理論物理學家常常站在黑板前思考、計算，然後做出預測；而實驗物理學家則會利用一些先進工具，比如激光、粒子加速器或望遠鏡，設計和進行實驗和觀測，來收集足夠多的數據。這二者之間往往相互依賴：實驗家試圖驗證一個理論是否正確，而理論家嘗試對實驗觀測加以解釋。
在物理學史上有過許多偉大的預測，有的在被提出之後很快就得到了驗證，有的則在幾十年甚至百年才得以證明。以近年來才被直接探測到的引力波為例，這是愛因斯坦在百年前就已經預測的。除了引力波之外，物理學史上還有哪些著名的理論預測呢？
1687年：《原理》
1687年，牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，首次提出了萬有引力定律和牛頓運動定律，為研究物理宇宙帶來了新的秩序。應用自己提出的定律，牛頓在數學上推導出了開普勒行星運動定律——描述了行星圍繞太陽的運動。基於牛頓的理論，物理學家可以從數學上計算和預測天體的運動、潮汐、分點歲差等現象。牛頓的工作也展示了地面的物體與天體的運動都遵循着相同的物理定律。
1818年：泊松亮斑
法國數學家和物理學家泊松曾做出過一個他原本認為是錯誤的預測。19世紀初，以泊松為代表的科學家認為光的本質是粒子。而法國物理學家菲涅爾卻認為光是一種波，並提出光能產生衍射行為。在研究了菲涅耳的理論後，泊松意識到菲涅耳的衍射積分意味着當用一個點光源照亮一個圓盤或球體時，一個明亮的光斑會出現在圓盤後的軸上。泊松原本覺得這很荒謬，但很快，實驗卻驗證了泊松對菲涅爾的衍射積分的預測。
1865年：光的速度
19世紀60年代，麥克斯韋將電磁學領域的理論公式化，他推導出一組與電和磁有關的偏微分方程，並預測光是一種電磁波。1865年，麥克斯韋將光波的速度寫成了由傳播光的介質（如空氣、水等）的磁導率和介電常數構成的一個表達式，計算出光在空氣中的速度為310740000米/秒。接着，麥克斯韋將這個數字與由斐索測量到的314858000米/秒，以及由傅科所測得的298000000米/秒進行了比較，推斷出他對光是電磁波的預測是正確的。
1915年：水星進動之謎
19世紀40年代，天文學家勒威耶觀察到水星的軌道與牛頓定律的預測不同。他發現水星的橢圓軌道的近日點會繞着太陽移動。這一變化非常緩慢，每世紀只變化575角秒。太陽系中的其他行星的作用能解釋其中的532角秒，還有43角秒的來源無從得知。有天文學家提出，可能存在一顆看不見的行星存在，又或者説太陽是扁圓的……然而，所有的説法都不正確。直到1915年，愛因斯坦應用自己的廣義相對論計算出了彎曲空間對水星軌道的影響，成功地解釋了水星進動之謎。廣義相對論還預言了光線在經過大質量物體時會發生偏折，轉動的物體會對其周圍的時空產生拖曳，以及宇宙中存在神秘的黑洞等等。
1941年：鈾後元素
在元素週期表中，每增添一個新的元素都一次巨大的突破，然而在上世紀40年代，物理學家瑪麗·戈佩特-邁耶做到了一次添加整整一行。當邁耶在哥倫比亞大學無薪任教時，她遇到了正試圖研究鈾的衰變產物，以及可能比鈾更重的元素的費米。費米要邁耶計算鈾附近的原子的5f電子軌道的特徵函數。這使邁耶發現一些特定的原子序數值的f軌道會被填滿，與這些特定的原子序數對應的原子會終止參與到劇烈的化學反應中。邁耶的預測證實了費米的觀點，即鈾以外的任何元素在化學上都與已知的稀土元素相似，因此預測了鈾後元素。
1949年：奇異的電子磁矩
格林函數是一種求解複雜微分方程的方法，而物理學家施温格便是運用這種函數的大師。在二戰時期，他基於格林函數發展了雷達和波導技術；在戰後，他又將其應用在了量子電動力學（QED）上。QED研究的是電子和光的相互作用，當時的QED研究需要考慮量子、相對論性電子和光子場的自相互作用，但對一些可測量的量總會得出無窮大的計算數值。施温格利用格林函數解決了這個問題。1949年，在他的一篇正式發表的論文中，給出了電子磁矩的一階輻射修正結果為(α/2π)?μ?，且這一結果很快得到了實驗的證實（α是精細結構常數，詳見《著名“魔數”的最精確測量》）。α/2π，被刻在了施温格的墓碑上。
1953年：霍伊爾碳態
20世紀30年代，科學家已經確定恆星可以從原子核的聚變中獲取能量：質子聚變成氦核、兩個氦核聚變成鈹-8，但是沒有人知道碳-12是如何從不穩定的鈹-8形成的。理論上看，三個氦核可以形成碳-12；但據計算，三氦過程形成碳-12的可能性很低，無法用它來解釋碳-12的無處不在。1953年，霍伊爾預測了三氦過程的一個前提，那就是需要有一種新的碳態存在，他提出這個碳態比其基態高7.65 MeV。這一預測在不久後就得到了實驗的證實，這個新的碳態後來也被稱為霍伊爾碳態。
1957年：宇稱不守恆
宇稱守恆為電磁力和強力建立了牢固的理論基礎，因此幾乎所有人都認為，對於弱力來説，宇稱也應該是守恆的。然而，上世紀50年代，楊振寧和李政道提出，在弱相互作用中，宇稱對稱性會遭到破壞。很快，物理學家吳建雄就通過設計實驗來觀察弱相互作用下的粒子衰變，她從放射性元素鈷-60的原子核衰變中，發現它的確並不遵循鏡像對稱原則，表明宇稱在弱相互作用下是不對稱的，證實了李政道和楊振寧的預測。
1962年：約瑟夫森效應
1962年，約瑟夫森預測了一個宏觀的量子效應。他通過計算，預測出對於兩個被一個薄絕緣層或一小段非超導金屬隔開的超導體的結構（約瑟夫森結）來説，一對電子（庫珀對）組成的“直流超電流”可以穿越勢壘，從一個超導體量子隧穿到另一個超導體。這種超電流的量子隧穿現象被稱為約瑟夫森效應。9個月後，貝爾實驗室的研究人員用實驗觀測到了這一效應。
1970年：看不見的物質
1970年，魯賓和福特對鄰近的仙女座星系（M31）進行了觀測。他們預期會觀測到的現象是，靠近中心的天體比靠近邊緣的天體移動更快。然而他們實際觀測到的是，無論在距離中心區域多遠的位置，天體都以相同的速度移動。他們轉而觀測仙女座之外的星系，並在分析了星系的自轉曲線後得到了相似的結果。魯賓提出，如果每個星系中都存在大量看不見的物質，或許這一現象就可以得到解釋。瑞士天文學家茲維基在1933年就已提出了暗物質的想法，而魯賓和福特則為可能存在暗物質首次提供了觀測證據。
#創作團隊：
文字：原原
圖片：嶽嶽
#選題來源：
https://physicsworld.com/a/the-10-greatest-predictions-in-physics/
#圖片來源：
開普勒定律：Hankwang / Wikipedia
泊松亮斑：CC BY SA Thomas Reisinger
光速：PixxlTeufel / Pixabay & geralt / Pixabay
水星進動：scienceman.com
鈾後元素：Aenigmatis-3D / Pixabay
鏡框：AlLes / Pixabay
約瑟夫效應：FC GUBKIN
暗物質：NASA