《量子多體中的吶喊與彷徨》

作者：卡洛

中國工信出版集團(tuán)

人民郵電出版社

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推薦語

作為一本科普?qǐng)D書，本書為廣大讀者揭開了強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物理研究的神秘面紗，縮小了物理學(xué)前沿研究與大眾認(rèn)知之間的鴻溝，不僅成功地將高深的量子理論轉(zhuǎn)化為公眾可理解的知識(shí)，也激發(fā)了人們對(duì)探索量子世界奧秘的興趣和好奇心。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物理這個(gè)相對(duì)艱深的領(lǐng)域中，能夠以相對(duì)淺顯易懂的語言解釋復(fù)雜科學(xué)概念的圖書屈指可數(shù)，在此背景下，本書顯得尤為珍貴。希望本書的出版能激勵(lì)更多人加入科學(xué)研究和科學(xué)文化傳播事業(yè)中來。

—— 中國科學(xué)院院士 向濤

作者簡(jiǎn)介

卡洛

本名孟子楊，凝聚態(tài)物理學(xué)研究人員，香港大學(xué)物理系教授。研究工作側(cè)重量子多體系統(tǒng)中的模型設(shè)計(jì)和計(jì)算方法發(fā)展，以及通過如是計(jì)算解釋量子多體材料中涌現(xiàn)的新現(xiàn)象。在科研工作的間隙，撰寫了一些介紹量子物質(zhì)科學(xué)研究的專欄文章并備受好評(píng)。希望將科學(xué)研究和文學(xué)藝術(shù)等創(chuàng)造性活動(dòng)的共同點(diǎn)，用更加平實(shí)易懂的語言表達(dá)出來，也希望可以讓大眾看到一線科研人員對(duì)于人文和藝術(shù)也有自己的追求。

內(nèi)容介紹

本書介紹了凝聚態(tài)物理學(xué)量子多體問題研究中的新現(xiàn)象和新結(jié)果，結(jié)合解析理論與數(shù)值計(jì)算的進(jìn)展，闡述了現(xiàn)代量子物質(zhì)科學(xué)研究的發(fā)展現(xiàn)狀。本書涵蓋的科學(xué)內(nèi)容包括去禁閉量子臨界現(xiàn)象、非費(fèi)米液體的模型設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析方法、量子磁性材料計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀、關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)量子糾纏算法的新進(jìn)展，以及量子摩爾材料模型設(shè)計(jì)和計(jì)算、拓?fù)湫蚺R界現(xiàn)象、凝聚態(tài)物理計(jì)算、高能物理與受限量子多體系統(tǒng)結(jié)合的新發(fā)展等。本書通過10余篇深入淺出的科普美文，向讀者展現(xiàn)了量子多體物理學(xué)研究從興趣、想法逐步落實(shí)到理論、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的過程。本書適合對(duì)科學(xué)與人文創(chuàng)造性活動(dòng)、凝聚態(tài)物理學(xué)史和量子物質(zhì)科學(xué)前沿進(jìn)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(chǔ)的科學(xué)理論之一，是劃時(shí)代的科學(xué)突破，不僅實(shí)現(xiàn)了物理和化學(xué)的統(tǒng)一，也奠定了現(xiàn)代及未來信息技術(shù)發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)。從普朗克于1900年提出量子概念開始到現(xiàn)在，量子理論的發(fā)展大致可以分為以下三個(gè)階段。第一階段從20 世紀(jì)初到20 世紀(jì)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(gè)階段的成果奠定了量子力學(xué)的理論基石，也構(gòu)成了大學(xué)量子力學(xué)課程的核心內(nèi)容。第二階段始于20世紀(jì)30年代，是微擾量子場(chǎng)論的建立和發(fā)展的階段。此階段通過重整化群理論及規(guī)范量子場(chǎng)論的建立，在20世紀(jì)五六十年代達(dá)到其頂峰，象征著量子物理學(xué)一個(gè)新紀(jì)元的誕生，其精華已成為現(xiàn)代量子場(chǎng)論的核心內(nèi)容，也奠定了描述相變與臨界現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。第三階段致力于非微擾量子場(chǎng)論的構(gòu)建，是量子理論發(fā)展過程中尚未攻克的難關(guān)。從20世紀(jì)50年代開始的對(duì)粒子物理強(qiáng)相互作用的研究，可認(rèn)為是這個(gè)階段的開端，但直到20世紀(jì)80年代銅氧化物高溫超導(dǎo)體等強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，人們才更加明確地意識(shí)到解決這些問題的緊迫性。強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)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(fā)展數(shù)值計(jì)算方法解決和揭示強(qiáng)關(guān)聯(lián)多粒子系統(tǒng)的量子規(guī)律，已成為量子理論研究的關(guān)鍵方向。

