《量子多體中的吶喊與彷徨》| 周末讀書

《量子多體中的吶喊與彷徨》

作者：卡洛

中國工信出版集團

人民郵電出版社

購書鏈接：

想獲得該書的讀者可以在后臺留言，寫下與本書試讀內容有關的體會，留言點贊前10名的讀者將獲贈該書一本。截止時間是1月19日早8點，10點會公布10位獲獎者名單。期待您的參與！

推薦語

作為一本科普圖書，本書為廣大讀者揭開了強關聯量子物理研究的神秘面紗，縮小了物理學前沿研究與大眾認知之間的鴻溝，不僅成功地將高深的量子理論轉化為公眾可理解的知識，也激發了人們對探索量子世界奧秘的興趣和好奇心。在強關聯量子物理這個相對艱深的領域中，能夠以相對淺顯易懂的語言解釋復雜科學概念的圖書屈指可數，在此背景下，本書顯得尤為珍貴。希望本書的出版能激勵更多人加入科學研究和科學文化傳播事業中來。

—— 中國科學院院士 向濤

作者簡介

卡洛

本名孟子楊，凝聚態物理學研究人員，香港大學物理系教授。研究工作側重量子多體系統中的模型設計和計算方法發展，以及通過如是計算解釋量子多體材料中涌現的新現象。在科研工作的間隙，撰寫了一些介紹量子物質科學研究的專欄文章并備受好評。希望將科學研究和文學藝術等創造性活動的共同點，用更加平實易懂的語言表達出來，也希望可以讓大眾看到一線科研人員對于人文和藝術也有自己的追求。

內容介紹

本書介紹了凝聚態物理學量子多體問題研究中的新現象和新結果，結合解析理論與數值計算的進展，闡述了現代量子物質科學研究的發展現狀。本書涵蓋的科學內容包括去禁閉量子臨界現象、非費米液體的模型設計與數據分析方法、量子磁性材料計算與實驗數據解讀、關聯電子系統量子糾纏算法的新進展，以及量子摩爾材料模型設計和計算、拓撲序臨界現象、凝聚態物理計算、高能物理與受限量子多體系統結合的新發展等。本書通過10余篇深入淺出的科普美文，向讀者展現了量子多體物理學研究從興趣、想法逐步落實到理論、計算和實驗發現的過程。本書適合對科學與人文創造性活動、凝聚態物理學史和量子物質科學前沿進展感興趣的讀者閱讀。

序言

量子理論是人類迄今為止建立的最基礎的科學理論之一，是劃時代的科學突破，不僅實現了物理和化學的統一，也奠定了現代及未來信息技術發展的科學基礎。從普朗克于1900年提出量子概念開始到現在，量子理論的發展大致可以分為以下三個階段。第一階段從20 世紀初到20 世紀30 年代，是量子理論的基本原理及概念體系的建立階段。這個階段的成果奠定了量子力學的理論基石，也構成了大學量子力學課程的核心內容。第二階段始于20世紀30年代，是微擾量子場論的建立和發展的階段。此階段通過重整化群理論及規范量子場論的建立，在20世紀五六十年代達到其頂峰，象征著量子物理學一個新紀元的誕生，其精華已成為現代量子場論的核心內容，也奠定了描述相變與臨界現象的理論基礎。第三階段致力于非微擾量子場論的構建，是量子理論發展過程中尚未攻克的難關。從20世紀50年代開始的對粒子物理強相互作用的研究，可認為是這個階段的開端，但直到20世紀80年代銅氧化物高溫超導體等強關聯量子系統的發現，人們才更加明確地意識到解決這些問題的緊迫性。強關聯量子系統屬于非微擾范疇，目前人們還沒有找到一種普遍適用的解析方法或半解析方法來研究它們。因此，發展數值計算方法解決和揭示強關聯多粒子系統的量子規律，已成為量子理論研究的關鍵方向。

孟子楊的這本文集，就是在這種科學背景下誕生的。

孟子楊是我在中國科學院物理研究所的前同事，是一個對探索科學未知領域充滿無限激情的年輕人。這本文集，通過平實的語言，記錄了他在攀登強關聯物理高峰過程中的艱辛歷程和人生感悟，沒有追逐高影響因子的浮躁，也沒有追求時髦課題的喧囂，讀者通過閱讀本文集能深刻體會到一位勇攀科學高峰者面對重重挑戰時的平靜和堅毅，以及在經歷無數失敗后終獲成功的喜悅。他的文字生動展現了科研從無到有的創造過程，體現了科研工作者在追求真理的道路上所面臨的種種心理和情感挑戰，同時也表達了對于建立一個自由、開放、鼓勵創造的科研環境的深切期望。

