自从艾萨克·牛顿和掉落的苹果以来，惊喜常常推动物理学向前发展。关于我们所居住的宇宙以及构成我们自身和周围世界的粒子，以及驱动它们的力，许多真相在最初被发现时似乎都出乎意料。例如，科学家们曾经认为原子是现存最小的物质，直到他们分裂原子核，发现了质子和中子，而质子和中子又被证明是由更小的基本粒子——夸克构成的。而且，直到不到100年前，研究人员才发现银河系不是宇宙中唯一的星系，而是数十亿个星系之一。
物理学史上的惊喜太多了，无法全面描述，但我们调查了许多物理学家，了解他们最喜欢的一些发现。一些发现，例如宇宙加速膨胀，是如此具有开创性，以至于多位专家将其选为首选。其中许多事件发生在相对较近的时期，表明物理学领域继续让我们感到震惊。以下是一些物理学家对最令人惊奇、震惊和匪夷所思的发现的回应。
暗能量
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物理学史上最令人震惊的发现之一是暗能量的发现，就在千禧年即将到来之际。我们物理学界没有人预料到这一点！对遥远超新星比预期更暗的观测结果，引出了宇宙不仅在膨胀而且在加速膨胀的观点。这些物体非常容易理解，无论它们在时间上被观察到多么遥远，因此其他解释根本行不通。“暗能量”这个名称被赋予了导致这种加速的物质。在最初的发现之后，许多其他不同类型的观测证实了这一结果，例如对宇宙微波背景（即大爆炸遗留下来的光）的研究以及对星系团的研究。这样的例子不胜枚举。我们现在有了一个宇宙学的标准模型，在这个模型中，我们在日常生活中体验到的普通物质和能量——我们的身体、我们呼吸的空气、我们周围的墙壁以及所有的恒星和行星——加起来只占宇宙内容的5%。宇宙的大部分是“黑暗面”：宇宙被认为由25%的暗物质和70%的暗能量组成。就我个人而言，我正在努力确定这些神秘成分的本质。
尤其是暗能量的发现创造了一个范式转变。[对于暗能量]最简单的解释是宇宙学常数，最初由阿尔伯特·爱因斯坦作为广义相对论方程中的一个可能项引入，但后来被他放弃，认为这是他“最大的错误”。现在看来，他可能是对的。问题是，使用量子场论计算出的宇宙学常数的预测值过大，达到了10120倍。编者注：如果常数如此之大，宇宙的膨胀速度将比实际快得多。] 这个难题已经存在一段时间了，理论家们推测，一定存在某种物理机制，将这个数值驱动到零[以匹配宇宙的观测膨胀历史]。然而，随着暗能量的发现，这个数值必须被驱动到一个特定的微小值[而不是零，以解释加速膨胀]，这更难解释。这个宇宙学常数问题被许多人认为是现代物理学中所有最深刻的未解问题。”——凯瑟琳·弗里斯，得克萨斯大学奥斯汀分校
宇宙膨胀
我认为宇宙加速膨胀必须是一个强有力的竞争者。我读过大约在1990年左右发表的参考文献，其中自信地谈到我们将如何很快利用超新星来测量宇宙膨胀的减速率和宇宙的曲率，以及这将如何告诉我们宇宙的最终命运（因为封闭的物质主导的宇宙会经历“大坍缩”，而开放宇宙则永远膨胀）——其中很少有适用于我们似乎实际居住的暗能量主导的、空间平坦的宇宙！我认为这也符合条件，因为即使有了后见之明，暗能量/宇宙学常数具有其测量值仍然显得非常令人惊讶。——特蕾西·斯莱特耶，麻省理工学院
粲夸克和加速宇宙
自从我1973年开始读研究生以来，基础物理学中最壮观的发现如下：
（1）1974年10月发现了J/ψ粒子，并将其解释为一种新的夸克——粲夸克，这为当时新兴的粒子物理学标准模型提供了戏剧性的证实。
（2）在20世纪90年代末发现宇宙正在加速膨胀，显然是由于真空的能量密度微小但非零，颠覆了我们许多关于宇宙的观念。——爱德华·威滕，普林斯顿高等研究院，新泽西州
黑洞
物理学史上最令人惊讶的发现之一是卡尔·史瓦西的爱因斯坦方程的黑洞解。[编者注：史瓦西计算了爱因斯坦广义相对论场方程的第一个精确解，该解预测了黑洞的存在。]
据传，当爱因斯坦发现他高度非线性的方程时，他认为永远不会找到精确解，但史瓦西仅在几个月后就证明他错了。然而，解的结构如此令人惊讶，以至于许多人认为黑洞不存在。爱因斯坦本人在1939年写道[“‘史瓦西奇点’在物理现实中不存在”]。直到一个世纪之后，随着最近直接的LIGO[激光干涉引力波天文台]和EHT[事件视界望远镜]对黑洞的观测，最后的怀疑才被消除。”——安德鲁·斯特罗明格，哈佛大学
时空
一定是时空的灵活性。假设我搭乘一艘非常快的火箭或非常靠近黑洞，然后返回我开始的地方。如果我在火箭上飞得足够快，或者足够靠近黑洞，我的手表上可能只过了10分钟，而地球人却过了10000年。这是一个经过实验验证的时间机器，可以让你穿越到未来！——埃德加·沙古利安，加州大学圣克鲁兹分校
中微子