孟子楊的這本文集，就是在這種科學(xué)背景下誕生的。

孟子楊是我在中國科學(xué)院物理研究所的前同事，是一個(gè)對(duì)探索科學(xué)未知領(lǐng)域充滿無限激情的年輕人。這本文集，通過平實(shí)的語言，記錄了他在攀登強(qiáng)關(guān)聯(lián)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(shí)髦課題的喧囂，讀者通過閱讀本文集能深刻體會(huì)到一位勇攀科學(xué)高峰者面對(duì)重重挑戰(zhàn)時(shí)的平靜和堅(jiān)毅，以及在經(jīng)歷無數(shù)失敗后終獲成功的喜悅。他的文字生動(dòng)展現(xiàn)了科研從無到有的創(chuàng)造過程，體現(xiàn)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(zhàn)，同時(shí)也表達(dá)了對(duì)于建立一個(gè)自由、開放、鼓勵(lì)創(chuàng)造的科研環(huán)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(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物理研究的神秘面紗，縮小了物理學(xué)前沿研究與大眾認(rèn)知之間的鴻溝，不僅成功地將高深的量子理論轉(zhuǎn)化為公眾可理解的知識(shí)，也能激發(fā)人們對(duì)探索量子世界奧秘的興趣和好奇心。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物理這個(gè)相對(duì)艱深的領(lǐng)域中，能夠以相對(duì)淺顯易懂的語言解釋復(fù)雜科學(xué)概念的圖書屈指可數(shù)，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(xué)文化傳播事業(yè)中來。

中國科學(xué)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(duì)激發(fā)

前言

“我在年青時(shí)候也曾經(jīng)做過許多夢(mèng)，后來大半忘卻了，但自己也并不以為可惜。”

當(dāng)我寫下這些熟悉的文字時(shí)，大抵也就是魯迅寫下上述文字的年紀(jì)，他的夢(mèng)尚且大半忘卻，我的夢(mèng)豈不更是如此。100年前的大先生身處動(dòng)蕩的大時(shí)代，如今的我們同樣身處一個(gè)風(fēng)云變幻的時(shí)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(shí)代的悲喜劇，種種在社會(huì)和行業(yè)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(shí)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(xué)研究領(lǐng)域中，“賽先生”所要引發(fā)的革命——真誠的人們正在盼望的科學(xué)革命，也是弄潮兒們正在努力宣揚(yáng)的革命——總說將要發(fā)生、正在發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)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(jì)算框架嗎？我們不是還沒有理解什么是銅氧化物高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，沒有理解為什么二維量子材料中的超導(dǎo)和分?jǐn)?shù)量子反常霍爾效應(yīng)會(huì)發(fā)生嗎？甚至我們還不明白強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中金屬到絕緣體的莫特轉(zhuǎn)變是如何進(jìn)行的，費(fèi)米面上的準(zhǔn)粒子是如何消失的，朗道費(fèi)米液體理論是如何失效的等基礎(chǔ)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(jì)算、量子多體線路等將要發(fā)生、正在發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的“重磅”突破。我們真的明白我們?cè)谟懻摰膬?nèi)容嗎？