孟子楊的文集，通過科普閱讀的形式，為廣大讀者揭開了強關聯量子物理研究的神秘面紗，縮小了物理學前沿研究與大眾認知之間的鴻溝，不僅成功地將高深的量子理論轉化為公眾可理解的知識，也能激發人們對探索量子世界奧秘的興趣和好奇心。在強關聯量子物理這個相對艱深的領域中，能夠以相對淺顯易懂的語言解釋復雜科學概念的圖書屈指可數，孟子楊的努力在此背景下顯得尤為珍貴。希望有更多的人能夠加入科學文化傳播事業中來。

中國科學院院士 向濤

磁性晶體TMGO中的電子自旋排布與磁振子-渦旋對激發

前言

“我在年青時候也曾經做過許多夢，后來大半忘卻了，但自己也并不以為可惜。”

當我寫下這些熟悉的文字時，大抵也就是魯迅寫下上述文字的年紀，他的夢尚且大半忘卻，我的夢豈不更是如此。100年前的大先生身處動蕩的大時代，如今的我們同樣身處一個風云變幻的時代，在種種變化之中，希望和失望都是倏忽之間的事。種種新潮、種種時代的悲喜劇，種種在社會和行業的梯子上掙扎著向上攀爬的劇情，每天都在上演，熱熱鬧鬧此起彼伏，而我們的生命也就在這樣的熱鬧中無聲無息地流走了。

在魯迅的時代，“德先生”與“賽先生”的到來將一股新潮思想引入人民大眾之中。在筆者從事的量子物理學研究領域中，“賽先生”所要引發的革命——真誠的人們正在盼望的科學革命，也是弄潮兒們正在努力宣揚的革命——總說將要發生、正在發生或者已經發生了，但是筆者總是茫然。我們不是還沒有可以普遍性地解決量子多體問題的理論與計算框架嗎？我們不是還沒有理解什么是銅氧化物高溫超導現象，沒有理解為什么二維量子材料中的超導和分數量子反常霍爾效應會發生嗎？甚至我們還不明白強關聯材料中金屬到絕緣體的莫特轉變是如何進行的，費米面上的準粒子是如何消失的，朗道費米液體理論是如何失效的等基礎理論問題。遑論眼下正在被廣泛討論的量子多體糾纏、量子多體模擬、量子多體計算、量子多體線路等將要發生、正在發生或者已經發生的“重磅”突破。我們真的明白我們在討論的內容嗎？

事情的脈絡原本是清楚的，一如向濤院士在序言中所寫，從普朗克于1900年提出量子概念開始到現在，量子理論大致可分為三個階段，第一階段從20 世紀初到20 世紀30 年代，建立了量子理論的基本原理及概念體系。第二階段始于20 世紀30 年代，建立了重整化群理論及規范量子場論，及至20 世紀五六十年代現代量子場論、相變與臨界現象的理論等基礎趨于完備。而當下我輩還處在量子理論發展的第三個階段，正在致力于非微擾量子場論的構建，這是量子理論發展中尚未攻克的難關。在我從事的凝聚態物理學研究領域中，自20世紀80年代銅氧化物高溫超導體等強關聯量子系統的發現，人們更加明確地意識到，量子多體問題屬于非微擾范疇。目前還沒有一種普遍適用的解析或半解析方法，取而代之的是，人們開始著力發展量子多體數值計算方法，輔之以量子場論等解析工具，解決和揭示強關聯量子多體系統的量子規律，這既是量子理論研究的關鍵方向，同時也說明我們還處在摸著石頭過河的狀態中。

具體到我自己，作為一個從事量子物理學研究的科研人員，稍稍回想一下，入行這些年發表了一些所謂的一區論文，培養了一些學生，給多個科普平臺寫了一些“游戲”文字。做這些事只是因為喜歡，只是想搞清楚量子多體問題中的一些難點，并分享給感興趣的朋友。至于是不是“前瞻性、原創性、引領性”的成果，是否做到了“提出新理論、發展新方法、開辟新領域，推動我國基礎研究在前沿領域取得突破”，我個人認為其實已不重要。量子多體問題神秘無窮，書生們以肉身進入現場，看著花開花落、風日閑靜、人家笑語，追求的不過是那值得寄托的人生貞信、跌宕自喜的深穩；追求的不過是日月山川變異中的那一股朝氣。在非費米液體研究中的摸索和體會，在量子多體模型構建和計算上的心得，在量子相變和多體糾纏方面的一點點新發現，在二維量子摩爾材料計算方面的一點點新學習，對于書生們來說，就算是他們的回報了，就算是他們的“每有會意，便欣然忘食”。

