《量子多体中的呐喊与彷徨》
作者：卡洛
中国工信出版集团
人民邮电出版社
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推荐语
作为一本科普图书，本书为广大读者揭开了强关联量子物理研究的神秘面纱，缩小了物理学前沿研究与大众认知之间的鸿沟，不仅成功地将高深的量子理论转化为公众可理解的知识，也激发了人们对探索量子世界奥秘的兴趣和好奇心。在强关联量子物理这个相对艰深的领域中，能够以相对浅显易懂的语言解释复杂科学概念的图书屈指可数，在此背景下，本书显得尤为珍贵。希望本书的出版能激励更多人加入科学研究和科学文化传播事业中来。
—— 中国科学院院士 向涛
作者简介
卡洛
本名孟子杨，凝聚态物理学研究人员，香港大学物理系教授。研究工作侧重量子多体系统中的模型设计和计算方法发展，以及通过如是计算解释量子多体材料中涌现的新现象。在科研工作的间隙，撰写了一些介绍量子物质科学研究的专栏文章并备受好评。希望将科学研究和文学艺术等创造性活动的共同点，用更加平实易懂的语言表达出来，也希望可以让大众看到一线科研人员对于人文和艺术也有自己的追求。
内容介绍
本书介绍了凝聚态物理学量子多体问题研究中的新现象和新结果，结合解析理论与数值计算的进展，阐述了现代量子物质科学研究的发展现状。本书涵盖的科学内容包括去禁闭量子临界现象、非费米液体的模型设计与数据分析方法、量子磁性材料计算与实验数据解读、关联电子系统量子纠缠算法的新进展，以及量子摩尔材料模型设计和计算、拓扑序临界现象、凝聚态物理计算、高能物理与受限量子多体系统结合的新发展等。本书通过10余篇深入浅出的科普美文，向读者展现了量子多体物理学研究从兴趣、想法逐步落实到理论、计算和实验发现的过程。本书适合对科学与人文创造性活动、凝聚态物理学史和量子物质科学前沿进展感兴趣的读者阅读。
序言
量子理论是人类迄今为止建立的最基础的科学理论之一，是划时代的科学突破，不仅实现了物理和化学的统一，也奠定了现代及未来信息技术发展的科学基础。从普朗克于1900年提出量子概念开始到现在，量子理论的发展大致可以分为以下三个阶段。第一阶段从20 世纪初到20 世纪30 年代，是量子理论的基本原理及概念体系的建立阶段。这个阶段的成果奠定了量子力学的理论基石，也构成了大学量子力学课程的核心内容。第二阶段始于20世纪30年代，是微扰量子场论的建立和发展的阶段。此阶段通过重整化群理论及规范量子场论的建立，在20世纪五六十年代达到其顶峰，象征着量子物理学一个新纪元的诞生，其精华已成为现代量子场论的核心内容，也奠定了描述相变与临界现象的理论基础。第三阶段致力于非微扰量子场论的构建，是量子理论发展过程中尚未攻克的难关。从20世纪50年代开始的对粒子物理强相互作用的研究，可认为是这个阶段的开端，但直到20世纪80年代铜氧化物高温超导体等强关联量子系统的发现，人们才更加明确地意识到解决这些问题的紧迫性。强关联量子系统属于非微扰范畴，目前人们还没有找到一种普遍适用的解析方法或半解析方法来研究它们。因此，发展数值计算方法解决和揭示强关联多粒子系统的量子规律，已成为量子理论研究的关键方向。
孟子杨的这本文集，就是在这种科学背景下诞生的。
孟子杨是我在中国科学院物理研究所的前同事，是一个对探索科学未知领域充满无限激情的年轻人。这本文集，通过平实的语言，记录了他在攀登强关联物理高峰过程中的艰辛历程和人生感悟，没有追逐高影响因子的浮躁，也没有追求时髦课题的喧嚣，读者通过阅读本文集能深刻体会到一位勇攀科学高峰者面对重重挑战时的平静和坚毅，以及在经历无数失败后终获成功的喜悦。他的文字生动展现了科研从无到有的创造过程，体现了科研工作者在追求真理的道路上所面临的种种心理和情感挑战，同时也表达了对于建立一个自由、开放、鼓励创造的科研环境的深切期望。
