那么多量子物理學(xué)的“重磅”突破，我們真的明白嗎？

若干年前，香港大學(xué)物理系孟子楊（筆名“卡洛”）教授開始在《物理》雜志創(chuàng)作他的專欄《量子多體中的吶喊與彷徨》，間或?qū)⑵渲形恼聰U(kuò)寫或優(yōu)先發(fā)表在《返樸》上。

世間以量子物理為對象的科普何其多，但卡洛的這組聚焦在強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的科普少見地做到了“以相對淺顯易懂的語言解釋復(fù)雜科學(xué)概念”（向濤院士語），此外更獨(dú)特的是，他的文字飽含了一個以創(chuàng)造性精神為根本追求的人的性情，除了自由探索的歡欣，還有苦悶、憂愁和頹放。由是發(fā)展下去，乃至該專欄后來還衍生了《返樸》的另幾個專欄《科學(xué)遐思》《量子多體中的墳》和《量子多體中的野草》。

量子多體物理學(xué)的研究究竟有何魅力能讓人持續(xù)耕耘？向濤院士在本書序言中作了關(guān)鍵說明。但也如卡洛說，如今人們熱衷談?wù)摰牧孔佣囿w糾纏、量子多體模擬、量子多體計(jì)算、量子多體線路等似乎總能收獲“重磅”突破，但其間的諸多基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)問題正是現(xiàn)有知識的邊界，正是需要具有自由探索精神的靈魂全身心投入的場域，如此多的“重磅”讓人不禁要問，我們真的明白我們到底在談?wù)撌裁磫幔?/strong>

在科研人追求發(fā)表、資源、經(jīng)費(fèi)、“帽子”和功名的今天，看似熱鬧實(shí)則浮躁的氛圍銹蝕著象牙塔。發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造是最個體的、最純粹的、最自由的精神活動。如果你也極度珍視自身生命價(jià)值，想必也會對作者講談科學(xué)之時迸發(fā)的那種堅(jiān)硬的抵抗有共鳴和欣賞。

此書適合對科學(xué)與人文創(chuàng)造性活動、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。

《量子多體中的吶喊與彷徨》（人民郵電出版社，2026年1月）

在返樸公眾號評論區(qū)說出你在創(chuàng)造性活動中的感受和故事，我們將從評論區(qū)選出五人送出本書。亦歡迎投稿，來稿一經(jīng)選用將付稿酬。

序言

中國科學(xué)院院士 向濤

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)一個新紀(jì)元的誕生，其精華已成為現(xiàn)代量子場論的核心內(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年代開始的對粒子物理強(qiáng)相互作用的研究，可認(rèn)為是這個階段的開端，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，是一個對探索科學(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(xué)高峰者面對重重挑戰(zhàn)時的平靜和堅(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)，同時也表達(dá)了對于建立一個自由、開放、鼓勵創(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，也能激發(fā)人們對探索量子世界奧秘的興趣和好奇心。在強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子物理這個相對艱深的領(lǐng)域中，能夠以相對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。

神奇的量子多體材料

前言

香港大學(xué)物理系教授

孟子楊（卡洛）

“我在年青時候也曾經(jīng)做過許多夢，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，大抵也就是魯迅寫下上述文字的年紀(jì)，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(fēng)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(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。

在魯迅的時代，市面上進(jìn)行的是思想文化上的革命，所謂“德先生”與“賽先生”。而這樣二位先生我們請了一百年，似乎也還沒有在我們的文化和心理家園中變成穩(wěn)定的家庭成員，總是在門口游走。在筆者從事的量子物理學(xué)研究領(lǐng)域，賽先生所要引發(fā)的革命——既是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鼓吹的革命——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。我們真的明白我們在討論的內(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)范量子場論，及至20 世紀(jì)五六十年代現(xiàn)代量子場論、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)展的第三個階段，正在致力于非微擾量子場論的構(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，給多個科普平臺寫了一些“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，推動我國基礎(chǔ)研究在前沿領(lǐng)域取得突破”，我個人認(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，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，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(yīng)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(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、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，給他們以鼓勵和或多或少的溫暖。承蒙科普平臺的編輯朋友們和行業(yè)內(nèi)諸多友人的勉勵，我?guī)啄陙黻戧懤m(xù)續(xù)地寫下讀者眼前的這些文字。現(xiàn)在竟然有機(jī)會結(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人化的方式，解釋和記錄自己、學(xué)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(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，我只會講自己身邊的故事，那些隨喜的、錦上添花類的灌水評述，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，恐怕將會失望。本書中呈現(xiàn)的只是一些從個人心中冒出來的、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)生和朋友們的鼓勵和幫助，無法一一致謝。值得特別提到的是中國物理學(xué)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(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，文中不可避免的錯誤，責(zé)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(nèi)心中希望不會沉寂的，是我們在從事科學(xué)創(chuàng)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(yàn)，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(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。