推廣到我身處的科研大環境，這些年來，大家都經歷了從吶喊到彷徨的變化，眼見著行業中的同伴們“ 有的高升，有的退隱，有的前進，我又經歷了一回同一戰陣中的伙伴還是會這么變化”，開始感到寂寞，變成了沙漠中荷戈的孤卒。也就是在這樣寂寞的心情中，卻又更加清楚地看到“我決不是一個振臂一呼應者云集的英雄。”一如魯迅，在想把量子多體問題搞清楚的時間里，我更多體會到的是未嘗經驗的悲哀。為了消解心中的寂寞，我也開始嘗試著尋找安放自己靈魂的辦法，或回望過去，或走向異國，或集中精力從事自己認為值得追求的科學創造。只希望我的寂寞不要打擾這個看似熱鬧實則浮躁的環境，不要傳染給其他青年。但是就在這之中，我卻總發現心靈無法完全地沉寂，似乎是自己在想要勉力從事創造的過程中，總有幾件事、幾種感動、幾次科學創造中深入心靈的體驗在招引著我、催促著我，使我不甘讓自己的內心沉寂，使我覺得有必要把它們講出來，講給真誠的人們，給他們以鼓勵和或多或少的溫暖。承蒙科普平臺的編輯朋友們和行業內諸多友人的勉勵，我幾年來陸陸續續地寫下讀者眼前的這些文字。現在竟然有機會結集出版，確是在我的意料之外。

寫作之于筆者，其實已經變成了一種救贖，讓我在變化的時代中找到屬于自己的一片土地，可以心安理得平靜思考的土地。本書收錄的十幾篇文章，從風格到體例一以貫之，我嘗試著用一種更加個人化的方式，解釋和記錄自己、學生、朋友們在量子多體研究中的心得和體會，嘗試講述量子多體研究中一些個人化的、十分具體的量子多體物理問題的研究進展，講述點滴想法怎么一步步落實；涵蓋的內容也十分雜亂，充滿了個人的印記，從去禁閉量子臨界現象，到非費米液體的模型設計與數據分析方法、量子磁性材料計算與實驗數據解讀，再到關聯電子系統量子糾纏算法的新進展，還有量子摩爾材料模型設計和計算、拓撲序臨界現象、受限量子多體與量子模擬系統結合的新發展等。因水平有限，我只會講自己身邊的故事，那些隨喜的、錦上添花類的灌水評述，實在不適合筆者。由是觀之，如果讀者諸君希望從這些文字中學到如何發現研究熱點、躋身青年才俊的成功案例，恐怕將會失望。本書中呈現的只是一些從個人心中冒出來的、自認為好的故事。在編輯整理本書的過程中，我受到很多同行、學生和朋友們的鼓勵和幫助，無法一一致謝。值得特別提到的是中國物理學會《物理》雜志的編輯王海霞、返樸的編輯潘穎、人民郵電出版社的編輯胡玉婷和王芳，還有香港大學物理系的研究生冉曉雪，她們為我這些不成系統的文字，操心費力，進行了很多細心的整理工作。當然，文中不可避免的錯誤，責任都在筆者。

“知我者，謂我心憂；不知我者，謂我何求。”隨著過往一起沉寂下去的，是個人的喜樂和哀愁。而內心中希望不會沉寂的，是我們在從事科學創造的過程中親歷的幾件事、獲得的幾種感動、幾次深入心靈的體驗，在這里拿出來分享給真誠的人們，希望可以鼓勵和寬慰如我一樣正在體會著孤獨的靈魂。出于向前賢致意的心思，姑且名之曰：量子多體中的吶喊與彷徨。

香港大學物理系教授

孟子楊（卡洛）

編輯語

2017 年 6 月“中科院物理所” 微信公眾號推出了中國科學院物理研究所孟子楊研究員《西斯廷教堂中的對偶變換》一文，作者認為“科學發現之于科學家，亦如藝術品之于藝術家，都是嘔心的作品與其創造者之間的關系”，并以米開朗基羅創作西斯廷教堂天頂畫的堅守與煎熬為隱喻，將抽象的 “對偶變換” 與團隊的科研歷程相結合，還原了從 “看似無關的研究方向” 到 “發現對偶關聯”，再到 “大規模量子蒙特卡羅計算攻堅”——那些跨地域協作的奔波、數值計算的瓶頸、突破后的豁然，從中得以窺見科研人充滿探索、糾結與突破的心路歷程。這種兼具專業性與溫度的表達，深深打動了我。

