摘要：这些问题或许曾在我们每个人的脑海中闪过。我们习惯于用日常经验去勾勒答案，但物理学的前沿探索却一次次告诉我们：宇宙的真相，远比我们最大胆的想象更加离奇和深刻。

宇宙的外面是什么？

时间真的存在吗？

理论上是否可能制造出隐身衣？

这些问题或许曾在我们每个人的脑海中闪过。我们习惯于用日常经验去勾勒答案，但物理学的前沿探索却一次次告诉我们：宇宙的真相，远比我们最大胆的想象更加离奇和深刻。

首个全国科普月， 知乎携手墨子沙龙发起「物理问答室」活动 ，邀请 @中科院物理所 、 @狐狸先生 、 @苟利军 、 @袁岚峰 、 @尹璋琦 、 @郭彦良 、 @李唐 、 @细雨黄雨桐 、 @Buantum 9 位嘉宾为我们分享物理前沿知识，他们的回答，可能会颠覆你对宇宙的猜想。

欢迎加入，一起加入物理讨论。

如果只能用一个词描述量子世界，你会选哪个词？为什么？

@墨子沙龙

起源。如果用一个词的话，我觉得是整个世界的起源就是量子。

——中国科学技术大学陈宇翱教授

什么是拓扑绝缘体？其与普通的绝缘体有什么区别 ？

@中科院物理所

在固体物理中，电子的动量-能量关系由能带论描述，电子所能占据的最高能级称为费米能级。根据能带填充的程度不同，材料被分为导体、半导体和绝缘体。当费米能级位于导带和价带之间时，因为费米面处在能隙中，可以参与导电的电子态密度为 0，因此无法导电，被称为绝缘体，也就是我们所说的普通绝缘体，属于能带绝缘体。

对于拓扑绝缘体，以下都指简单的二维低阶，其关键点在于「拓扑」二字。而所谓「拓扑」，实际上是一个数学概念，描述的是物体在连续变形（如拉伸、弯曲，但不包括撕裂或粘连）下保持不变的整体性质。

「拓扑」的概念可以应用到固体物理中，电子的能带结构也有类似的「拓扑」属性。 拓扑绝缘体和普通绝缘体，它们的整体波函数结构在拓扑上是不同的（就像有洞的甜甜圈和没洞的球），这种差异可以也用拓扑数来描述， 拓扑数就是一种拓扑不变量。 例如，对拓扑绝缘体的能带空间做 Berry 曲率的积分可以得到非零的拓扑数，属于拓扑非平庸，而普通绝缘体的 Berry 曲率积分为 0，属于拓扑平庸。以上便是从数学上解释了拓扑绝缘体与普通绝缘体的不同之处。

北京师范大学教授，知乎 2015 年度新知答主 @狐狸先生

地球诞生于太阳系，是太阳形成后残余物质凝聚而成；太阳又是 银河系 千亿恒星中的一员。 恒星如何诞生？ 星系中的气体云（主要成分为氢和氦）在自身引力作用下收缩，中心密度与温度不断升高，最终点燃核聚变，于是诞生一颗稳定燃烧的恒星。若只关心局部区域里某颗恒星的起源，我们只需追踪那团气体云的演化即可。 但把视野放大到银河系乃至宇宙大尺度结构的起源，就必须请出暗物质。

计算机中的宇宙物质分布，蛛网状的暗物质结构上点缀着星系。Dark Matter in a Simulated UniverseIllustration Credit Copyright: Tom Abel Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH https://apod.nasa.gov/apod/ap201025.html

首先， 暗物质的总量是构成可见世界的原子物质的五倍以上 。凭借压倒性的质量优势，暗物质必然主导宇宙大尺度结构的形成。把今天宇宙的三维物质分布画出来，会看到暗物质结成一张蛛网：纤维（filament）尺度从几十万到几百万光年交错延伸，构成宇宙骨架；星系如珍珠点缀在宇宙网上，在纤维结构的交接处， 星系聚集形成星系团 。

暗物质「温度不同」，宇宙结构完全不一样。如果宇宙是中微子构成的，只有很大的宇宙「纤维」和巨大的星系能够在今天来得及形成。

暗物质对宇宙结构形成的主导不仅仅体现在总量上， 还体现在它提供了结构形成的初始舞台 。宇宙早期温度极高，原子处于电离状态，光子与电子频繁碰撞，整个原子世界仍然处于热平衡状态，普通物质被「热」得寸步难行。

暗物质因不与光和电子相互作用，率先挣脱热压，提前在局域聚集出引力势阱。 待宇宙冷却，原子物质终于可以凝结时，这些「暗物质晕」早已搭好舞台，引导气体汇聚、坍缩，点燃第一代恒星，最终组装出星系。若没有暗物质，原子物质的聚集将慢得多，像银河系这般规模的星系或许至今无法形成。

