本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
惊喜在让科学成为永恒快乐源泉的事物清单中名列前茅。当谈到感到惊讶时，科学家与普通大众并无不同。就像孩子们在生日时被意外的礼物惊喜到一样，科学家们也陶醉于大自然在他们面前创造的惊喜。科学中的惊喜指向更深层次的东西：神秘、兴奋以及始终保持科学事业有趣、令人愉快和深刻的未见和未知事物。
科学惊喜并不总是等同于重要发现。例如，希格斯玻色子的实验探测是一项伟大的成就，但它并不完全令人惊讶，因为理论预测早已做出。理论预测本身是当时流行的思想的逻辑延伸，至少有六个人为其起源做出了贡献。事实是，科学中的一些发现是重要的，一些是令人惊讶的，还有一些两者兼而有之。正是这第三类最令人难忘，而科学家发现自己是既令人惊讶又重要的发现的受益者的情况是罕见的。
因此，值得回顾一下并绘制一些科学中最令人惊讶的发现，这些发现要么迫使我们重新思考许多假设，要么在极少数情况下，真正改变了我们对世界的看法。在这里，我列出了一份大约过去一百年物理学中的惊喜清单。物理学在理论和实验方面是同等重要的科学，因此它的惊喜来自这两个领域。欢迎随意指出我可能遗漏的其他惊喜，并记住令人惊讶与重要不同，重要与令人惊讶也不同（因此，此列表排除了物理学中许多最重要的发现）。
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1900年 - 马克斯·普朗克：量子力学的开端 - 马克斯·普朗克对黑体辐射这一棘手的理论问题的解决方案开启了自艾萨克·牛顿时代以来物理学中最伟大的革命。普朗克当时著名的尝试是解释黑体辐射强度对其频率和温度的依赖性。这位保守的德国物理学家本质上是在努力进行我们今天所说的“曲线拟合”，为实验数据的图表找到正确的方程。他意识到，他能做到这一点的唯一方法是想象一个带有新常数h的公式，并假设能量只能由黑体以某些离散单位发射。普朗克原本打算将他的解决方案作为一种数学修正，而不是现实的表示，直到阿尔伯特·爱因斯坦出现后，他才意识到他对我们现实观的根本性转变。量子时代已经到来。
1905年 - 阿尔伯特·爱因斯坦：狭义相对论 - 1905年，爱因斯坦撰写了五篇改变物理学面貌的论文，但也许只有其中一篇可以称得上真正令人惊讶。这就是他著名的论文，阐述了狭义相对论的原理。当然，该理论中有很多深刻的惊喜——包括时间膨胀和长度收缩——但最大的根本性惊喜可能是要求光速恒定不变的铁律。这一突破是反直觉的、大胆的，并且显然是革命性的。
1909年 - 欧内斯特·卢瑟福：原子核 - 在卢瑟福时代之前，原子的结构是模糊的，最好的猜测来自J. J. 汤姆逊，他将其想象成一个“梅子布丁”，带负电的电子均匀地嵌入在一个带正电的球体中。在曼彻斯特，卢瑟福与两位同事和皇家学会提供的70英镑拨款一起，进行了著名的金箔实验，其中他用阿尔法粒子轰击薄金箔。如果汤姆逊的均匀和同质原子模型是正确的，那么粒子应该在所有方向上均匀散射。然而，极少数粒子直接返回到实验人员处。卢瑟福本人最好地捕捉到了结果的新颖性和惊喜：“这几乎就像你用15英寸的炮弹射击一张薄纸，而它却直接弹回来击中你一样令人难以置信”。卢瑟福的发现标志着核物理学的开端。
1911年 - 海克·卡末林·昂内斯：超导电性 - 在1911年之前，关于物质在极低温度下的行为存在分歧的观点。来自莱顿的卡末林·昂内斯在1911年解决了这场争论，他非常惊讶地发现，水银在4.2开尔文度时失去了对电流的所有电阻。这一发现非常令人惊讶和意义重大，昂内斯仅在两年后就获得了诺贝尔奖。超导电性仍然是物理学研究的前沿，包括纯粹的和应用的。
1913年 - 尼尔斯·玻尔：原子的量子理论 - 玻尔的惊喜是假定电子只能占据原子中某些能级，并在发生跃迁时发射能量由普朗克公式定义的 photons 。这真正标志着量子力学奇异的、概率世界的开始，问题概括为：“电子如何知道何时进行跃迁”？
1917年 - 阿尔伯特·爱因斯坦：广义相对论 - 爱因斯坦在他的奇迹年之后，于1917年完成了他的巅峰之作——引力理论。广义相对论密封了空间和时间的无缝融合，并将引力假定为不是牛顿的力，而是时空本身的属性，是由质量的存在导致的时空弯曲引起的。
