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C8-3 场量子化形式化规范

系统描述

本规范建立场量子化的完整数学形式化,基于C8-3推论中从ψ=ψ(ψ)推导的量子场论,实现自指系统场量子化的机器可验证表示。

核心类定义

主系统类

class FieldQuantizationSystem:
"""
场量子化系统主类
实现C8-3推论中的所有量子场论原理
"""

def __init__(self, dimension: int = 4, cutoff: int = 100):
"""
初始化场量子化系统

Args:
dimension: 时空维度
cutoff: 模式截断
"""
self.dimension = dimension
self.cutoff = cutoff
self.phi = (1 + math.sqrt(5)) / 2 # 黄金比例
self.hbar = 1.0 # 约化普朗克常数
self.c = math.log(self.phi) # 光速(τ₀=1)
self.modes = self._generate_no11_modes()

def _generate_no11_modes(self) -> List[str]:
"""
生成满足no-11约束的模式

Returns:
List[str]: no-11模式列表
"""

def field_operator(self, x: np.ndarray) -> 'FieldOperator':
"""
构造场算符

Args:
x: 时空坐标

Returns:
FieldOperator: 场算符ψ(x)
"""

def verify_self_reference(self, psi: 'FieldOperator') -> bool:
"""
验证自指条件 ψ = ψ(ψ)

Args:
psi: 场算符

Returns:
bool: 是否满足自指
"""

def vacuum_state(self) -> 'QuantumState':
"""
构造真空态

Returns:
QuantumState: |0⟩
"""

场算符类

class FieldOperator:
"""
量子场算符类
"""

def __init__(self, modes: List[str], coefficients: Dict[str, complex]):
"""
初始化场算符

Args:
modes: no-11模式
coefficients: 展开系数
"""
self.modes = modes
self.coefficients = coefficients

def commutator(self, other: 'FieldOperator', x: np.ndarray, y: np.ndarray) -> complex:
"""
计算对易子 [ψ(x), ψ†(y)]

Args:
other: 另一个场算符
x, y: 时空点

Returns:
complex: 对易子值
"""

def apply_to_state(self, state: 'QuantumState') -> 'QuantumState':
"""
将算符作用于量子态

Args:
state: 输入态

Returns:
QuantumState: 输出态
"""

产生湮灭算符类

class CreationAnnihilationOperators:
"""
产生湮灭算符类
"""

def __init__(self, modes: List[str]):
"""
初始化算符

Args:
modes: no-11模式
"""
self.modes = modes
self.operators = self._initialize_operators()

def creation(self, mode: str) -> 'Operator':
"""
产生算符 a†_n

Args:
mode: 模式标签

Returns:
Operator: 产生算符
"""

def annihilation(self, mode: str) -> 'Operator':
"""
湮灭算符 a_n

Args:
mode: 模式标签

Returns:
Operator: 湮灭算符
"""

def verify_canonical_commutation(self) -> bool:
"""
验证正则对易关系 [a_m, a†_n] = δ_mn

Returns:
bool: 是否满足
"""

量子态类

class QuantumState:
"""
量子态类(Fock空间)
"""

def __init__(self, occupation_numbers: Dict[str, int]):
"""
初始化量子态

Args:
occupation_numbers: 各模式占据数
"""
self.occupation = occupation_numbers
self._verify_no11_constraint()

def _verify_no11_constraint(self) -> bool:
"""
验证占据数满足no-11约束

Returns:
bool: 是否满足
"""

def entropy(self) -> float:
"""
计算态的熵

Returns:
float: 冯诺依曼熵
"""

def energy(self, hamiltonian: 'Hamiltonian') -> float:
"""
计算态的能量

Args:
hamiltonian: 哈密顿量

Returns:
float: 能量期望值
"""

相互作用类

class InteractionVertex:
"""
相互作用顶点类
"""

def __init__(self, coupling: float = None):
"""
初始化相互作用

Args:
coupling: 耦合常数(默认ln(φ))
"""
self.g = coupling if coupling else math.log((1 + math.sqrt(5))/2)

def three_point_vertex(self) -> float:
"""
三点顶点

Returns:
float: g
"""

def four_point_vertex(self) -> float:
"""
四点顶点

Returns:
float: g²
"""

def scattering_amplitude(self, momenta: List[np.ndarray]) -> complex:
"""
计算散射振幅

Args:
momenta: 动量列表

Returns:
complex: 振幅
"""

核心算法实现

模式生成算法

def generate_no11_modes(max_length: int) -> List[str]:
"""
生成满足no-11约束的所有模式

Args:
max_length: 最大长度

Returns:
List[str]: 模式列表
"""

def mode_to_momentum(mode: str, box_size: float) -> np.ndarray:
"""
将no-11模式映射到动量