后記

香港大學(xué)物理系教授

孟子楊（卡洛）

這篇是本書中最后一篇文字，靜下心來一看，發(fā)現(xiàn)也是2022年下半年的作品了。這一晃又是三年過去了，成書的過程，竟也如這篇文字一樣，是一個漫長的告別。現(xiàn)在回看三年前的文字，還有本書中其他各篇更早的文字，真有些愧于少做的感覺，這愧的原因，也不過是茶飯一年年地吃多了，年紀(jì)不能沒有長進(jìn)，而思想學(xué)問卻沒有突破，使人難免憂憤頹放之故。

本文原是我為中國物理學(xué)會《物理》雜志所寫的系列文章“量子多體中的吶喊與彷徨”的結(jié)尾，放在本書中作為后記，也正是物盡其用。三年前寫這篇的時候，我就想通過美國偵探小說大師雷蒙德·錢德勒的經(jīng)典作品《漫長的告別》（后來拍成電影，也頗為成功，我們現(xiàn)在熟悉的阿諾哥·施瓦辛格老師就在其中跑龍?zhí)祝纤莸絺商叫≌f的流派傳承，還有錢德勒對于錢鐘書和村上春樹的影響——幫助他們找到自己的風(fēng)格，談?wù)勗谖覀兊沫h(huán)境中從事自然科學(xué)研究，也需要發(fā)展出個人獨(dú)特的風(fēng)格，這個簡單卻常常被忽視的道理。

科學(xué)研究和文學(xué)藝術(shù)在本質(zhì)上是相通的，都是創(chuàng)造性的工作，都要在前人的積累之上找到新的內(nèi)容，再用新的形式和新的表達(dá)，闡述創(chuàng)造者對于自然界和社會的理解和見解，發(fā)出既具有普適意義又具有個人特點(diǎn)的聲音，這樣的聲音就是風(fēng)格。只有風(fēng)格才能傳承下去，被后人接受、消化，再發(fā)展出新的風(fēng)格。簡單的重復(fù)，是不會有長久的生命力的。正是因?yàn)檫@樣，科學(xué)研究是一項(xiàng)困難的事業(yè)，創(chuàng)造性的科研工作不僅要求參與者投入自己的全部性情來進(jìn)行，而且——也許是更重要的——需要參與者通過投入而培養(yǎng)出自我科研風(fēng)格和對身處的科學(xué)共同體的洞察力。正是這樣的風(fēng)格，讓一代代對于真理感興趣的人們在重鎖的濃霧里找到追求科學(xué)的那股最純粹的力量，有了這股力量，一代代對于真理感興趣的人們才能開拓新的領(lǐng)域，啟發(fā)和激勵后來的探索者。

有了風(fēng)格的科學(xué)家，就像能寫好文章的寫作者，他愛惜所有的意思：數(shù)據(jù)、定理、實(shí)驗(yàn)、文字、聲音、典故，他不肯草率地使用他們，他隨時隨處加以愛撫，好像是水遇見可飄蕩的水草要使他飄蕩幾下，風(fēng)遇見能叫號的竅穴要使他叫號幾聲，看似不著痕跡卻又用盡了心神，所以是文生情，所以這樣的研究才浸潤著研究者的生命，也因?yàn)檫@樣所以這生情的文章和這有風(fēng)格的研究才是研究者的創(chuàng)造，是生命的延續(xù)。前面的憤懣頹放是因?yàn)槲矣X得自己還做不到如此，因?yàn)檫€做不到，所以接下來的三年，三十年，這樣的有風(fēng)格、能傳承的研究，都是我要勉力追求下去的目標(biāo)。我想，一代代對于真理感興趣的人們，在思想學(xué)問和科研生涯中的追求，就在于此。

本書章節(jié)目錄

第1章 被解救的諾特：

對稱性在量子物質(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 南方的動力學(xué)平均場：

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

作者簡介

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，希望將科學(xué)研究和文學(xué)藝術(shù)等創(chuàng)造性活動的共同點(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于人文和藝術(shù)也有自己的追求，對于當(dāng)下科研環(huán)境，對于人生道路的選擇也有自己的看法。這些表達(dá)，雖略顯稚嫩和笨拙，其人卻樂此不疲，那原因也不過是為了追溯著一百年前西方量子物理學(xué)先賢和東方五四新文化運(yùn)動先賢們的足跡，推動著我們對于自然的認(rèn)知和對于文化社會環(huán)境的完善，永遠(yuǎn)不會到達(dá)卻也永遠(yuǎn)不會停步的追求。

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