孟子杨的文集，通过科普阅读的形式，为广大读者揭开了强关联量子物理研究的神秘面纱，缩小了物理学前沿研究与大众认知之间的鸿沟，不仅成功地将高深的量子理论转化为公众可理解的知识，也能激发人们对探索量子世界奥秘的兴趣和好奇心。在强关联量子物理这个相对艰深的领域中，能够以相对浅显易懂的语言解释复杂科学概念的图书屈指可数，孟子杨的努力在此背景下显得尤为珍贵。希望有更多的人能够加入科学文化传播事业中来。
中国科学院院士 向涛
磁性晶体TMGO中的电子自旋排布与磁振子-涡旋对激发
前言
“我在年青时候也曾经做过许多梦，后来大半忘却了，但自己也并不以为可惜。”
当我写下这些熟悉的文字时，大抵也就是鲁迅写下上述文字的年纪，他的梦尚且大半忘却，我的梦岂不更是如此。100年前的大先生身处动荡的大时代，如今的我们同样身处一个风云变幻的时代，在种种变化之中，希望和失望都是倏忽之间的事。种种新潮、种种时代的悲喜剧，种种在社会和行业的梯子上挣扎着向上攀爬的剧情，每天都在上演，热热闹闹此起彼伏，而我们的生命也就在这样的热闹中无声无息地流走了。
在鲁迅的时代，“德先生”与“赛先生”的到来将一股新潮思想引入人民大众之中。在笔者从事的量子物理学研究领域中，“赛先生”所要引发的革命——真诚的人们正在盼望的科学革命，也是弄潮儿们正在努力宣扬的革命——总说将要发生、正在发生或者已经发生了，但是笔者总是茫然。我们不是还没有可以普遍性地解决量子多体问题的理论与计算框架吗？我们不是还没有理解什么是铜氧化物高温超导现象，没有理解为什么二维量子材料中的超导和分数量子反常霍尔效应会发生吗？甚至我们还不明白强关联材料中金属到绝缘体的莫特转变是如何进行的，费米面上的准粒子是如何消失的，朗道费米液体理论是如何失效的等基础理论问题。遑论眼下正在被广泛讨论的量子多体纠缠、量子多体模拟、量子多体计算、量子多体线路等将要发生、正在发生或者已经发生的“重磅”突破。我们真的明白我们在讨论的内容吗？
事情的脉络原本是清楚的，一如向涛院士在序言中所写，从普朗克于1900年提出量子概念开始到现在，量子理论大致可分为三个阶段，第一阶段从20 世纪初到20 世纪30 年代，建立了量子理论的基本原理及概念体系。第二阶段始于20 世纪30 年代，建立了重整化群理论及规范量子场论，及至20 世纪五六十年代现代量子场论、相变与临界现象的理论等基础趋于完备。而当下我辈还处在量子理论发展的第三个阶段，正在致力于非微扰量子场论的构建，这是量子理论发展中尚未攻克的难关。在我从事的凝聚态物理学研究领域中，自20世纪80年代铜氧化物高温超导体等强关联量子系统的发现，人们更加明确地意识到，量子多体问题属于非微扰范畴。目前还没有一种普遍适用的解析或半解析方法，取而代之的是，人们开始着力发展量子多体数值计算方法，辅之以量子场论等解析工具，解决和揭示强关联量子多体系统的量子规律，这既是量子理论研究的关键方向，同时也说明我们还处在摸着石头过河的状态中。
具体到我自己，作为一个从事量子物理学研究的科研人员，稍稍回想一下，入行这些年发表了一些所谓的一区论文，培养了一些学生，给多个科普平台写了一些“游戏”文字。做这些事只是因为喜欢，只是想搞清楚量子多体问题中的一些难点，并分享给感兴趣的朋友。至于是不是“前瞻性、原创性、引领性”的成果，是否做到了“提出新理论、发展新方法、开辟新领域，推动我国基础研究在前沿领域取得突破”，我个人认为其实已不重要。量子多体问题神秘无穷，书生们以肉身进入现场，看着花开花落、风日闲静、人家笑语，追求的不过是那值得寄托的人生贞信、跌宕自喜的深稳；追求的不过是日月山川变异中的那一股朝气。在非费米液体研究中的摸索和体会，在量子多体模型构建和计算上的心得，在量子相变和多体纠缠方面的一点点新发现，在二维量子摩尔材料计算方面的一点点新学习，对于书生们来说，就算是他们的回报了，就算是他们的“每有会意，便欣然忘食”。