事情的脈絡(luò)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(xiàn)在，量子理論大致可分為三個(gè)階段，第一階段從20 世紀(jì)初到20 世紀(jì)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(jì)30 年代，建立了重整化群理論及規(guī)范量子場(chǎng)論，及至20 世紀(jì)五六十年代現(xiàn)代量子場(chǎng)論、相變與臨界現(xiàn)象的理論等基礎(chǔ)趨于完備。而當(dāng)下我輩還處在量子理論發(fā)展的第三個(gè)階段，正在致力于非微擾量子場(chǎng)論的構(gòu)建，這是量子理論發(fā)展中尚未攻克的難關(guān)。在我從事的凝聚態(tài)物理學(xué)研究領(lǐng)域中，自20世紀(jì)80年代銅氧化物高溫超導(dǎo)體等強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)，人們更加明確地意識(shí)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(fā)展量子多體數(shù)值計(jì)算方法，輔之以量子場(chǎng)論等解析工具，解決和揭示強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子多體系統(tǒng)的量子規(guī)律，這既是量子理論研究的關(guān)鍵方向，同時(shí)也說明我們還處在摸著石頭過河的狀態(tài)中。

具體到我自己，作為一個(gè)從事量子物理學(xué)研究的科研人員，稍稍回想一下，入行這些年發(fā)表了一些所謂的一區(qū)論文，培養(yǎng)了一些學(xué)生，給多個(gè)科普平臺(tái)寫了一些“游戲”文字。做這些事只是因?yàn)橄矚g，只是想搞清楚量子多體問題中的一些難點(diǎn)，并分享給感興趣的朋友。至于是不是“前瞻性、原創(chuàng)性、引領(lǐng)性”的成果，是否做到了“提出新理論、發(fā)展新方法、開辟新領(lǐng)域，推動(dòng)我國基礎(chǔ)研究在前沿領(lǐng)域取得突破”，我個(gè)人認(rèn)為其實(shí)已不重要。量子多體問題神秘?zé)o窮，書生們以肉身進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，看著花開花落、風(fēng)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(wěn)；追求的不過是日月山川變異中的那一股朝氣。在非費(fèi)米液體研究中的摸索和體會(huì)，在量子多體模型構(gòu)建和計(jì)算上的心得，在量子相變和多體糾纏方面的一點(diǎn)點(diǎn)新發(fā)現(xiàn)，在二維量子摩爾材料計(jì)算方面的一點(diǎn)點(diǎn)新學(xué)習(xí)，對(duì)于書生們來說，就算是他們的回報(bào)了，就算是他們的“每有會(huì)意，便欣然忘食”。

推廣到我身處的科研大環(huán)境，這些年來，大家都經(jīng)歷了從吶喊到彷徨的變化，眼見著行業(yè)中的同伴們“ 有的高升，有的退隱，有的前進(jìn)，我又經(jīng)歷了一回同一戰(zhàn)陣中的伙伴還是會(huì)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(gè)振臂一呼應(yīng)者云集的英雄�！币蝗玺斞�，在想把量子多體問題搞清楚的時(shí)間里，我更多體會(huì)到的是未嘗經(jīng)驗(yàn)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(rèn)為值得追求的科學(xué)創(chuàng)造。只希望我的寂寞不要打擾這個(gè)看似熱鬧實(shí)則浮躁的環(huán)境，不要傳染給其他青年。但是就在這之中，我卻總發(fā)現(xiàn)心靈無法完全地沉寂，似乎是自己在想要勉力從事創(chuàng)造的過程中，總有幾件事、幾種感動(dòng)、幾次科學(xué)創(chuàng)造中深入心靈的體驗(yàn)在招引著我、催促著我，使我不甘讓自己的內(nèi)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(lì)和或多或少的溫暖。承蒙科普平臺(tái)的編輯朋友們和行業(yè)內(nèi)諸多友人的勉勵(lì)，我?guī)啄陙黻戧懤m(xù)續(xù)地寫下讀者眼前的這些文字�，F(xiàn)在竟然有機(jī)會(huì)結(jié)集出版，確是在我的意料之外。

