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
- no-11约束: 所有模式和态满足no-11
- 自指条件: ψ = ψ(ψ)在算符意义下成立
- 正则对易: [a_m, a†_n] = δ_mn
- 真空唯一性: |0⟩是唯一基态
物理验证
- 因果性: [ψ(x), ψ†(y)] = 0 for spacelike separation
- 洛伦兹协变: 场变换满足相对论
- 能量正定: H ≥ 0
- 幺正性: 时间演化保持概率
自洽性验证
- 熵增: 任何过程S_final > S_initial
- 场方程: □ψ = g ψ²自洽
- 守恒律: 能量、动量、电荷守恒
- 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)
- no-11模式生成
- 产生湮灭算符
- 真空态构造
- 正则对易验证
- 自指条件验证
中优先级 (重要实现)
- 场方程求解
- 散射振幅计算
- 真空能计算
- 粒子谱分析
- 相互作用顶点
低优先级 (可选实现)
- 路径积分方法
- 重整化群分析
- 非微扰效应
- 拓扑效应
- 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。