宇宙的外面是什么？

時間真的存在嗎？

理論上是否可能制造出隱身衣？

些問題或許曾在我們每個人的腦海中閃過。我們習慣于用日常經(jīng)驗去勾勒答案，但物理學的前沿探索卻一次次告訴我們：宇宙的真相，遠比我們最大膽的想象更加離奇和深刻。

首個全國科普月，墨子沙龍攜手知乎發(fā)起「物理問答室」活動，邀請@中科院物理所、@狐貍先生、@茍利軍、@袁嵐峰、@尹璋琦、@郭彥良、@李唐、@細雨黃雨桐、@Buantum 9 位嘉賓為我們分享物理前沿知識，他們的回答，可能會顛覆你對宇宙的猜想。

一起看看吧。

如果只能用一個詞描述量子世界，你會選哪個詞？為什么？

@墨子沙龍

起源。如果用一個詞的話，我覺得是整個世界的起源就是量子。

——中國科學技術大學陳宇翱教授

什么是拓撲絕緣體？其與普通的絕緣體有什么區(qū)別 ？

在固體物理中，電子的動量-能量關系由能帶論描述，電子所能占據(jù)的最高能級稱為費米能級。根據(jù)能帶填充的程度不同，材料被分為導體、半導體和絕緣體。當費米能級位于導帶和價帶之間時，因為費米面處在能隙中，可以參與導電的電子態(tài)密度為0，因此無法導電，被稱為絕緣體，也就是我們所說的普通絕緣體，屬于能帶絕緣體。

對于拓撲絕緣體，以下都指簡單的二維低階，其關鍵點在于“拓撲”二字。而所謂“拓撲”，實際上是一個數(shù)學概念，描述的是物體在連續(xù)變形（如拉伸、彎曲，但不包括撕裂或粘連）下保持不變的整體性質(zhì)。

“拓撲”的概念可以應用到固體物理中，電子的能帶結(jié)構(gòu)也有類似的“拓撲”屬性。拓撲絕緣體和普通絕緣體，它們的整體波函數(shù)結(jié)構(gòu)在拓撲上是不同的（就像有洞的甜甜圈和沒洞的球），這種差異可以也用拓撲數(shù)來描述，拓撲數(shù)就是一種拓撲不變量。例如，對拓撲絕緣體的能帶空間做Berry曲率的積分可以得到非零的拓撲數(shù)，屬于拓撲非平庸，而普通絕緣體的Berry曲率積分為0，屬于拓撲平庸。以上便是從數(shù)學上解釋了拓撲絕緣體與普通絕緣體的不同之處。

暗物質(zhì)看不見、摸不著，那研究它到底對我們普通人的生活有什么實際意義呢？

@北京師范大學教授，知乎2015年度新知答主

地球誕生于太陽系，是太陽形成后殘余物質(zhì)凝聚而成；太陽又是千億恒星中的一員。恒星如何誕生？星系中的氣體云（主要成分為氫和氦）在自身引力作用下收縮，中心密度與溫度不斷升高，最終點燃核聚變，于是誕生一顆穩(wěn)定燃燒的恒星。若只關心局部區(qū)域里某顆恒星的起源，我們只需追蹤那團氣體云的演化即可。但把視野放大到銀河系乃至宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的起源，就必須請出暗物質(zhì)。

首先，暗物質(zhì)的總量是構(gòu)成可見世界的原子物質(zhì)的五倍以上。憑借壓倒性的質(zhì)量優(yōu)勢，暗物質(zhì)必然主導宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成。把今天宇宙的三維物質(zhì)分布畫出來，會看到暗物質(zhì)結(jié)成一張蛛網(wǎng)：纖維（filament）尺度從幾十萬到幾百萬光年交錯延伸，構(gòu)成宇宙骨架；星系如珍珠點綴在宇宙網(wǎng)上，在纖維結(jié)構(gòu)的交接處，星系聚集形成。

暗物質(zhì)對宇宙結(jié)構(gòu)形成的主導不僅僅體現(xiàn)在總量上，還體現(xiàn)在它提供了結(jié)構(gòu)形成的初始舞臺。宇宙早期溫度極高，原子處于電離狀態(tài)，光子與電子頻繁碰撞，整個原子世界仍然處于熱平衡狀態(tài)，普通物質(zhì)被“熱”得寸步難行。