1919年 - 阿瑟·爱丁顿：星光弯曲 - 爱丁顿率领一支探险队前往非洲西海岸附近的普林西比岛，证实了广义相对论最令人震惊的预测之一，即星光会被大质量物体的引力场弯曲。这并非严格意义上的惊喜，因为爱因斯坦已经预测过它，但在科学中，任何理论都只与支持它的数据一样好。这一发现不仅使爱因斯坦的照片传遍了世界各地的报纸，而且还标志着刚刚结束一场毁灭性战争的两个国家之间罕见的科学友谊纽带。
1926年 - 维尔纳·海森堡：不确定性原理 - 海森堡的不确定性原理——此后被劫持并附加到流行文化中遥远而奇异的概念上——在我们对确定性的假设与现实的本质之间划了一条界线。它与量子纠缠现象一起，基本上概括了量子世界的所有怪异之处。从那时起，我们一直在努力应对量子力学真实本质的遗产。
1928年 - 保罗·狄拉克：狄拉克方程 - 狄拉克方程是理论物理学的真正荣耀之一。在一个可以用鸡尾酒餐巾纸整洁地写在一行的式子中，它将狭义相对论与量子力学结合起来。但最令人惊讶的是，它提出了一种新的物质形式——反物质。狄拉克发现方程的这个含义如此令人不安，以至于在一段时间内，他认为该理论预测的电子的缺失孪生子一定是质子。但在1932年，卡尔·安德森在宇宙射线中发现了难以捉摸的正电子。狄拉克和安德森都因预测和发现而获得了当之无愧的诺贝尔奖。
1929年 - 爱德温·哈勃：膨胀的宇宙 - 正如狄拉克方程是理论物理学的真正荣耀之一一样，哈勃在随后一年发现膨胀宇宙也是天文学的真正荣耀之一。同样，俄罗斯人亚历山大·弗里德曼和比利时牧师乔治·勒梅特也推测了宇宙膨胀的可能性。但是这种可能性太离奇了，以至于甚至爱因斯坦起初都无法认真对待。哈勃和他对加利福尼亚威尔逊山天文台星云的艰苦研究才将真相刻在了石头上。
1938年 - 奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼：核裂变 - 恩里科·费米的团队和艾琳和弗雷德里克·约里奥-居里夫妇在三十年代中期都差点错过了发现裂变。奇怪的是，化学家和物理学家伊达·诺达克（今天庆祝她的生日）在1934年假设了这种现象，但被忽视了；有人想知道，如果她是一位男性科学家，最好是德国人或英国人，是否每个人都会更认真地对待她。然而，正是女科学家莉泽·迈特纳解释了哈恩和斯特拉斯曼将铀裂变为钡的新颖之处，并计算了能量释放的惊人幅度，为原子能的和平与破坏性用途铺平了道路。裂变被认为是非常不可能的，以至于像奥本海默和贝特这样伟大的理论家都曾进行过计算，反对其存在。然而，事实就在眼前，一个优雅的理论被一个丑陋的、重要的事实推翻了。
1939年 - 罗伯特·奥本海默和哈特兰·斯奈德：黑洞 - 在尼尔斯·玻尔和约翰·惠勒发表他们著名的液滴模型裂变的《物理评论》同一期中，奥本海默和他的学生哈特兰·斯奈德发表了我们现在称之为黑洞的第一个描述。这篇论文的结论令人惊讶且离奇，并且紧随其后的是 Subrahmanyan Chandrasekhar、列夫·朗道、弗里茨·兹威基和其他人十年来的开创性研究，研究了广义相对论对恒星演化的影响。奇怪的是，奥本海默从未跟进这篇论文，并且实际上在他余生中对广义相对论表现出非凡的冷漠。
1947年 - 威利斯·兰姆：兰姆位移 - 兰姆位移是那些为整个新领域奠定基础的微妙实验测量之一。1947年，兰姆和雷瑟福测量了氢原子中电子能级的微小且令人惊讶的差异；狄拉克方程预测这两个能级的能量相同。这种微小的差异隐藏了量子场论的大量重要方面，并且解释这种位移的狂热和开创性的理论工作最终在十年末由施温格、费曼、戴森和朝永振一郎创造了惊人准确的量子电动力学（QED）理论。
1956年 - 杨振宁和李政道：宇称不守恒 - 宇称是原子世界最基本的属性之一。在物理学中，宇称变换是一种改变物体空间坐标符号的操作。例如，对右手坐标系进行宇称变换会将其变为左手坐标系。直到1956年，人们一直正确且合理地认为，大自然不应该关心我们是否使用右手或左手坐标系，并且物理定律对于两者都应该是相同的。然而在1956年，杨振宁和李政道表明，宇称对于某些通过弱核力衰变的粒子是不守恒的，因此它们的衰变产物取决于它们的自旋是与磁场平行还是反平行对齐。这一结果得到了哥伦比亚大学的吴健雄在一个优雅的实验中证实。大自然实际上在非常基本的层面上关心宇称的发现是如此激进，以至于杨振宁和李政道仅在一年后就获得了诺贝尔奖。吴健雄被排除在外。
