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驚喜在讓科學成為永恆快樂源泉的事物清單中名列前茅。當談到感到驚訝時，科學家與普通大眾並無不同。就像孩子們在生日時被意外的禮物驚喜到一樣，科學家們也陶醉於大自然在他們面前創造的驚喜。科學中的驚喜指向更深層次的東西：神秘、興奮以及始終保持科學事業有趣、令人愉快和深刻的未見和未知事物。
科學驚喜並不總是等同於重要發現。例如，希格斯玻色子的實驗探測是一項偉大的成就，但它並不完全令人驚訝，因為理論預測早已做出。理論預測本身是當時流行的思想的邏輯延伸，至少有六個人為其起源做出了貢獻。事實是，科學中的一些發現是重要的，一些是令人驚訝的，還有一些兩者兼而有之。正是這第三類最令人難忘，而科學家發現自己是既令人驚訝又重要的發現的受益者的情況是罕見的。
因此，值得回顧一下並繪製一些科學中最令人驚訝的發現，這些發現要麼迫使我們重新思考許多假設，要麼在極少數情況下，真正改變了我們對世界的看法。在這裡，我列出了一份大約過去一百年物理學中的驚喜清單。物理學在理論和實驗方面是同等重要的科學，因此它的驚喜來自這兩個領域。歡迎隨意指出我可能遺漏的其他驚喜，並記住令人驚訝與重要不同，重要與令人驚訝也不同（因此，此列表排除了物理學中許多最重要的發現）。
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1900年 - 馬克斯·普朗克：量子力學的開端 - 馬克斯·普朗克對黑體輻射這一棘手的理論問題的解決方案開啟了自艾薩克·牛頓時代以來物理學中最偉大的革命。普朗克當時著名的嘗試是解釋黑體輻射強度對其頻率和溫度的依賴性。這位保守的德國物理學家本質上是在努力進行我們今天所說的“曲線擬合”，為實驗資料的圖表找到正確的方程。他意識到，他能做到這一點的唯一方法是想象一個帶有新常數h的公式，並假設能量只能由黑體以某些離散單位發射。普朗克原本打算將他的解決方案作為一種數學修正，而不是現實的表示，直到阿爾伯特·愛因斯坦出現後，他才意識到他對我們現實觀的根本性轉變。量子時代已經到來。
1905年 - 阿爾伯特·愛因斯坦：狹義相對論 - 1905年，愛因斯坦撰寫了五篇改變物理學面貌的論文，但也許只有其中一篇可以稱得上真正令人驚訝。這就是他著名的論文，闡述了狹義相對論的原理。當然，該理論中有很多深刻的驚喜——包括時間膨脹和長度收縮——但最大的根本性驚喜可能是要求光速恆定不變的鐵律。這一突破是反直覺的、大膽的，並且顯然是革命性的。
1909年 - 歐內斯特·盧瑟福：原子核 - 在盧瑟福時代之前，原子的結構是模糊的，最好的猜測來自J. J. 湯姆遜，他將其想象成一個“梅子布丁”，帶負電的電子均勻地嵌入在一個帶正電的球體中。在曼徹斯特，盧瑟福與兩位同事和皇家學會提供的70英鎊撥款一起，進行了著名的金箔實驗，其中他用阿爾法粒子轟擊薄金箔。如果湯姆遜的均勻和同質原子模型是正確的，那麼粒子應該在所有方向上均勻散射。然而，極少數粒子直接返回到實驗人員處。盧瑟福本人最好地捕捉到了結果的新穎性和驚喜：“這幾乎就像你用15英寸的炮彈射擊一張薄紙，而它卻直接彈回來擊中你一樣令人難以置信”。盧瑟福的發現標誌著核物理學的開端。
1911年 - 海克·卡末林·昂內斯：超導電性 - 在1911年之前，關於物質在極低溫度下的行為存在分歧的觀點。來自萊頓的卡末林·昂內斯在1911年解決了這場爭論，他非常驚訝地發現，水銀在4.2開爾文度時失去了對電流的所有電阻。這一發現非常令人驚訝和意義重大，昂內斯僅在兩年後就獲得了諾貝爾獎。超導電性仍然是物理學研究的前沿，包括純粹的和應用的。
1913年 - 尼爾斯·玻爾：原子的量子理論 - 玻爾的驚喜是假定電子只能佔據原子中某些能級，並在發生躍遷時發射能量由普朗克公式定義的 photons 。這真正標誌著量子力學奇異的、機率世界的開始，問題概括為：“電子如何知道何時進行躍遷”？
1917年 - 阿爾伯特·愛因斯坦：廣義相對論 - 愛因斯坦在他的奇蹟年之後，於1917年完成了他的巔峰之作——引力理論。廣義相對論密封了空間和時間的無縫融合，並將引力假定為不是牛頓的力，而是時空本身的屬性，是由質量的存在導致的時空彎曲引起的。