坦率地说，暗物质至今零应用。但当普通人愿意抬头了解暗物质，他的目光便从脚下的六便士移向夜空的明月，乃至更宏大的宇宙。 这种用理性拓展认知边界的过程，正是「人成为人」的核心。

限制人类天文观测距离极限的是空间还是时间？

国家天文台研究员、天体物理学家、知乎天文学优秀答主 @苟利军

答案其实挺出人意料的： 真正限制我们「看多远」的，其实是时间，而不是空间。

先说空间距离这事儿。宇宙这么大，星星离我们都动不动就几十亿光年起步。光走这么远，自然会变得越来越暗。再加上宇宙在膨胀，光的波长会被「拉长」——这就是天文学里说的红移，原本的紫外光、可见光，最后都变成了红外甚至微波，我们普通望远镜就看不到了。

但好消息是， 这种限制是可以靠技术慢慢突破的：我们可以利用更大的望远镜 ，比如詹姆斯·韦布；也可以更换观测手段，比如用红外、射电波段；还可以借助宇宙中的引力透镜效应；甚至发展全新的探测方式，比如引力波天文学。

这些年，天文学家不断刷新「最远星系」「最早星光」的纪录，这就说明「远」这个问题，是可以想办法解决的。

但「太早」真的没办法——时间才是硬核边界。 这个可不是你造再牛的设备就能解决的，因为宇宙的年龄就只有 138 亿年，光再努力也不能从比它更早的地方飞来。这不是设备的问题，是宇宙本身的「设定」。

大家可能听说过宇宙微波背景辐射（CMB）。它就是我们现在能「看到」的最早的光，来自宇宙刚出生大约 38 万年后。为什么那时候才有光？因为在那之前，宇宙就像一锅沸腾的粥，充满了自由电子和质子，光子一跑就被撞回来，根本没法自由传播。直到「宇宙冷静下来」，这些粒子结合成中性原子，光才有机会逃出来，自由传播到今天。 也就是说，在那「逃出来」的那一刻之前，宇宙对我们来说是完全「看不到」的黑箱子。 不管你造多牛的望远镜，也无法穿透那段黑暗期。时间的边界，就像宇宙给我们画的一道「观测地平线」。

中国科学技术大学科技传播系副主任、知乎答主 @袁岚峰

我提出这个问题，是基于三方面的感触。一是近年来出现了这些思潮，它们和传统的民科不一样。区别在于它们的动员力和攻击性都大得多。二是到目前为止，公众舆论上专业人士对这些思潮的驳斥是远不够有力的。三是我自己对此稍微有些经验，因为我跟量子科技骗局论斗争了很久。

我们需要的是对这些领域有深入了解的专家，同时还精通社会心理、精通表达，用现在的流行语说，就是「有网感」。只有出现了这样的专家、这样的作品，才可能对这些民科思潮形成正面的、系统的回应，才可能把坏事变成好事，把民科泛滥变成提高公众科学素质的机会。这是我们期待的，同时也期待相关的学术机构、媒体平台、政府部门等等做出相应的思考与努力。

量子计算会增强人工智能吗？

北京理工大学物理学教授、知乎物理学优秀答主 @尹璋琦

去年，我们发现基于离散量子时间晶体量子模拟线路可以开发高效的量子变分算法，避免贫瘠高原现象。

虽然我们从离散时间晶体量子模拟线路出发进行研究，但最终结论是多体局域化可以辅助变分量子算法（VQE）避免梯度下降问题， 并没有看到多体局域化中的离散时间晶体对 VQE 效率有促进作用。 量子时间晶体是不是真能提升人工智能的效能，仍有待验证。由此我们注意到量子时间晶体线路在人工智能中的巨大潜力，开展了系统深入的研究。

我们通过模拟和实验两方面确认，多体局域化离散时间晶体对量子储备池计算的拓扑保护，随量子比特数增加越来越好，在量子云平台实验中增加到 14 个量子比特时达到最优。如果能提升量子门保真度，那么最优量子比特数还会进一步提升，从而增加算法的识别准确率。本工作可能是首次在实验上演示了量子多体拓扑保护效应可用于消除量子机器学习中噪声的影响。在拓扑量子计算实现之前，我们先实现了「拓扑保护下的量子机器学习」。

2012 年，我们出于纯粹学术好奇心开始了对时间晶体的研究，并介绍了完全是幻想的时间晶体中的计算机，今天被我们自己初步实现，科研的魅力就在于此！至此本工作介绍完毕， 而我们结合量子时间晶体对量子人工智能开展的研究才刚起步 ！