暗物質(zhì)因不與光和電子相互作用，率先掙脫熱壓，提前在局域聚集出引力勢阱。待宇宙冷卻，原子物質(zhì)終于可以凝結(jié)時，這些“暗物質(zhì)暈”早已搭好舞臺，引導氣體匯聚、坍縮，點燃第一代恒星，最終組裝出星系。若沒有暗物質(zhì)，原子物質(zhì)的聚集將慢得多，像銀河系這般規(guī)模的星系或許至今無法形成。

坦率地說，暗物質(zhì)至今零應用。但當普通人愿意抬頭了解暗物質(zhì)，他的目光便從腳下的六便士移向夜空的明月，乃至更宏大的宇宙。這種用理性拓展認知邊界的過程，正是“人成為人”的核心。

限制人類天文觀測距離極限的是空間還是時間？

@國家天文臺研究員、天體物理學家、知乎天文學話題優(yōu)秀答主

答案其實挺出人意料的：真正限制我們“看多遠”的，其實是時間，而不是空間。

先說空間距離這事兒。宇宙這么大，星星離我們都動不動就幾十億光年起步。光走這么遠，自然會變得越來越暗。再加上宇宙在膨脹，光的波長會被“拉長”——這就是天文學里說的，原本的紫外光、可見光，最后都變成了紅外甚至微波，我們普通望遠鏡就看不到了。

但好消息是，這種限制是可以靠技術慢慢突破的：我們可以利用更大的望遠鏡，比如；也可以更換觀測手段，比如用紅外、射電波段；還可以借助宇宙中的；甚至發(fā)展全新的探測方式，比如引力波天文學。

這些年，天文學家不斷刷新“最遠星系”“最早星光”的紀錄，這就說明“遠”這個問題，是可以想辦法解決的。

但“太早”真的沒辦法 —— 時間才是硬核邊界。這個可不是你造再牛的設備就能解決的，因為宇宙的年齡就只有138億年，光再努力也不能從比它更早的地方飛來。這不是設備的問題，是宇宙本身的“設定”。

大家可能聽說過（CMB）。它就是我們現(xiàn)在能“看到”的最早的光，來自宇宙剛出生大約38萬年后。為什么那時候才有光？因為在那之前，宇宙就像一鍋沸騰的粥，充滿了自由電子和質(zhì)子，光子一跑就被撞回來，根本沒法自由傳播。直到“宇宙冷靜下來”，這些粒子結(jié)合成中性原子，光才有機會逃出來，自由傳播到今天。也就是說，在那“逃出來”的那一刻之前，宇宙對我們來說是完全“看不到”的黑箱子。不管你造多牛的望遠鏡，也無法穿透那段黑暗期。時間的邊界，就像宇宙給我們畫的一道“觀測地平線。

如何回應西方偽史論、美國登月造假論、轉(zhuǎn)基因陰謀論等已具有一定規(guī)模的思潮？

@中國科學技術大學科技傳播系副主任、知乎答主袁嵐峰

我提出這個問題，是基于三方面的感觸。一是近年來出現(xiàn)了這些思潮，它們和傳統(tǒng)的民科不一樣。區(qū)別在于它們的動員力和攻擊性都大得多。二是到目前為止，公眾輿論上專業(yè)人士對這些思潮的駁斥是遠不夠有力的。三是我自己對此稍微有些經(jīng)驗，因為我跟量子科技騙局論斗爭了很久。

我們需要的是對這些領域有深入了解的專家，同時還精通社會心理、精通表達，用現(xiàn)在的流行語說，就是“有網(wǎng)感”。只有出現(xiàn)了這樣的專家、這樣的作品，才可能對這些民科思潮形成正面的、系統(tǒng)的回應，才可能把壞事變成好事，把民科泛濫變成提高公眾科學素質(zhì)的機會。這是我們期待的，同時也期待相關的學術機構(gòu)、媒體平臺、政府部門等等做出相應的思考與努力。