推广到我身处的科研大环境，这些年来，大家都经历了从呐喊到彷徨的变化，眼见着行业中的同伴们“ 有的高升，有的退隐，有的前进，我又经历了一回同一战阵中的伙伴还是会这么变化”，开始感到寂寞，变成了沙漠中荷戈的孤卒。也就是在这样寂寞的心情中，却又更加清楚地看到“我决不是一个振臂一呼应者云集的英雄。”一如鲁迅，在想把量子多体问题搞清楚的时间里，我更多体会到的是未尝经验的悲哀。为了消解心中的寂寞，我也开始尝试着寻找安放自己灵魂的办法，或回望过去，或走向异国，或集中精力从事自己认为值得追求的科学创造。只希望我的寂寞不要打扰这个看似热闹实则浮躁的环境，不要传染给其他青年。但是就在这之中，我却总发现心灵无法完全地沉寂，似乎是自己在想要勉力从事创造的过程中，总有几件事、几种感动、几次科学创造中深入心灵的体验在招引着我、催促着我，使我不甘让自己的内心沉寂，使我觉得有必要把它们讲出来，讲给真诚的人们，给他们以鼓励和或多或少的温暖。承蒙科普平台的编辑朋友们和行业内诸多友人的勉励，我几年来陆陆续续地写下读者眼前的这些文字。现在竟然有机会结集出版，确是在我的意料之外。
写作之于笔者，其实已经变成了一种救赎，让我在变化的时代中找到属于自己的一片土地，可以心安理得平静思考的土地。本书收录的十几篇文章，从风格到体例一以贯之，我尝试着用一种更加个人化的方式，解释和记录自己、学生、朋友们在量子多体研究中的心得和体会，尝试讲述量子多体研究中一些个人化的、十分具体的量子多体物理问题的研究进展，讲述点滴想法怎么一步步落实；涵盖的内容也十分杂乱，充满了个人的印记，从去禁闭量子临界现象，到非费米液体的模型设计与数据分析方法、量子磁性材料计算与实验数据解读，再到关联电子系统量子纠缠算法的新进展，还有量子摩尔材料模型设计和计算、拓扑序临界现象、受限量子多体与量子模拟系统结合的新发展等。因水平有限，我只会讲自己身边的故事，那些随喜的、锦上添花类的灌水评述，实在不适合笔者。由是观之，如果读者诸君希望从这些文字中学到如何发现研究热点、跻身青年才俊的成功案例，恐怕将会失望。本书中呈现的只是一些从个人心中冒出来的、自认为好的故事。在编辑整理本书的过程中，我受到很多同行、学生和朋友们的鼓励和帮助，无法一一致谢。值得特别提到的是中国物理学会《物理》杂志的编辑王海霞、返朴的编辑潘颖、人民邮电出版社的编辑胡玉婷和王芳，还有香港大学物理系的研究生冉晓雪，她们为我这些不成系统的文字，操心费力，进行了很多细心的整理工作。当然，文中不可避免的错误，责任都在笔者。
“知我者，谓我心忧；不知我者，谓我何求。”随着过往一起沉寂下去的，是个人的喜乐和哀愁。而内心中希望不会沉寂的，是我们在从事科学创造的过程中亲历的几件事、获得的几种感动、几次深入心灵的体验，在这里拿出来分享给真诚的人们，希望可以鼓励和宽慰如我一样正在体会着孤独的灵魂。出于向前贤致意的心思，姑且名之曰：量子多体中的呐喊与彷徨。
香港大学物理系教授
孟子杨（卡洛）
编辑语