1919年 - 阿瑟·愛丁頓：星光彎曲 - 愛丁頓率領一支探險隊前往非洲西海岸附近的普林西比島，證實了廣義相對論最令人震驚的預測之一，即星光會被大質量物體的引力場彎曲。這並非嚴格意義上的驚喜，因為愛因斯坦已經預測過它，但在科學中，任何理論都只與支援它的資料一樣好。這一發現不僅使愛因斯坦的照片傳遍了世界各地的報紙，而且還標誌著剛剛結束一場毀滅性戰爭的兩個國家之間罕見的科學友誼紐帶。
1926年 - 維爾納·海森堡：不確定性原理 - 海森堡的不確定性原理——此後被劫持並附加到流行文化中遙遠而奇異的概念上——在我們對確定性的假設與現實的本質之間劃了一條界線。它與量子糾纏現象一起，基本上概括了量子世界的所有怪異之處。從那時起，我們一直在努力應對量子力學真實本質的遺產。
1928年 - 保羅·狄拉克：狄拉克方程 - 狄拉克方程是理論物理學的真正榮耀之一。在一個可以用雞尾酒餐巾紙整潔地寫在一行的式子中，它將狹義相對論與量子力學結合起來。但最令人驚訝的是，它提出了一種新的物質形式——反物質。狄拉克發現方程的這個含義如此令人不安，以至於在一段時間內，他認為該理論預測的電子的缺失孿生子一定是質子。但在1932年，卡爾·安德森在宇宙射線中發現了難以捉摸的正電子。狄拉克和安德森都因預測和發現而獲得了當之無愧的諾貝爾獎。
1929年 - 愛德溫·哈勃：膨脹的宇宙 - 正如狄拉克方程是理論物理學的真正榮耀之一一樣，哈勃在隨後一年發現膨脹宇宙也是天文學的真正榮耀之一。同樣，俄羅斯人亞歷山大·弗裡德曼和比利時牧師喬治·勒梅特也推測了宇宙膨脹的可能性。但是這種可能性太離奇了，以至於甚至愛因斯坦起初都無法認真對待。哈勃和他對加利福尼亞威爾遜山天文臺星雲的艱苦研究才將真相刻在了石頭上。
1938年 - 奧托·哈恩和弗裡茨·斯特拉斯曼：核裂變 - 恩里科·費米的團隊和艾琳和弗雷德里克·約里奧-居里夫婦在三十年代中期都差點錯過了發現裂變。奇怪的是，化學家和物理學家伊達·諾達克（今天慶祝她的生日）在1934年假設了這種現象，但被忽視了；有人想知道，如果她是一位男性科學家，最好是德國人或英國人，是否每個人都會更認真地對待她。然而，正是女科學家莉澤·邁特納解釋了哈恩和斯特拉斯曼將鈾裂變為鋇的新穎之處，並計算了能量釋放的驚人幅度，為原子能的和平與破壞性用途鋪平了道路。裂變被認為是非常不可能的，以至於像奧本海默和貝特這樣偉大的理論家都曾進行過計算，反對其存在。然而，事實就在眼前，一個優雅的理論被一個醜陋的、重要的事實推翻了。
1939年 - 羅伯特·奧本海默和哈特蘭·斯奈德：黑洞 - 在尼爾斯·玻爾和約翰·惠勒發表他們著名的液滴模型裂變的《物理評論》同一期中，奧本海默和他的學生哈特蘭·斯奈德發表了我們現在稱之為黑洞的第一個描述。這篇論文的結論令人驚訝且離奇，並且緊隨其後的是 Subrahmanyan Chandrasekhar、列夫·朗道、弗裡茨·茲威基和其他人十年來的開創性研究，研究了廣義相對論對恆星演化的影響。奇怪的是，奧本海默從未跟進這篇論文，並且實際上在他餘生中對廣義相對論表現出非凡的冷漠。
1947年 - 威利斯·蘭姆：蘭姆位移 - 蘭姆位移是那些為整個新領域奠定基礎的微妙實驗測量之一。1947年，蘭姆和雷瑟福測量了氫原子中電子能級的微小且令人驚訝的差異；狄拉克方程預測這兩個能級的能量相同。這種微小的差異隱藏了量子場論的大量重要方面，並且解釋這種位移的狂熱和開創性的理論工作最終在十年末由施溫格、費曼、戴森和朝永振一郎創造了驚人準確的量子電動力學（QED）理論。
1956年 - 楊振寧和李政道：宇稱不守恆 - 宇稱是原子世界最基本的屬性之一。在物理學中，宇稱變換是一種改變物體空間座標符號的操作。例如，對右手座標系進行宇稱變換會將其變為左手座標系。直到1956年，人們一直正確且合理地認為，大自然不應該關心我們是否使用右手或左手座標系，並且物理定律對於兩者都應該是相同的。然而在1956年，楊振寧和李政道表明，宇稱對於某些透過弱核力衰變的粒子是不守恆的，因此它們的衰變產物取決於它們的自旋是與磁場平行還是反平行對齊。這一結果得到了哥倫比亞大學的吳健雄在一個優雅的實驗中證實。大自然實際上在非常基本的層面上關心宇稱的發現是如此激進，以至於楊振寧和李政道僅在一年後就獲得了諾貝爾獎。吳健雄被排除在外。
