一个可计算宇宙模型：热力学规则驱动量子化弹性两层底空间演化的可编程物理模拟自动机设计-从量子过程到数值相对论模拟

摘要：

本模型提出了一种基于稳定图结构的物理模拟器的初步框架。

（1）通过固定图的拓扑结构，系统复杂性得以简化，同时保证了全局能量守恒，而传统广义相对论和量子场论都无法自洽构造全局能量守恒。

（2）引入一种新颖的可计算熵，为每一次状态更新赋予一个熵值，作为“时间-熵”坐标，从而将热力学的时间之箭内置于模型之中。

（3）广义相对论中晶格节点之间的张量变化，可由量子节点上的空间基本量子的谐振频率表示，极大简化了弯曲时空的数值模拟，也就是说将黎曼几何映射到量子频率谱上。

（4）由于图结构的稳定性，每个量子节点具有固定的空間坐标，仅保留两个自由度：共振频率和振荡轴的方向。量子自旋动力学可通过此类谐振行为有效描述，从而显著简化用于模拟量子场演化的哈密顿形式。

（5）该模型的双层基础结构，使得来自广义相对论的度规自由度与来自量子场论的自旋-轴-振荡自由度能够共存，解决了传统理论中基空间与纤维丛结构不兼容的问题。

（6）物质被定义为保持空间自身拓扑结构不变的激发波，这一假设为未来的扩展留下了空间。

（7）支配该模型的更新规则简洁且视觉直观，主要由热力学原理驱动，体现能量分布均质化与熵增过程。

（8）该模型与大量已知物理现象一致，行为上与真实世界相符，能够自然解释时间膨胀、引力红移、质量起源、黑洞无奇点，光速不可叠加，宇称不守恒等现象。

（9）通过引入“度规-量子频率映射”原理，即量子场论中的频率与广义相对论中的度规张量之间存在对应关系（ω_QFT = f(g_μν)_GR），该模型显著降低了数值相对论的计算复杂性。该映射关系可从宇宙学引力红移观测与QCD层次相互作用中推导得出，从而无需依赖传统的黎曼几何计算即可模拟广义相对论效应——而是将度规张量结构直接映射到量子频率域。核心任务转化为构建“度规-量子频率谱”，提供一种替代性的、基于频率的时空动力学建模框架。这种方法不仅简化了数学形式体系，还为统一量子场论与引力提供了物理上直观且计算上可行的工具，在理论与观测层面均具应用潜力。

（10）模型给出的微观粒子内部分层结构模型，给出了符合中微子振荡过程，中子电偶极矩为何接近0，电子1/2自旋等微观现象的一种自洽的物理直观。

通过嵌入热力学时间之箭，该框架为系统演化提供了内在的、基于熵的坐标系，能够模拟广义相对论与量子场论的诸多方面。若进一步发展并被采纳，该模型或可成为数字物理模拟的一种新型基础引擎，推动“AI for Science”在基础物理领域的应用。

引言：

近年来，科学界和工业界越来越认识到，人工智能不仅仅是一种自动化的工具，更是一种发现新科学的潜在新范式。然而，实现这一潜力所需要的远不止统计学习——它要求一个能够模拟真实物理世界动力学的基础性仿真引擎。这样的引擎不应仅仅是对已知方程进行数值求解，而应作为一个元驱动平台——一个空间、时间、物质与相互作用可以自洽共演的底层基底。本模型构造了可利用人工智能来模拟和探索由极简的局部规则所驱动的自演化系统。

现有物理器的主要问题是没有内嵌热力学规则，使模拟脱离物理现实。宇宙的演化本质上由熵增驱动，而时间之箭并非一个单纯的数学参数，而是系统内部状态变化的内在体现。因此，一个理想的物理模拟器必须将热力学的时间之箭直接嵌入其更新机制之中，使用可计算的、非统计性的热力学量来刻画每一次演化步骤。这个模型实现了为系统演化的每一步都提供熵值，这是传统统计熵无法做到的。

现有的模拟方法——无论是基于连续微分几何还是离散格点场论——在特定领域已取得巨大成功，但在统一广义相对论与量子场论方面仍面临不兼容的问战：GR的时空几何动力学与QFT的量子自由度难以共存；时间在不同理论中扮演着不一致的角色；热力学往往作为次要属性被引入，而非变化的主导驱动力。

该模型通过固定图的拓扑结构来简化复杂性，同时保持全局能量守恒。一种新定义的可计算熵函数为每一步更新赋予一个熵值，形成“时间-熵”坐标系，从而内禀地体现不可逆性。类似于广义相对论中的张量变化，通过空间网络节点振荡频率对空间梯度进行编码，使得无需显式求解度规即可高效近似曲率效应。每个量子节点仅有两个自由度：共振频率（能量）和振荡轴方向（类自旋），从而允许对量子场演化采用简化的哈密顿描述。双层架构确保了几何变量与量子变量的共存。物质被建模为在空间基底上传播的拓扑稳定激发波——这是迈向“物质即运动中的几何”这一理念的第一步。整个系统按照简单、局域定义且由热力学原理驱动的规则演化，并具有清晰的视觉可解释性。该框架的目标并非高精度拟合特定现象，而是成为一种基础性的模拟引擎——来模拟简单规则生成复杂性的过程。若进一步发展，它有望为数字物理、人工智能驱动的科学发现以及自然界的统一建模提供全新的计算基础。

模型论文：https://doi.org/10.20944/preprints202505.0270.v10