1964年 - 彭齐亚斯和威尔逊：宇宙微波背景辐射 - 膨胀宇宙的发现至少让一些科学家隐约了解了宇宙所谓的“大爆炸”起源。但在1964年之前，这只是一种假设，以至于剑桥天体物理学家弗雷德·霍伊尔创造了“大爆炸”这个词，作为对该理论的贬义挖苦。1964年改变了这一切。阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊的发现——使用位于新泽西州霍姆德尔的贝尔实验室小型天线——以稳定的背景辐射嗡嗡声的形式发现了大爆炸的残余，这是二十世纪科学中最重要和最令人惊讶的发现之一，并且至少获得了两次诺贝尔奖。有了彭齐亚斯和威尔逊，我们当前的宇宙观才获得了坚实的基础。
1964年 - 约翰·贝尔：贝尔定理 - 爱因斯坦一直对量子力学感到不满，直到他去世，部分原因是他在1933年提出的EPR悖论论文似乎暗示了粒子之间信息的非局域、看似超光速的通信。尽管量子力学具有惊人的预测能力，但爱因斯坦仍然坚信，一定存在某种“隐变量”，可以解释量子世界看似矛盾和奇异的性质，并将局域性引入其中。1964年，一位默默无闻的爱尔兰物理学家约翰·贝尔用一个非凡且令人惊讶的定理结束了这些问题，该定理可以使用高中代数推导和陈述。由于贝尔的默默无闻，它似乎来自出人意料的地方。简而言之，贝尔定理指出，没有局域隐变量量子力学理论可以解释其基本假设。因此，该定理确立了量子怪异性——尤其是纠缠——作为物理宇宙的基本组成部分。同样令人惊讶的发展是阿兰·阿斯佩、斯图尔特·弗里德曼、约翰·克劳瑟和其他人在70年代和80年代进行的一系列实验，证实了贝尔定理。
1973年 - 格罗斯、波利策和威尔切克：渐近自由 - 渐近自由是指夸克之间力随着它们靠近而奇怪地减弱。这是一种令人惊讶且完全违反直觉的粒子相互作用机制，因为在每一种其他力（引力、带相反电荷的电磁力和弱力）的情况下，相互作用都会随着距离的减小而变得更强。渐近自由的发现使强力量子理论（称为量子色动力学）有了可靠的基础。
1986年 - 贝德诺尔茨和缪勒：高温超导电性 - 1986年，物理学和材料科学界因发现陶瓷材料（如钇钡铜氧化物）而震惊，这些材料在“高温”下变成超导体，在某些情况下高于液氮的沸点（77开尔文度），在其他情况下高达138开尔文度。这不仅引起了我们对超导电性理解的革命（这些材料是陶瓷，而不是金属），而且还导致了实际利用这种现象的梦想。这个梦想尚未完全实现，但陶瓷超导电性仍然是物理学研究中蓬勃发展的领域。IBM的亚历克斯·缪勒和乔治·贝德诺尔茨在第二年就获得了诺贝尔奖；这一发现是如此具有开创性和令人惊讶。
1998年 - 珀尔马特、里斯、施密特等人：加速宇宙 - 即使在哈勃发现膨胀宇宙之后，在很长一段时间里，科学家们都认为膨胀速度正在减慢。90年代早期对遥远超新星的观测完全颠覆了这一景象。人们发现宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度还在加快。爱因斯坦的宇宙学常数被重新启用，一个新的实体，暗能量，被假定为一个占位符来解释这个过程。这在任何定义上都是一个令人惊讶和违反直觉的发现，其中实验推动了我们对现实的理解，而没有任何主要的理论输入。
从这份物理学中令人惊讶的发现的部分列表中，出现了一些观察结果。最重要的是，虽然早期的发现是由孤身一人做出的，但后期的发现大多是研究小组或至少是研究二人组的工作。很多时候，不止一个团队做出了相同的发现。这些发现也是理论和实验工作的结合；在许多情况下，理论和实验同等重要，因为提出一个令人惊讶的结果是一回事，而真正亲眼观察到它又是另一回事。我还发现有趣的是，在二十一世纪还没有出现真正令人惊讶的根本性发现，尽管我们才刚刚开始。
从这份清单中可以清楚地看到一件事，那就是物理学将继续做出令人惊讶的发现，并且我们对宇宙的理解永远不会完整。我们都可以期待这一点。