之后，孟老師又陸續推出了《海森堡模型的譜，到底有多靠譜》《寂靜春天里的動力學》《我們的壯游》等頗受歡迎的微文。這些文字無一例外，都跳出了傳統學術表達的框架，以新穎視角講述科研人員追求真理、追尋真善美的動人過程，字里行間充滿對科學的赤誠、對困境的坦然與對理想的堅守。

作為在研究所工作、為物理學界服務的科學編輯，仔細品讀這些文章后，我萌生了邀請孟老師為《物理》雜志撰寫專欄的想法。幾經溝通邀約，孟老師終是應允，愿將自己從事科學研究過程中親歷的幾件事、幾份感動、以及深入心靈的體驗，真誠地與《物理》讀者分享——既想為同行展現科研的本真模樣，也希望鼓勵和寬慰那些正在科研中體會著孤獨且依然執著前行的人們，并將專欄命名為 “量子多體中的吶喊與彷徨”。

在專欄出版的過程中，我作為第一讀者，跟隨作者的筆觸，時而為科研突破的欣喜而振奮，時而為探索路上的迷茫而共情，時而為現實俗務的牽絆而悵然，卻始終意猶未盡。

今天，我很高興地看到這些文章在作者進一步補充完善后結集成書。希望更多讀者能有機會讀到這本心力之作，從中感受到科學工作者在前沿探索里的嚴謹與執著，讀懂他們在信念堅守中的心路歷程，或許能為自己的求學及科研之路，帶來一份珍貴的啟發與深刻的共鳴。

《物理》編輯部 王海霞

本書章節目錄

第1章 被解救的諾特：

對稱性在量子物質科學中的應用

第2章 白馬非馬，非費米液體——非——費米液體:

如何理解量子多體金屬（之一）

第3章 一生能有多少愛：

如何理解量子多體金屬（之二）

第4章 從德爾斐箴言到自學習蒙特卡羅：

人工智能在量子多體計算中的應用

第5章 南方的動力學平均場：

現代量子多體材料計算

第6章 蒙蒙卡和張量量：

量子多體計算中的蒙特卡羅和張量網絡

第7章 我們的壯游：

淺談科學交流和教育方式

第8章 我愛糾纏如秋褲：

量子糾纏在物理系統中的定量計算和衡量（之一）

第9章 關于糾纏的十四行詩：

量子糾纏在物理系統中的定量計算和衡量（之二）

第10章 轉角石墨烯的三昧：

二維量子材料的熱潮

第11章 無愁河上的浪蕩漢子們：

現代相變和臨界現象的進展

第12章 情愿不自由，便是自由了：

趣談受限量子多體模型研究

后記 漫長的告別——論風格的養成

碼上購書

購書鏈接：

歡迎訂閱2026年《物理》雜志

期刊介紹

01

《物理》是由中國科學院物理研究所和中國物理學會主辦的權威物理類中文科普期刊，注重學科性與科普性相結合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學科大家之力，追蹤物理學成果，服務物理學領域，促進學科交叉，讓科學變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業的大學生、研究生、物理學家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學一線的院士、專家。

讀者：物理學及其相關學科(如化學、材料學、生命科學、信息技術、醫學等)的研究人員、教師、技術開發人員、科研管理人員、研究生和大學生，以及關注物理學發展的讀者。

欄目：特約專稿、評述、熱點專題、前沿進展、實驗技術、研究快訊、物理攫英、物理學史和物理學家、物理學漫談、物理教育、人物、科學基金、物理新聞和動態、書評和書訊等。

期刊訂閱

02

訂閱方式：編輯部直接訂閱優惠價240元/年，全國包郵。

方式1

- 微信訂閱 -

(此訂閱方式僅針對需要對公開電子發票的讀者，且務必提供正確的單位名稱和單位稅號)

在“物理所財務處”微信公眾號繳費，操作如下：公號下方“業務辦理”-“訂刊費”-收費部門“《物理》編輯部”，之后填寫相應信息。如有問題，可添加編輯微信咨詢：18627635857。

方式2

- 銀行匯款 -

開戶行：中國農業銀行北京科院南路支行

戶 名：中國科學院物理研究所

帳 號：11250101040005699

（請注明“《物理》編輯部”，匯款成功后請及時聯系編輯部登記郵寄地址）

編輯部聯系方式：

咨詢電話：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

贈閱活動

03

為答謝廣大讀者長期以來的關愛和支持，《物理》編輯部特推出優惠訂閱活動：凡直接向編輯部連續訂閱2年《物理》雜志，將獲贈《歲月有情- <物理> 50周年紀念本》。內有自1972年至2022年《物理》發表的50篇精選文章信息，掃描對應的二維碼，可重溫經典之作，感悟物理科學的真諦，領略學科大家的風采。希望讀者們愛上《物理》!