量子計算會增強人工智能嗎？

@北京理工大學物理學教授、知乎物理學話題優(yōu)秀答主尹璋琦

去年，我們發(fā)現(xiàn)基于離散量子時間晶體量子模擬線路可以開發(fā)高效的量子變分算法，避免貧瘠高原現(xiàn)象。

雖然我們從離散時間晶體量子模擬線路出發(fā)進行研究，但最終結(jié)論是多體局域化可以輔助變分量子算法（VQE）避免梯度下降問題，并沒有看到多體局域化中的離散時間晶體對 VQE 效率有促進作用。量子時間晶體是不是真能提升人工智能的效能，仍有待驗證。由此我們注意到量子時間晶體線路在人工智能中的巨大潛力，開展了系統(tǒng)深入的研究。

我們通過模擬和實驗兩方面確認，多體局域化離散時間晶體對量子儲備池計算的拓撲保護，隨量子比特數(shù)增加越來越好，在量子云平臺實驗中增加到 14 個量子比特時達到最優(yōu)。如果能提升量子門保真度，那么最優(yōu)量子比特數(shù)還會進一步提升，從而增加算法的識別準確率。本工作可能是首次在實驗上演示了量子多體拓撲保護效應可用于消除量子機器學習中噪聲的影響。在拓撲量子計算實現(xiàn)之前，我們先實現(xiàn)了“拓撲保護下的量子機器學習”。

2012 年，我們出于純粹學術好奇心開始了對時間晶體的研究，并介紹了完全是幻想的時間晶體中的計算機，今天被我們自己初步實現(xiàn)，科研的魅力就在于此！至此本工作介紹完畢，而我們結(jié)合量子時間晶體對量子人工智能開展的研究才剛起步！

量子世界里，哪些規(guī)則讓它看起來和我們?nèi)粘Ｉ畹慕?jīng)典世界完全不同？

@奧地利因斯布魯克大學量子物理實驗中心高級博士后、知乎答主郭彥良

量子世界之所以讓人覺得“怪異”，就是因為它遵循的規(guī)則和我們?nèi)粘＝?jīng)驗中的經(jīng)典規(guī)律有著明顯的不同。這也會讓我們假使身處在量子世界，會覺得有很多很有意思的現(xiàn)象和思考，也是基于此嘗試用第一人稱視角寫了一個小女孩進入量子世界的冒險奇遇（《量子奇境環(huán)游記》）

經(jīng)典世界給我們的印象是穩(wěn)固、直觀的：物體是可以區(qū)分的，概率是常規(guī)的，事件有明確的結(jié)果，信息傳播有限速。但在量子世界里，粒子可以完全相同、狀態(tài)可以疊加、波動能相干干涉，甚至還可以跨越空間“糾纏”在一起。正是這些“反直覺”的規(guī)則，讓量子世界與我們熟悉的日常經(jīng)驗截然不同，但它們共同拼接出自然最深層的統(tǒng)一圖景。

為什么可以使用「超冷原子試驗」來模擬宇宙早期？

@中國科學院哲學研究所科學哲學博士生、中國科學院國家天文臺碩士、知乎答主李唐

乍聽起來，用接近 絕對零度（-273.15℃）的超冷原子模擬宇宙初期那種極高溫度的狀態(tài)有些令人匪夷所思。這看似矛盾的操作，實際上又一次給一種在物理學中并不罕見的現(xiàn)象提供了實例：不同尺度和能標的物理系統(tǒng)可能服從某些極其類似的動力學規(guī)律，可以用同一微分方程來描述 。

在玻色-愛因斯坦凝聚體中傳播的聲波遵循著與宇宙黎明之時光波在真空中傳播完全相同的數(shù)學方程。研究團隊通過激光將原子束縛在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，并利用鏡面陣列精確操控光束以調(diào)節(jié)被固定的粒子。為模擬宇宙膨脹過程，他們保持環(huán)形結(jié)構(gòu)半徑以聲速擴張。向系統(tǒng)中注入聲波后，再通過快速成像技術記錄環(huán)形結(jié)構(gòu)膨脹過程中聲波的演化過程。他們觀察到：隨著環(huán)形結(jié)構(gòu)擴張，聲波波長相應增加——這種現(xiàn)象高度模擬了宇宙學中的 紅移效應 （即空間膨脹導致光波被拉伸從而使波長變長）。同時他們還檢測到波的強度在膨脹過程中逐漸衰減，這對應著早期宇宙中光波因?qū)⒛芰總鬟f給膨脹空間而導致振幅衰減。團隊還觀測到了名為"預加熱（preheating）"的復雜效應的跡象。宇宙學家認為該現(xiàn)象發(fā)生于暴脹末期，初始快速膨脹蘊含的能量耗散后形成了當今觀測到的各種粒子。當超冷原子的膨脹停止時，聲波會來回震蕩，最終通過一系列渦旋耗散成沿環(huán)傳播的波。這種能量重新分布的過程與預加熱理論高度吻合，但其發(fā)生速度遠超預期，且呈現(xiàn)方式與現(xiàn)有的宇宙學理論存在差異。

