed of light.

对于汞而言,这是每世纪的43个弧秒,正是缺少金额。虽然严格来说这是一个迟到的次数,但仍然令人印象深刻。 “你能想象我的快乐,”爱因斯坦那一年写信给保罗·埃希斯弗斯,“结果是,汞的普林丝运动的方程式证明是正确的?兴奋我几天无言以对。“

第二系列稀土元素,由Maria Goeppert Mayer(1941)

这不是每天有人为周期表增加一个新的元素,但德国物理学家玛丽亚·戈珀特Mayer进一步走了一步并添加了整行。

在美国的哥伦比亚大学 - 没有薪水的情况下,因为她的丈夫在那里雇用 - Mayer遇到了Enrico Fermi和Harold Urey。费米试图难以困扰铀和元素的腐烂产品,因为Edwin McMillian和Philip Abelson的元素93曾经发现过。 Fermi要求Goeppert Mayer使用托马斯 - 费米模型来计算ErwinSchrödinger等式的伊尔沃·施林轨道的方程,用于使用托马斯 - 费米模型进行潜在能量 - 通过Llewellyn Thomas和Fermi独立开发的数值统计模型在1927年,以近似高Z原子中的电子分布。

用数值求解Schrödinger的方程与托马斯 - 费米电位的径向特征碰撞,Goeppert Mayer发现F轨道开始填充Z(Z = 59的Z = 59,Z = 91或92的Z = 91或92),具有不准确的由于模型的统计性质,几个单位的z预期。在这些临界价值处,Atom停止了强烈参与化学反应。 Mayer的预测验证了Fermi的建议,即铀超出的任何因素与已经已知的稀土元素化学相似,从而预测经阵挛的行。 Goeppert Mayer稍后会分享 1963年诺贝尔物理奖 用于核壳模型的发展。

电子的异常磁矩,由Julian Schwinger(1949)

在第二次世界大战期间,美国理论物理学家朱利安·施怀克在战时雷达和波导技术上工作,他通过求解了一种更简单的函数来解决复杂微分方程的方法,可以集成将解决方案提供给原来。在实践中复杂,它通常只能刺痛,但Schwinger是一个大师。

战争结束后,Schwinger将他的技能与绿色的功能转向当天的压制物理学,量子电动力学(QED) - 电子和光的相互作用。在Schrödinger和Paul Dirac的工作之后,Theorist现在需要包括量子,相对论电子和光子场的自相互作用,以获得其行为的细节。但计算为令人难以置信的数量,令人讨厌的数量是质量和电荷的令人讨厌的。 Schwinger是第一个通过使用绿色的功能来破解的至少一些数学雷区,并且在1947年的纸张中,他给出了所谓的一阶辐射校正对电子的磁矩。他的全部理论在1949年的纸质中达到了高潮,致密方程页预测一阶校正是:

δμ=(α2π)μ0

其中α是细结构常数(≈1/137)和μ0 电子的古典磁矩。这是通过实验快速确认的,今天的级数α/2π驻留在Schwinger的墓碑上。

QED的建立 - 科学中最精确的理论,其第五阶预测电子对于电子的Δμ目前已经通过实验验证到10分中13 - 对激光器,量子计算和Mössbauer光谱进行了很重要,是基于粒子物理学标准模型的原型。理查德·费曼叫QED“物理宝石”。

碳-12的7.65 mev能量水平,弗雷德霍德霍伊尔(1953年)

1953年,英国天文学家Fred Hoyle预测了他在生活后来实现的,因为他和所有的生命都存在。

在20世纪30年代,汉斯贝特等科学家建立了星星从原子核(氢离子)融合到氦核(α颗粒)中的能量,然后将这些成对成铍-8(8是)。除了这种过程之外,科学家们已经想出,氮,氧和其他由碳-12形成的核(12C)。但是,没有人知道如何 12c从不稳定的情况下出现 8是核心。元素如何从恒星内或大爆炸后燃烧的完整路径是一个神秘的谜 12C是我们周围的。

虽然非常不稳定 8是核将迅速衰减回两种α粒子,计算提出三个α粒子结合形成 12C似乎被排除在外,因为反应的概率太低而无法解释产生的碳量。然而,霍伊尔大胆地预测了一个新的能量水平 12C,在其基地7.65 mev。这很兴奋 12C状态,被称为“Hoyle State”,在正确的共鸣是由此形成的 8用α粒子反应。虽然Hoyle状态几乎总是腐烂回到三个α粒子,平均在2421.3中平均衰减它 12C的地面态,向伽玛光线提供额外的能量。这 12然后将C原子保持或与α颗粒保持或保险丝以使氧气,等等。当明星在超新月爆炸时,碳和其他核冷却到原子中并填充宇宙。