寫作之于筆者，其實(shí)已經(jīng)變成了一種救贖，讓我在變化的時(shí)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(fēng)格到體例一以貫之，我嘗試著用一種更加個(gè)人化的方式，解釋和記錄自己、學(xué)生、朋友們?cè)诹孔佣囿w研究中的心得和體會(huì)，嘗試講述量子多體研究中一些個(gè)人化的、十分具體的量子多體物理問題的研究進(jìn)展，講述點(diǎn)滴想法怎么一步步落實(shí)；涵蓋的內(nèi)容也十分雜亂，充滿了個(gè)人的印記，從去禁閉量子臨界現(xiàn)象，到非費(fèi)米液體的模型設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析方法、量子磁性材料計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解讀，再到關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)量子糾纏算法的新進(jìn)展，還有量子摩爾材料模型設(shè)計(jì)和計(jì)算、拓?fù)湫蚺R界現(xiàn)象、受限量子多體與量子模擬系統(tǒng)結(jié)合的新發(fā)展等。因水平有限，我只會(huì)講自己身邊的故事，那些隨喜的、錦上添花類的灌水評(píng)述，實(shí)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(xué)到如何發(fā)現(xiàn)研究熱點(diǎn)、躋身青年才俊的成功案例，恐怕將會(huì)失望。本書中呈現(xiàn)的只是一些從個(gè)人心中冒出來的、自認(rèn)為好的故事。在編輯整理本書的過程中，我受到很多同行、學(xué)生和朋友們的鼓勵(lì)和幫助，無法一一致謝。值得特別提到的是中國物理學(xué)會(huì)《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(xué)物理系的研究生冉曉雪，她們?yōu)槲疫@些不成系統(tǒng)的文字，操心費(fèi)力，進(jìn)行了很多細(xì)心的整理工作。當(dāng)然，文中不可避免的錯(cuò)誤，責(zé)任都在筆者。

“知我者，謂我心憂；不知我者，謂我何求�！彪S著過往一起沉寂下去的，是個(gè)人的喜樂和哀愁。而內(nèi)心中希望不會(huì)沉寂的，是我們?cè)趶氖驴茖W(xué)創(chuàng)造的過程中親歷的幾件事、獲得的幾種感動(dòng)、幾次深入心靈的體驗(yàn)，在這里拿出來分享給真誠的人們，希望可以鼓勵(lì)和寬慰如我一樣正在體會(huì)著孤獨(dú)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(xué)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(hào)推出了中國科學(xué)院物理研究所孟子楊研究員《西斯廷教堂中的對(duì)偶變換》一文，作者認(rèn)為“科學(xué)發(fā)現(xiàn)之于科學(xué)家，亦如藝術(shù)品之于藝術(shù)家，都是嘔心的作品與其創(chuàng)造者之間的關(guān)系”，并以米開朗基羅創(chuàng)作西斯廷教堂天頂畫的堅(jiān)守與煎熬為隱喻，將抽象的 “對(duì)偶變換” 與團(tuán)隊(duì)的科研歷程相結(jié)合，還原了從 “看似無關(guān)的研究方向” 到 “發(fā)現(xiàn)對(duì)偶關(guān)聯(lián)”，再到 “大規(guī)模量子蒙特卡羅計(jì)算攻堅(jiān)”——那些跨地域協(xié)作的奔波、數(shù)值計(jì)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(jié)與突破的心路歷程。這種兼具專業(yè)性與溫度的表達(dá)，深深打動(dòng)了我。