這一系統(tǒng)可能還能模擬早期宇宙密度變化如何影響星系等結(jié)構(gòu)的形成等現(xiàn)象。此前已有人利用類似的系統(tǒng)在實驗室模擬黑洞。盡管目前尚不確定凝聚態(tài)物理學能否一定能為宇宙學帶來新東西，但我們可以期待通過加強這種橫跨物理學不同分支的類比研究，使該系統(tǒng)成為理想的理論驗證平臺，幫助科學家以全新視角理解已知的物理現(xiàn)象。也許使用超冷原子進行更精確的測量能夠使我們找到尚未被天文學家發(fā)現(xiàn)的新宇宙學現(xiàn)象。

量子的糾纏態(tài)、疊加態(tài)是什么意思？區(qū)別是什么？

@中國科學技術大學量子科學與技術專業(yè)博士生、知乎答主細雨黃雨桐

要搞懂量子糾纏，必須先明白量子疊加；而要明白量子疊加，最好的辦法就是拿我們們生活中熟悉的“隨機事件”做對比——最典型的例子，就是拋硬幣。

一枚“量子硬幣”。這玩意兒跟普通硬幣最大的區(qū)別在于：只有當你主動去觀察它的時候，它才會呈現(xiàn)出“正面朝上”或“反面朝上”這兩種固定狀態(tài)；而在你不觀察的時候，你沒法描述它究竟在什么姿態(tài)——它處于一個量子疊加態(tài)。

當你把量子硬幣拋向空中的瞬間，它就進入了一種神奇的狀態(tài)——量子疊加態(tài)。簡單說，它不是“可能正面、可能反面”，而是“同時處于正面朝上和反面朝上兩種狀態(tài)”，它把兩種狀態(tài)“疊”在了一起。

講完了量子疊加，我們終于能聊“量子糾纏”了。還是用硬幣的例子，但這次要加個新設定：硬幣落到地上時，不一定是“正或反”——可能先側(cè)面著地、或者以某個角度傾斜著落地，然后在地上彈一兩下才最終穩(wěn)定。比如：- 如果硬幣是“側(cè)面朝上”落地的，彈完后正面和反面朝上的概率各占50%；- 如果是“45°斜著”落地的，彈完后可能75%概率正面朝上、25%概率反面朝上；- 不同的落地角度，最后出現(xiàn)“正”或“反”的概率不一樣。

這次實驗，我們要觀察硬幣最后“朝哪兒”。我們做兩個對比實驗，一下子就能看出“糾纏”的神奇之處。

實驗一：先后拋兩枚獨立的量子硬幣實驗步驟：先拋“量子硬幣1”：朝著帶洞的木板拋出去，它同時從兩個洞穿過（路徑疊加），落到平地上形成干涉條紋；然后它在地上彈幾下，最后穩(wěn)定成正面或反面朝上。等10秒鐘，再拋“量子硬幣2”：同樣的拋法，同樣形成干涉條紋，同樣彈幾下后穩(wěn)定朝向。

實驗結(jié)果：不管觀察哪個落點，硬幣1和硬幣2的朝向都沒有任何關系。比如硬幣1是正面朝上，硬幣2可能是正，也可能是反——完全看各自“落地彈”的隨機結(jié)果，兩者之間沒有任何“聯(lián)動”。結(jié)論：獨立的量子硬幣是“各玩各的”，它們的狀態(tài)演化完全獨立，彼此之間沒有任何綁定。實驗二：用“量子糾纏膠水”粘住兩枚量子硬幣一起拋現(xiàn)在我們用一種特殊的“量子糾纏膠水”把硬幣1和硬幣2粘在一起，粘的時候保證它們的正面朝向同一個方向（比如都朝東），然后把這對“硬幣組合”一起拋出去。