我认为我最喜欢的物理学事件是预测中微子的存在[一种不带电且质量非常小的亚原子粒子]，因为我们今天对物理学的许多基本方法都源于那一刻。沃尔夫冈·泡利对中微子的预测是认真对待能量和动量守恒的最初例子之一——你必须通过违反这个守恒定律或通过引入一个新粒子来解释核β衰变[一种常见的放射性过程]。中微子将是第一个被预测出的新粒子，它在日常生活中并不明显。今天，对新的幽灵粒子的预测几乎随处可见，但在上个世纪的早期，引入可能无法观察到的粒子根本是不被接受的。当恩里科·费米引入解释为什么中微子如此难以观察到的相互作用时，他预测了第一种超出日常生活中明显的两种力（引力和电磁力）的新力[弱核力]。今天，物理学家们一直在考虑许多新型的力，但在那时，这根本不在考虑范围内。力的统一的想法，对于今天的物理学来说是如此重要，它源于费米发现的中微子感受到的“弱力”。量子力学作为一个理论是有道理的最令人惊奇的例子之一，因为它可以在公里尺度上发生，在那里我们可以真正看到它，这来自于中微子物理学。因此，泡利预测中微子的那一刻是我最喜欢的惊喜，因为它引领了物理学中的所有道路。——珍妮特·康拉德，麻省理工学院
振荡
我想说，对我来说，中微子振荡的发现也名列前茅。中微子本身是由泡利预测存在的，随后被发现，这伟大证明了理论的力量。但使中微子成为非常有趣的小粒子的原因是，它们具有质量并且可以改变味，这需要修改粒子物理学的标准模型。——桑贾娜·柯蒂斯，芝加哥大学
留基伯特性
很久以前，两位古希腊学者，德谟克利特和留基伯斯，认为物质由原子组成，这一概念在两千多年后才得到证实。我最近创造了“留基伯特性”这个词来描述那些等待多年才被广泛接受的推测性假设。我的新词是为了纪念原子假设的两位倡导者中较年长的一位——留基伯斯。
艾萨克·牛顿在1672年得出结论，光由粒子组成；克里斯蒂安·惠更斯在六年之后发展了他的光波理论。谁是对的？这个问题持续了两个世纪，直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦深刻而具有留基伯特性的发现，即光偏爱惠更斯的波动理论。（后来爱因斯坦将对此事发表看法。）留基伯特性在科学中比比皆是。阿尔弗雷德·魏格纳关于大陆漂移的先见之明的“地质诗歌”在半个世纪后成为成熟的板块构造科学。最近，玻色子的发现[希格斯玻色子]，最初由彼得·希格斯和其他一些人在1964年设想，于2012年7月4日在CERN[位于日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室]被隆重宣布。最后，黑洞对并合产生的引力波于2015年被LIGO探测到，这整整是在爱因斯坦提出它们存在一个世纪之后。又是留基伯特性！——谢尔顿·李·格拉肖，哈佛大学
相变
在我看来，物理学中最令人难以置信和惊讶的实验发现之一来自于氦液化先驱海克·昂内斯进行的实验，他在实验中将金、铂和汞等金属冷却到液氦温度。在他发现汞的电阻在液氦温度下有效地降至零的同一天，他还发现[使用真空泵]对正常的液氦样品进行操作会导致液体进一步冷却并剧烈沸腾，然后突然变得平静。这太不可思议了！在同一天，昂内斯发现了汞的超导态相变和氦的超流态相变。——查尔斯·布朗，耶鲁大学
贝尔和迈克尔逊-莫雷
两个发现——贝尔定理和迈克尔逊-莫雷干涉实验——颠覆了我们对空间、时间和现实本质的理解，所以我忍不住要为它们都投上一票。
美国物理学会称迈克尔逊-莫雷实验为“可能被认为是最著名的失败实验”。在1887年进行该实验之前，科学家们认为光波是通过一种科学家称为以太的介质传播的。毕竟，声波通过空气传播，冲浪者的波浪通过水传播。但阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷提供了强有力的证据表明，光是不同的；它不需要介质。这种缺失为爱因斯坦的狭义相对论铺平了道路（没有什么能比光速更快，E = mc2 [c代表真空中的光速]，一个物体看起来有多短取决于你相对于它的移动速度，等等），这又导致了他的广义相对论（时空具有形状）。
贝尔定理[以约翰·斯图尔特·贝尔的名字命名]揭示了量子系统与信息以及彼此之间存在着古怪的关系。通常，如果你了解一对系统的一切——例如，了解一对名叫奥黛丽和巴克斯特的人的一切——那么你就了解每个个体的一切——了解奥黛丽的一切和了解巴克斯特的一切。但如果奥黛丽和巴克斯特是量子粒子的标签，那么你可以在不了解个体的情况下了解这对粒子的一切。信息可能不在一个粒子中，也不在另一个粒子中，而是在两者之间的关系中：在量子物理学中，整体大于部分之和。贝尔的洞察力为世界各地正在建设中的量子计算机和网络铺平了道路。——妮可·扬格·哈尔彭，马里兰大学，量子蒸汽朋克的作者
前五名
以下是一些浮现在我脑海中的令人惊讶的发现，排名不分先后：
（1）狭义相对论：光速是恒定的，与参考系无关。
（2）广义相对论：引力代表时空的曲率。
（3）宇宙膨胀、随之而来的大爆炸模型以及膨胀正在加速。
（4）数学在构建自然基本定律方面的“不合理的”有效性。
（5）量子力学的概率性质。——马里奥·利维奥，天体物理学家