2017 年 6 月“中科院物理所” 微信公众号推出了中国科学院物理研究所孟子杨研究员《西斯廷教堂中的对偶变换》一文，作者认为“科学发现之于科学家，亦如艺术品之于艺术家，都是呕心的作品与其创造者之间的关系”，并以米开朗基罗创作西斯廷教堂天顶画的坚守与煎熬为隐喻，将抽象的 “对偶变换” 与团队的科研历程相结合，还原了从 “看似无关的研究方向” 到 “发现对偶关联”，再到 “大规模量子蒙特卡罗计算攻坚”——那些跨地域协作的奔波、数值计算的瓶颈、突破后的豁然，从中得以窥见科研人充满探索、纠结与突破的心路历程。这种兼具专业性与温度的表达，深深打动了我。
之后，孟老师又陆续推出了《海森堡模型的谱，到底有多靠谱》《寂静春天里的动力学》《我们的壮游》等颇受欢迎的微文。这些文字无一例外，都跳出了传统学术表达的框架，以新颖视角讲述科研人员追求真理、追寻真善美的动人过程，字里行间充满对科学的赤诚、对困境的坦然与对理想的坚守。
作为在研究所工作、为物理学界服务的科学编辑，仔细品读这些文章后，我萌生了邀请孟老师为《物理》杂志撰写专栏的想法。几经沟通邀约，孟老师终是应允，愿将自己从事科学研究过程中亲历的几件事、几份感动、以及深入心灵的体验，真诚地与《物理》读者分享——既想为同行展现科研的本真模样，也希望鼓励和宽慰那些正在科研中体会着孤独且依然执着前行的人们，并将专栏命名为 “量子多体中的呐喊与彷徨”。
在专栏出版的过程中，我作为第一读者，跟随作者的笔触，时而为科研突破的欣喜而振奋，时而为探索路上的迷茫而共情，时而为现实俗务的牵绊而怅然，却始终意犹未尽。
今天，我很高兴地看到这些文章在作者进一步补充完善后结集成书。希望更多读者能有机会读到这本心力之作，从中感受到科学工作者在前沿探索里的严谨与执着，读懂他们在信念坚守中的心路历程，或许能为自己的求学及科研之路，带来一份珍贵的启发与深刻的共鸣。
《物理》编辑部 王海霞
本书章节目录
第1章 被解救的诺特：
对称性在量子物质科学中的应用
第2章 白马非马，非费米液体——非——费米液体:
如何理解量子多体金属（之一）
第3章 一生能有多少爱：
如何理解量子多体金属（之二）
第4章 从德尔斐箴言到自学习蒙特卡罗：
人工智能在量子多体计算中的应用
第5章 南方的动力学平均场：
现代量子多体材料计算
第6章 蒙蒙卡和张量量：
量子多体计算中的蒙特卡罗和张量网络
第7章 我们的壮游：
浅谈科学交流和教育方式
第8章 我爱纠缠如秋裤：
量子纠缠在物理系统中的定量计算和衡量（之一）
第9章 关于纠缠的十四行诗：
量子纠缠在物理系统中的定量计算和衡量（之二）
第10章 转角石墨烯的三昧：
二维量子材料的热潮
第11章 无愁河上的浪荡汉子们：
现代相变和临界现象的进展
第12章 情愿不自由，便是自由了：
趣谈受限量子多体模型研究
后记 漫长的告别——论风格的养成
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《物理》是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办的权威物理类中文科普期刊，注重学科性与科普性相结合，秉承“轻松阅读，享受物理”的办刊理念，集学科大家之力，追踪物理学成果，服务物理学领域，促进学科交叉，让科学变得通俗易懂。已成为我国众多物理专业的大学生、研究生、物理学家案头常读的刊物之一。
作者：众多活跃在科研、教学一线的院士、专家。
读者：物理学及其相关学科(如化学、材料学、生命科学、信息技术、医学等)的研究人员、教师、技术开发人员、科研管理人员、研究生和大学生，以及关注物理学发展的读者。
栏目：特约专稿、评述、热点专题、前沿进展、实验技术、研究快讯、物理攫英、物理学史和物理学家、物理学漫谈、物理教育、人物、科学基金、物理新闻和动态、书评和书讯等。
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