你會發(fā)現(xiàn)，這對粘在一起的硬幣不再像獨立時那樣“各自走路徑”——它們會作為一個整體進入路徑疊加態(tài)：同時從左洞和右洞穿過，最后落在平地上形成干涉條紋（畢竟是“量子組合”，依然有量子特性）。實驗結(jié)果：最關鍵的來了——當這對硬幣落在地上彈完穩(wěn)定后，只要硬幣1是正面朝上，硬幣2就一定是正面朝上；只要硬幣1是反面朝上，硬幣2就一定是反面朝上。不管拋多少次，兩者的朝向都100%同步。這種“兩個量子物體的狀態(tài)永遠同步”的情況，就是量子糾纏——這兩枚硬幣組成了一個“量子糾纏系統(tǒng)”。

如何發(fā)現(xiàn)量子體系的對稱性？

@中國科學技術大學量子科學與技術專業(yè)博士生、知乎答主Buantum

物理是一門實驗科學！

什么時候說，一個系統(tǒng)具有對稱性？抽象來說，一個操作下，系統(tǒng)性質(zhì)不變（如能量），那么就具有對稱性。描述一個系統(tǒng)的量，大家都熟悉，也就是哈密頓量H。對應一個哈密頓量 ，進行某種變換，哈密頓量保持不變，那么就說這一哈密頓量具備這一對稱性。

這一性質(zhì)有什么用呢？答案是重構(gòu)哈密頓量！

鏡像對稱性的奇偶宇稱容易找，那更復雜的對稱性呢？比如說32種晶體點群，230種空間群？這就要系統(tǒng)學習群論，群表示了。好在是，這些只需要查群的不可約表示即可。

群的不可約表示是承載群操作的基本構(gòu)建塊。通過不可約表示，可以將哈密頓量進行塊對角化。同一個塊對應了同一不可約表示。這樣，一個哈密頓量就被分為了不同的部分，塊內(nèi)再對角化，可以得到不同的本征態(tài)，本征能量，而這些本征態(tài)又同屬于一個群的不可約表示。塊對角化的性質(zhì)使得求解哈密頓量的數(shù)值復雜度降低，一般會用于精確對角化之中。

如何發(fā)現(xiàn)量子體系的對稱性？

理論預測的“正向路徑”： 假設一個結(jié)構(gòu) → 確定其對稱性點群 → 約束哈密頓量的對稱性 → 預測本征態(tài)的對稱性分類。然而，在物理實踐中，我們面臨的往往是實驗探索的“逆向問題”。此時，我們?nèi)绾翁綔y這個未知的系統(tǒng)呢？

這正是光譜學大顯身手的舞臺，而選擇定則則是解決此問題的關鍵鑰匙。其邏輯如下：

提出假設：我們先提出幾種化學上合理的候選結(jié)構(gòu)。

理論推演：我們對每一種假設的構(gòu)型，都走一遍上述的“正向路徑”。利用群論，我們不需知道哈密T頓量的具體細節(jié)，僅憑其對稱性，就可以對每種構(gòu)型做出唯一且剛性的光譜學預測。

實驗驗證：我們對真實的甲烷樣品進行紅外和拉曼光譜測量，得到一組實驗數(shù)據(jù)——即譜峰的數(shù)量、位置和強度。

得出結(jié)論：將實驗觀測結(jié)果與不同假設的理論預測進行比對。哪一個預測與實驗事實相符，我們就接受哪一個結(jié)構(gòu)作為該分子的真實構(gòu)型。反之，與實驗事實相悖的假設則被證偽和排除。

因此，選擇定則扮演了至關重要的橋梁角色。它將一個不可直接觀測的微觀屬性（分子的對稱性），轉(zhuǎn)化為一個可通過實驗精確測量的宏觀信號（光譜譜峰的有無）。我們雖然無法直接“看到”哈密頓量的形式，但通過光譜這個“窗口”，我們可以窺見其本征態(tài)所必須遵循的對稱性約束，從而反推出那個唯一能導致這種約束的系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)。

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