之后，孟老師又陸續(xù)推出了《海森堡模型的譜，到底有多靠譜》《寂靜春天里的動(dòng)力學(xué)》《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(tǒng)學(xué)術(shù)表達(dá)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(dòng)人過程，字里行間充滿對(duì)科學(xué)的赤誠、對(duì)困境的坦然與對(duì)理想的堅(jiān)守。

作為在研究所工作、為物理學(xué)界服務(wù)的科學(xué)編輯，仔細(xì)品讀這些文章后，我萌生了邀請(qǐng)孟老師為《物理》雜志撰寫專欄的想法。幾經(jīng)溝通邀約，孟老師終是應(yīng)允，愿將自己從事科學(xué)研究過程中親歷的幾件事、幾份感動(dòng)、以及深入心靈的體驗(yàn)，真誠地與《物理》讀者分享——既想為同行展現(xiàn)科研的本真模樣，也希望鼓勵(lì)和寬慰那些正在科研中體會(huì)著孤獨(dú)且依然執(zhí)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(shí)而為科研突破的欣喜而振奮，時(shí)而為探索路上的迷茫而共情，時(shí)而為現(xiàn)實(shí)俗務(wù)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(jìn)一步補(bǔ)充完善后結(jié)集成書。希望更多讀者能有機(jī)會(huì)讀到這本心力之作，從中感受到科學(xué)工作者在前沿探索里的嚴(yán)謹(jǐn)與執(zhí)著，讀懂他們?cè)谛拍顖?jiān)守中的心路歷程，或許能為自己的求學(xué)及科研之路，帶來一份珍貴的啟發(fā)與深刻的共鳴。

《物理》編輯部 王海霞

本書章節(jié)目錄

第1章 被解救的諾特：

對(duì)稱性在量子物質(zhì)科學(xué)中的應(yīng)用

第2章 白馬非馬，非費(fèi)米液體——非——費(fèi)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(xué)習(xí)蒙特卡羅：

人工智能在量子多體計(jì)算中的應(yīng)用

第5章 南方的動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)：

現(xiàn)代量子多體材料計(jì)算

第6章 蒙蒙卡和張量量：

量子多體計(jì)算中的蒙特卡羅和張量網(wǎng)絡(luò)

第7章 我們的壯游：

淺談科學(xué)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(tǒng)中的定量計(jì)算和衡量（之一）

第9章 關(guān)于糾纏的十四行詩：

量子糾纏在物理系統(tǒng)中的定量計(jì)算和衡量（之二）

第10章 轉(zhuǎn)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(xiàn)代相變和臨界現(xiàn)象的進(jìn)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(fēng)格的養(yǎng)成

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期刊介紹

01

《物理》是由中國科學(xué)院物理研究所和中國物理學(xué)會(huì)主辦的權(quán)威物理類中文科普期刊，注重學(xué)科性與科普性相結(jié)合，秉承“輕松閱讀，享受物理”的辦刊理念，集學(xué)科大家之力，追蹤物理學(xué)成果，服務(wù)物理學(xué)領(lǐng)域，促進(jìn)學(xué)科交叉，讓科學(xué)變得通俗易懂。已成為我國眾多物理專業(yè)的大學(xué)生、研究生、物理學(xué)家案頭常讀的刊物之一。

作者：眾多活躍在科研、教學(xué)一線的院士、專家。

讀者：物理學(xué)及其相關(guān)學(xué)科(如化學(xué)、材料學(xué)、生命科學(xué)、信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)等)的研究人員、教師、技術(shù)開發(fā)人員、科研管理人員、研究生和大學(xué)生，以及關(guān)注物理學(xué)發(fā)展的讀者。

欄目：特約專稿、評(píng)述、熱點(diǎn)專題、前沿進(jìn)展、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、研究快訊、物理攫英、物理學(xué)史和物理學(xué)家、物理學(xué)漫談、物理教育、人物、科學(xué)基金、物理新聞和動(dòng)態(tài)、書評(píng)和書訊等。

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