物理大雪茄
答:科学上,有很多惊心动魄的预言,让人不得不敬佩这些科学工作者的伟大,比如:拉格朗日点的预言、海王星的预言、电磁波的预言、黑洞的预言、引力波的预言等等。
自从牛顿建立经典力学以来,科学家有了强大的理论工具,来研究我们的世界,一些伟大的科学家从理论出发,得出很多超前的结果,直到过了几十年,甚至上百年才被证实。
在这,我列举几个特别著名的例子。
一、拉格朗日点
十七世纪牛顿建立经典力学,提出万有引力公式。
十八世纪,大数学家欧拉和拉格朗日,根据牛顿的万有引力定律,推导出限制性三体问题的五个特解,现称之为拉格朗日点!
可是当时的观测条件有限,无法找到拉格朗日点存在的证据。
直到一百三四十年后的1906年,天文学家才在木星的拉格朗日点上,发现了稳定运行的小行星,后来发现了更多的小行星,证实了拉格朗日点的存在。
二、笔尖上的行星——海王星
1821年,天文学家根据天王星的引力摄动,结合万有引力定律,推导出天王星周围还存在一颗大行星。
十几年后,天文学家根据天王星的参数,反推未知行星的轨道,直到1846年,人们根据理论预言的结果,找到了这颗大行星——海王星。
海王星的发现,是科学的巨大胜利,广袤宇宙中的天体,精确地遵循着自然规律的支配,这是多么美妙的事!
另外,冥王星也是基于引力摄动现象,才被发现的。
三、电磁波
麦克斯韦对电磁波的预言,绝对是科学史上最伟大的预言之一!
1865年,麦克斯韦在前人的基础上,基于经典场论提出麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在,并推导出电磁波的传播速度等于光速,于是麦克斯韦还预言“光是电磁波”。
现在我们看到的电磁波方程组,由四个方程组成!
直到1888年,物理学家赫兹,证实了电磁波的存在!
1895年,德国科学家伦琴,发现X射线,并因此获得1903年的物理学诺贝尔奖,这也是诺贝尔奖的第一次颁奖!
至今,电磁已经和我们息息相关,我们的手机、电视、电脑都离不开电磁波,这些复杂的设备内部电磁现象,都离不开麦克斯韦方程组的描述!
四、黑洞
爱因斯坦建立广义相对论,这位超前的伟人,给出了很多预言,比如:光线弯曲、引力红移、引力透镜、爱因斯坦凝聚态、激光等等,很多都被证实。
其中关于黑洞的预言,来自于广义相对论的场方程,1915年爱因斯坦提出广义相对论方程,次年史瓦西就得到了第一个解,该解描述的就是黑洞。
直到55年后的1970年,天文学家才在天鹅座X-1处,首次证实了黑洞的存在。
五、引力波
1916年,爱因斯坦从弱场下的近似线性出发,根据广义相对论方程,得到了引力波的解,并预言引力波的以光速传播。
虽然在之前有很多研究机构,声称探测到了引力波,但是置信度不够高。
直到2017年,美国的LIGO引力波探测器和意大利的VIRGO引力波探测器,首次探测到中子星合并事件。
因为中子星合并前,会释放电磁波,被地球的众多天文望远镜观测到,使得这次中子星合并事件的置信度非常高!
同时,也证实了引力波以光速传播!爱因斯坦在100年前的预言,现在才被证实,想想都不可思议!
艾伯史密斯
物理学的发展模式大致可以分为两种:一种是实验先于理论:在实验上发现了一些神奇的现象之后才寻求到了合适的理论解释,比如反常霍尔效应、超导现象等等,这些甚至在现在也没有一套完整的理论。另一张发展模式是理论先于实验:在理论上预言了某些物理现象,之后观察到了与理论预言相符合的现象。这个时候就足以看到科学的威力,体会到科学的神奇。
最先想到的是天文学上海王星的预言,这是科学精准预测的经典例子之一。海王星是在1846年9月23日被发现的。但在海王星被发现之前,天文学家就预言了海王星的存在。牛顿在提出万有引力之后,科学家们便可以根据万有引力预测天体的位置。当时一位叫赫歇尔的天文学家发现了天王星,但是在接下来的观测中,天王星的位置总是比预测的要偏离一点。后来有人猜想,在天王星的外侧可能还存在一颗行星。正是这颗行星的引力作用,使得天王星偏离了预计轨道。后来数学家亚当斯和勒维耶计算出了这颗预言的天体位置。正是根据他们的计算结果,海王星才被发现。
海王星与地球的对比
还有一个例子是电磁波的预言。麦克斯韦根据他提出的麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在。1887年赫兹首先在实验上证实了电磁波的存在,为麦克斯韦电磁场理论提供了决定性的证据。
电磁波的传播
正电子也是事先在理论上预言然后才得到实验验证的。狄拉克于1928年提出了狄拉克方程,并预言了正电子的存在。正电子带有正电荷,具有和电子相同的质量和自旋等等。在狄拉克的预言之后,1932年,美国加州理工学院的物理学家安德森在实验室中验证了正电子的存在。
安德森在实验中首次观察到正电子的轨迹
其实要说预言,爱因斯坦的相对论可以说是最强大的理论了。爱因斯坦的相对论提出后,一直由于实验条件的限制苦于验证。在实验条件成熟后,便验证了相对论预言的一系列实验现象:包括水星近日点的进动;质能方程导致的核反应以及前段时间发现的引力波。可以说,爱因斯坦的相对论是物理学史上最成功的理论。
时代周刊上的爱因斯坦
其实理论先于实验的例子还有很多,大家还知道哪些呢?