几个月后,在加州技术研究所的一个实验组,由Ward Wahling领导,发现了一个 12C在7.68±0.03meV下通过施用氮气-14腐烂的α粒子谱进行磁性分析 12C,从而证明Hoyle正确地预测了宇宙中最重要的元素之一的起源。

奇德互动界违规,钦 - 道李和陈宁杨(1957年)

奇偶校验 - 世界看起来和行为的想法相同,无论是在镜子中观看还是没有 - 在20世纪50年代被牢固地建立了电磁和强烈的互动。几乎所有物理学家都预计弱势力量也是如此。然而,如果奇偶校验保护是正确的,则无法使用现有的理论解释一种称为KAON的粒子的一些衰减。中国 - 美国理论家曾李和陈宁杨因此决定在弱互动物理学的已知结果中仔细看待差异保护的实验证据。令人惊讶的是,他们发现没有。

Figure showing parity violation

结果,该对制定了一种薄弱的相互作用侵犯了左右对称性的理论。与实验主义的Chien-Shiung Wu合作,他们设计了几个实验来看看通过弱势的不同粒子衰变。吴在壳体上直接抓住了,并通过在钴-60中测试了β衰减的性质,观察了一个指出奇偶侵犯的不对称性,因此证实了李和杨的预测。

李和杨赢了 1957年诺贝尔物理奖 他们的预测只有12个月出版后,历史上最快的诺贝尔奖奖项之一。 然而,吴虽然确认了理论,但吴仍未分享奖项,随着时间的推移,才能持有更多争议的监督。

约瑟夫森效应,由布莱恩约瑟夫森(1962年)

1977年诺贝尔奖获奖物理学家 Phillip Anderson曾经回忆过剑桥大学的研究生Brian Josephson:“这对讲师来说是一个令人讨厌的体验,我可以向你保证,因为一切都必须正确否则或者他会在课后向我提出和向我解释并向我解释一下。“

但由于这种关系,Josephson很快就展示了安德森计算,他已经制作了由薄绝缘层的两个超导体进行的两个超导体,或者是非超导金属的短部分。他预测,由一对电子(Cooper对)组成的“DC超级电流”可以从一个超导体到另一个超导体的量子隧道 - 右侧的屏障 - 宏观量子效应的示例。

约瑟夫森计算出这样一个交界处的当前和阶段变化率的形式:

J = J1 sin (ΔΦ)

ddt(ΔΦ)=2eVh

在哪里 J1 是绝缘连接的参数称为临界电流,从而 J 是一种不可能的电流。 φ是屏障的相对侧上的Cooper对波函数之间的相位差, e 是电子和电子电量 V 超导体之间的电位差异。

DC隧道电流的实验观察在Anderson和John Rowell(现在的诺基亚贝尔实验室)和约瑟夫森队继续赢得这一点 1973年诺贝尔奖 为了他的预测。 Josephson结目前用于各种应用,例如在DC和AC电子电路中,并构建鱿鱼(超导量子干扰装置) - 可用作极其敏感的磁力计和电压表的技术,如量子计算的Qubits,以及更多的。

暗物质,由Vera Rubin与W KENT FORD JR(1970)

“伟大的天文学家告诉我们它并不意味着什么,”美国天文学家Vera Rubin曾告诉面试官。

她在谈论她和肯特福特JR的1970年观察,即仙境的外星在仙境的星系中的外星都是相同的速度。他们被告知要看看更多的螺旋星系;效果持续存在。星系的旋转曲线(星系内可见恒星的轨道速度与径向距离到银河系的径向距离)是“平坦的”,看似矛盾的法律。更令人震惊的是,星系的外边缘附近的星星是如此速度,它们应该分开。

spiral galaxy

Rubin LED一个团队,其中福特建造了新的观测仪器 - 特别是基于电子光电倍增管的高级光谱仪,其允许它们以数字形式捕获的精确天文观测以进行分析。

鲁宾和福特JR的观察导致他们预测,在星系上有一些群众负责异常运动,他们的望远镜看不到,但数量大约有6倍的发光物的发光物量。

甚至没有发出光子,它被称为“暗物质”,在1933年由瑞士天文学家Fritz Zwicky Zwicky Zwicky暗示了“暗物质”,但鲁宾和福特现在为有时也称为“缺失质量”提供了第一个有力证据。 “。计算宇宙微波背景中温度波动的计算,使用标准λCDM宇宙模型,揭示了宇宙的总质量能量为5%普通物质和能量,27%暗物质和68%的深能。虽然宇宙中的85%的问题是非发光,但今天对我们来说仍然是一个谜,现在有许多实验试图识别它。

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