Args:
mode: 模式串
box_size: 盒子尺寸

Returns:
np.ndarray: 动量矢量
"""

场算符构造

def construct_field_operator(x: np.ndarray, modes: List[str], 
operators: CreationAnnihilationOperators) -> FieldOperator:
"""
构造点x处的场算符

实现: ψ(x) = Σ_n a_n φ_n(x) + a†_n φ*_n(x)

Args:
x: 时空坐标
modes: 模式列表
operators: 产生湮灭算符

Returns:
FieldOperator: 场算符
"""

def verify_field_equation(psi: FieldOperator, interaction: InteractionVertex) -> bool:
"""
验证场方程 □ψ = g ψ²

Args:
psi: 场算符
interaction: 相互作用

Returns:
bool: 是否满足
"""

真空态构造

def construct_vacuum_state(modes: List[str]) -> QuantumState:
"""
构造真空态 |0⟩

满足: a_n|0⟩ = 0 ∀n

Args:
modes: 模式列表

Returns:
QuantumState: 真空态
"""

def verify_vacuum_uniqueness(vacuum: QuantumState,
hamiltonian: 'Hamiltonian') -> bool:
"""
验证真空是基态

Args:
vacuum: 真空态
hamiltonian: 哈密顿量

Returns:
bool: 是否为最低能态
"""

正则量子化

def canonical_quantization(classical_field: callable) -> FieldOperator:
"""
正则量子化程序

Args:
classical_field: 经典场

Returns:
FieldOperator: 量子场
"""

def verify_commutation_relations(psi: FieldOperator, pi: FieldOperator) -> bool:
"""
验证正则对易关系

[ψ(x,t), π(y,t)] = iδ(x-y)

Args:
psi: 场算符
pi: 正则动量

Returns:
bool: 是否满足
"""

验证规范

基础验证

  1. no-11约束: 所有模式和态满足no-11
  2. 自指条件: ψ = ψ(ψ)在算符意义下成立
  3. 正则对易: [a_m, a†_n] = δ_mn
  4. 真空唯一性: |0⟩是唯一基态

物理验证

  1. 因果性: [ψ(x), ψ†(y)] = 0 for spacelike separation
  2. 洛伦兹协变: 场变换满足相对论
  3. 能量正定: H ≥ 0
  4. 幺正性: 时间演化保持概率

自洽性验证

  1. 熵增: 任何过程S_final > S_initial
  2. 场方程: □ψ = g ψ²自洽
  3. 守恒律: 能量、动量、电荷守恒
  4. 重整化: 发散可消除

测试覆盖要求

功能测试覆盖率: ≥95%

  • 模式生成函数
  • 算符代数函数
  • 态构造函数
  • 演化函数
  • 散射计算

理论测试覆盖率: 100%

  • 自指条件
  • 对易关系
  • 真空性质
  • 相互作用
  • 因果性

边界测试覆盖率: 100%

  • 零模式极限
  • 高能极限
  • 强耦合极限
  • 大N极限
  • 经典极限

实现约束

物理约束

  • 保持幺正性
  • 满足因果性
  • 能量守恒
  • 洛伦兹不变

数学约束

  • 算符的埃尔米特性
  • 希尔伯特空间完备
  • 路径积分收敛
  • 重整化群流

计算约束

  • 截断误差可控
  • 数值稳定性
  • 内存使用优化
  • 并行化支持

依赖关系

内部依赖

  • A1: 唯一公理(熵增)
  • T1: 自指增长定理
  • C8-2: 相对论编码(光速)

外部依赖

  • Python标准库
  • NumPy (数组运算)
  • SciPy (特殊函数)
  • SymPy (符号计算,可选)

实现优先级

高优先级 (必须实现)

  1. no-11模式生成
  2. 产生湮灭算符
  3. 真空态构造
  4. 正则对易验证
  5. 自指条件验证

中优先级 (重要实现)

  1. 场方程求解
  2. 散射振幅计算
  3. 真空能计算
  4. 粒子谱分析
  5. 相互作用顶点

低优先级 (可选实现)

  1. 路径积分方法
  2. 重整化群分析
  3. 非微扰效应
  4. 拓扑效应
  5. 可视化工具

注记: 本形式化规范提供了C8-3场量子化推论的完整机器实现框架。所有实现必须严格遵循从ψ=ψ(ψ)推导的量子化原理,保证自指系统的内在一致性。系统必须验证场算符的非对易性是自指的必然结果,no-11约束导致离散模式谱,真空态是熵最小态。实现的正确性通过广泛的测试套件保证,覆盖从基本算符代数到复杂散射过程的所有方面。