量子世界里，哪些规则让它看起来和我们日常生活的经典世界完全不同？

奥地利因斯布鲁克大学量子物理实验中心高级博士后、知乎答主 @郭彦良

量子世界之所以让人觉得「怪异」， 就是因为它遵循的规则和我们日常经验中的经典规律有着明显的不同。 这也会让我们假使身处在量子世界，会觉得有很多很有意思的现象和思考，也是基于此尝试用第一人称视角写了一个小女孩进入量子世界的冒险奇遇（《量子奇境环游记》）

经典世界给我们的印象是稳固、直观的：物体是可以区分的，概率是常规的，事件有明确的结果，信息传播有限速。但在量子世界里，粒子可以完全相同、状态可以叠加、波动能相互干涉，甚至还可以跨越空间「纠缠」在一起。 正是这些「反直觉」的规则，让量子世界与我们熟悉的日常经验截然不同，但它们共同拼接出自然最深层的统一图景。

为什么可以使用「超冷原子试验」来模拟宇宙早期？

中国科学院哲学研究所科学哲学博士生、中国科学院国家天文台硕士、知乎答主 @李唐

乍听起来，用接近绝对零度（-273.15℃）的超冷原子模拟宇宙初期那种极高温度的状态有些令人匪夷所思。这看似矛盾的操作，实际上又一次给一种在物理学中并不罕见的现象提供了实例： 不同尺度和能标的物理系统可能服从某些极其类似的动力学规律，可以用同一微分方程来描述。

在玻色-爱因斯坦凝聚体中传播的声波遵循着与宇宙黎明之时光波在真空中传播完全相同的数学方程。研究团队通过激光将原子束缚在环形结构中，并利用镜面阵列精确操控光束以调节被固定的粒子。为模拟宇宙膨胀过程，他们保持环形结构半径以声速扩张。向系统中注入声波后，再通过快速成像技术记录环形结构膨胀过程中声波的演化过程。他们观察到： 随着环形结构扩张，声波波长相应增加——这种现象高度模拟了宇宙学中的红移效应 （即空间膨胀导致光波被拉伸从而使波长变长）。同时他们还检测到波的强度在膨胀过程中逐渐衰减，这对应着早期宇宙中光波因将能量传递给膨胀空间而导致振幅衰减。团队还观测到了名为「预加热（preheating）」的复杂效应的迹象。宇宙学家认为该现象发生于暴胀末期，初始快速膨胀蕴含的能量耗散后形成了当今观测到的各种粒子。当超冷原子的膨胀停止时，声波会来回震荡，最终通过一系列涡旋耗散成沿环传播的波。这种能量重新分布的过程与预加热理论高度吻合，但其发生速度远超预期，且呈现方式与现有的宇宙学理论存在差异。

这一系统可能还能模拟早期宇宙密度变化如何影响星系等结构的形成等现象。此前已有人利用类似的系统在实验室模拟黑洞。尽管目前尚不确定凝聚态物理学能否一定能为宇宙学带来新东西，但我们可以期待通过加强这种横跨物理学不同分支的类比研究，使该系统成为理想的理论验证平台，帮助科学家以全新视角理解已知的物理现象。也许使用超冷原子进行更精确的测量能够使我们找到尚未被天文学家发现的新宇宙学现象。

量子的纠缠态、叠加态是什么意思？区别是什么？

中国科学技术大学量子科学与技术专业博士生、知乎答主 @细雨黄雨桐

要搞懂量子纠缠，必须先明白量子叠加；而要明白量子叠加，最好的办法就是 拿我们生活中熟悉的「随机事件」做对比 ——最典型的例子，就是 抛硬币 。

一枚「量子硬币」。这玩意儿跟普通硬币最大的区别在于：只有当你主动去观察它的时候，它才会呈现出「正面朝上」或「反面朝上」这两种固定状态；而在你不观察的时候，你没法描述它究竟在什么姿态——它处于一个量子叠加态。

当你把量子硬币抛向空中的瞬间，它就进入了一种神奇的状态——量子叠加态。简单说，它不是「可能正面、可能反面」，而是「同时处于正面朝上和反面朝上两种状态」，它把两种状态「叠」在了一起。

讲完了量子叠加，我们终于能聊「量子纠缠」了。还是用硬币的例子，但这次要加个新设定：硬币落到地上时，不一定是「正或反」——可能先侧面着地，或者以某个角度倾斜着落地，然后在地上弹一两下才最终稳定。比如：如果硬币是「侧面朝上」落地的，弹完后正面和反面朝上的概率各占50%；如果是「45°斜着」落地的，弹完后可能75%概率正面朝上、25%概率反面朝上；不同的落地角度，最后出现「正」或「反」的概率不一样。