1964年 - 彭齊亞斯和威爾遜：宇宙微波背景輻射 - 膨脹宇宙的發現至少讓一些科學家隱約瞭解了宇宙所謂的“大爆炸”起源。但在1964年之前，這只是一種假設，以至於劍橋天體物理學家弗雷德·霍伊爾創造了“大爆炸”這個詞，作為對該理論的貶義挖苦。1964年改變了這一切。阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜的發現——使用位於新澤西州霍姆德爾的貝爾實驗室小型天線——以穩定的背景輻射嗡嗡聲的形式發現了大爆炸的殘餘，這是二十世紀科學中最重要和最令人驚訝的發現之一，並且至少獲得了兩次諾貝爾獎。有了彭齊亞斯和威爾遜，我們當前的宇宙觀才獲得了堅實的基礎。
1964年 - 約翰·貝爾：貝爾定理 - 愛因斯坦一直對量子力學感到不滿，直到他去世，部分原因是他在1933年提出的EPR悖論論文似乎暗示了粒子之間資訊的非局域、看似超光速的通訊。儘管量子力學具有驚人的預測能力，但愛因斯坦仍然堅信，一定存在某種“隱變數”，可以解釋量子世界看似矛盾和奇異的性質，並將局域性引入其中。1964年，一位默默無聞的愛爾蘭物理學家約翰·貝爾用一個非凡且令人驚訝的定理結束了這些問題，該定理可以使用高中代數推導和陳述。由於貝爾的默默無聞，它似乎來自出人意料的地方。簡而言之，貝爾定理指出，沒有局域隱變數量子力學理論可以解釋其基本假設。因此，該定理確立了量子怪異性——尤其是糾纏——作為物理宇宙的基本組成部分。同樣令人驚訝的發展是阿蘭·阿斯佩、斯圖爾特·弗裡德曼、約翰·克勞瑟和其他人在70年代和80年代進行的一系列實驗，證實了貝爾定理。
1973年 - 格羅斯、波利策和威爾切克：漸近自由 - 漸近自由是指夸克之間力隨著它們靠近而奇怪地減弱。這是一種令人驚訝且完全違反直覺的粒子相互作用機制，因為在每一種其他力（引力、帶相反電荷的電磁力和弱力）的情況下，相互作用都會隨著距離的減小而變得更強。漸近自由的發現使強力量子理論（稱為量子色動力學）有了可靠的基礎。
1986年 - 貝德諾爾茨和繆勒：高溫超導電性 - 1986年，物理學和材料科學界因發現陶瓷材料（如釔鋇銅氧化物）而震驚，這些材料在“高溫”下變成超導體，在某些情況下高於液氮的沸點（77開爾文度），在其他情況下高達138開爾文度。這不僅引起了我們對超導電性理解的革命（這些材料是陶瓷，而不是金屬），而且還導致了實際利用這種現象的夢想。這個夢想尚未完全實現，但陶瓷超導電性仍然是物理學研究中蓬勃發展的領域。IBM的亞歷克斯·繆勒和喬治·貝德諾爾茨在第二年就獲得了諾貝爾獎；這一發現是如此具有開創性和令人驚訝。
1998年 - 珀爾馬特、里斯、施密特等人：加速宇宙 - 即使在哈勃發現膨脹宇宙之後，在很長一段時間裡，科學家們都認為膨脹速度正在減慢。90年代早期對遙遠超新星的觀測完全顛覆了這一景象。人們發現宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度還在加快。愛因斯坦的宇宙學常數被重新啟用，一個新的實體，暗能量，被假定為一個佔位符來解釋這個過程。這在任何定義上都是一個令人驚訝和違反直覺的發現，其中實驗推動了我們對現實的理解，而沒有任何主要的理論輸入。
從這份物理學中令人驚訝的發現的部分列表中，出現了一些觀察結果。最重要的是，雖然早期的發現是由孤身一人做出的，但後期的發現大多是研究小組或至少是研究二人組的工作。很多時候，不止一個團隊做出了相同的發現。這些發現也是理論和實驗工作的結合；在許多情況下，理論和實驗同等重要，因為提出一個令人驚訝的結果是一回事，而真正親眼觀察到它又是另一回事。我還發現有趣的是，在二十一世紀還沒有出現真正令人驚訝的根本性發現，儘管我們才剛剛開始。
從這份清單中可以清楚地看到一件事，那就是物理學將繼續做出令人驚訝的發現，並且我們對宇宙的理解永遠不會完整。我們都可以期待這一點。