这次实验，我们要观察硬币最后「朝哪儿」。我们做两个对比实验，一下子就能看出「纠缠」的神奇之处。

实验一：先后抛两枚独立的量子硬币实验步骤：先抛「量子硬币 1」：朝着带洞的木板抛出去，它同时从两个洞穿过（路径叠加），落到平地上形成干涉条纹；然后它在地上弹几下，最后稳定成正面或反面朝上。等 10 秒钟，再抛「量子硬币 2」：同样的抛法，同样形成干涉条纹，同样弹几下后稳定朝向。

实验结果：不管观察哪个落点，硬币 1 和硬币 2 的朝向都没有任何关系。比如硬币 1 是正面朝上，硬币2可能是正，也可能是反——完全看各自「落地弹」的随机结果，两者之间没有任何「联动」。

结论： 独立的量子硬币是「各玩各的」，它们的状态演化完全独立，彼此之间没有任何绑定。

实验二：用「量子纠缠胶水」粘住两枚量子硬币一起抛现在我们用一种特殊的「量子纠缠胶水」把硬币 1 和硬币 2 粘在一起，粘的时候保证它们的正面朝向同一个方向（比如都朝东），然后把这对「硬币组合」一起抛出去。

你会发现，这对粘在一起的硬币不再像独立时那样「各自走路径」——它们会作为一个整体进入路径叠加态：同时从左洞和右洞穿过，最后落在平地上形成干涉条纹（毕竟是「量子组合」，依然有量子特性）。

实验结果：最关键的来了——当这对硬币落在地上弹完稳定后，只要硬币 1 是正面朝上，硬币2就一定是正面朝上；只要硬币1是反面朝上，硬币 2 就一定是反面朝上。不管抛多少次，两者的朝向都 100% 同步。 这种「两个量子物体的状态永远同步」的情况，就是量子纠缠——这两枚硬币组成了一个「量子纠缠系统」。

如何发现量子体系的对称性？

中国科学技术大学量子科学与技术专业博士生、知乎答主 @Buantum

物理是一门实验科学！

什么时候说，一个系统具有对称性？抽象来说，一个操作下，系统性质不变（如能量），那么就具有对称性。描述一个系统的量，大家都熟悉，也就是哈密顿量H。对应一个哈密顿量 ，进行某种变换，哈密顿量保持不变，那么就说这一哈密顿量具备这一对称性。

这一性质有什么用呢？答案是重构哈密顿量！

镜像对称性的奇偶宇称容易找，那更复杂的对称性呢？比如说 32 种晶体点群，230 种空间群？这就要系统学习群论，群表示了。好在是，这些只需要查群的不可约表示即可。

群的不可约表示是承载群操作的基本构建块。通过不可约表示，可以将哈密顿量进行块对角化。同一个块对应了同一不可约表示。这样，一个哈密顿量就被分为了不同的部分，块内再对角化，可以得到不同的本征态，本征能量，而这些本征态又同属于一个群的不可约表示。块对角化的性质使得求解哈密顿量的数值复杂度降低，一般会用于精确对角化之中。

如何发现量子体系的对称性？

理论预测的「正向路径」： 假设一个结构 → 确定其对称性点群 → 约束哈密顿量的对称性 → 预测本征态的对称性分类。然而，在物理实践中，我们面临的往往是实验探索的「逆向问题」。此时，我们如何探测这个未知的系统呢？

这正是光谱学大显身手的舞台，而选择定则则是解决此问题的关键钥匙。其逻辑如下：

提出假设： 我们先提出几种化学上合理的候选结构。

理论推演： 我们对每一种假设的构型，都走一遍上述的「正向路径」。利用群论，我们不需知道哈密T顿量的具体细节，仅凭其对称性，就可以对每种构型做出唯一且刚性的光谱学预测。

实验验证： 我们对真实的甲烷样品进行红外和拉曼光谱测量，得到一组实验数据——即谱峰的数量、位置和强度。

得出结论： 将实验观测结果与不同假设的理论预测进行比对。哪一个预测与实验事实相符，我们就接受哪一个结构作为该分子的真实构型。反之，与实验事实相悖的假设则被证伪和排除。

因此，选择定则扮演了至关重要的桥梁角色。它将一个不可直接观测的微观属性（分子的对称性），转化为一个可通过实验精确测量的宏观信号（光谱谱峰的有无）。我们虽然无法直接「看到」哈密顿量的形式，但通过光谱这个「窗口」，我们可以窥见其本征态所必须遵循的对称性约束，从而反推出那个唯一能导致这种约束的系统几何结构。

来源：社会万象集