Quantum Field Simulation — Документация

Что это такое

Симуляция квантового поля на решётке 100×100 (10,000 узлов) с торической топологией.
Написана на Java с визуализацией через Swing.

Каждый узел — это значение поля φ(x, y, t). Нет объектов, нет частиц как таковых.
Частица — это устойчивое возбуждение поля, которое возникает само из правил.

Структура проекта

src/main/java/ru/mcs/q/
├── Main.java                        # старый запуск (тетраэдры, 5 узлов)
├── TriangularBipyramidDemo.java     # 3D визуализация тетраэдров
├── VisualizationMain.java           # 3D поле с вращением
│
├── field/
│   ├── FaceColor.java               # цвета граней: RED, BLUE, GREEN, TRANSPARENT
│   ├── FaceState.java               # состояния грани: NEUTRAL, ATTRACTED, VIBRATING
│   ├── QuantumFieldMesh.java        # 2D сетка тетраэдров (оригинал)
│   ├── QuantumFieldMesh3D.java      # 3D сетка тетраэдров
│   ├── QuantumFieldVisualization.java # 3D рендер
│   ├── Tetrahedron3D.java           # узел с позицией, ориентацией, энергией
│   ├── Vector3D.java                # математика векторов
│   ├── Quaternion.java              # вращения
│   └── ProjectionUtils.java        # проекции: изо / перспектива / орто
│
└── grid/
    ├── GridField.java               # ← ЯДРО симуляции
    ├── GridVisualization.java       # ← визуализация тепловой картой
    └── GridMain.java                # ← точка запуска

Как запустить

# Через Gradle
./gradlew :GridMain.main

# Или через IntelliJ IDEA — запустить GridMain.main()

GridField.java — ядро

Константы (можно менять)

Физическое уравнение

Каждый тик вычисляется:

velocity[y][x] = velocity[y][x] * DAMPING
               + FLOW_RATE * Laplacian(φ)
               - LAMBDA * (φ² - V²) * φ

φ[y][x] = φ[y][x] + velocity[y][x]

Где Laplacian(φ) = φ_left + φ_right + φ_up + φ_down - 4·φ
Топология торическая: граница слева = граница справа, верх = низ.

Режимы работы

1. Чистое волновое уравнение (LAMBDA = 0):

• Волны расходятся и интерферируют
• Тепловая смерть — равномерное размытие

2. Волна + потенциал φ⁴ (LAMBDA > 0):

• Поле стягивается к вакуумам ±V
• На границах доменов возникают солитоны (частицы)
• Аннигиляция при столкновении противоположных доменов

Ключевые методы

field.excite(x, y, amount)   // добавить/убрать энергию в узел
field.start(tickMs)           // запустить симуляцию (tickMs = 50 → 20 тиков/сек)
field.stop()                  // остановить
field.getDisplay(x, y)        // прочитать текущее значение φ для рендера
field.getTotalEnergy()        // ΣE по всем узлам
field.getMaxEnergy()          // максимальное значение
field.getMinEnergy()          // минимальное значение (отрицательное в волновом режиме)
field.detectParticles()       // List<int[]> координат границ доменов
field.getTick()               // номер текущего тика

GridVisualization.java — визуализация

Управление

Цветовая шкала (двухполярная)

Синий  → Голубой → Чёрный → Жёлтый → Белый
 −max                 0                +max

Чёрные зоны = нулевая амплитуда (узловые линии).
Синие = отрицательная фаза (destructive interference).
Белые = максимум положительной амплитуды.

Инфо-панель (внизу)

Tick: 347 | Nodes: 10,000 | ΣE: 2 634 285.7 | min: -4259.4  max: 4322.5
Частицы (границы доменов): 222 | Topology: TORUS | φ⁴ potential  V=300

Счётчик "Частицы" — число узлов на границе доменов ±V.
Если значение чётное — работает закон сохранения топологического заряда.

Сценарии запуска (GridMain.java)

Один источник (по умолчанию)

field.excite(50, 50, 600.0);

Наблюдаем: волна → фазовый переход → хаос доменов → "тепловая смерть"

Два источника — интерференция

field.excite(35, 50, 600.0);
field.excite(65, 50, 600.0);

Наблюдаем: два кольца пересекаются → интерференционный паттерн (как опыт Юнга)

Одна доменная стенка — чистый солитон

for (int y = 0; y < GridField.HEIGHT; y++)
    for (int x = 0; x < GridField.WIDTH; x++)
        field.excite(x, y, x < 50 ? GridField.V : -GridField.V);

Наблюдаем: одна вертикальная стенка — один устойчивый солитон (= частица).
Добавь ЛКМ справа — создай антисолитон. Они столкнутся и аннигилируют.

Физические явления которые уже работают

Следующие шаги (идеи)

• Солитон как частица: запуск с одной доменной стенкой, измерение скорости
• Масса солитона: E = mc² — измерить энергию стенки как функцию V и LAMBDA
• Квантование: добавить случайный шум → наблюдать спонтанное рождение пар
• Заряд: разные цвета для доменов +V→−V и −V→+V (частица vs античастица)
• 3D решётка: расширить до 3D куба (100×100×100 = 1,000,000 узлов на GPU)
• Тетраэдральная решётка: заменить квадратную сетку на тетраэдры (6 соседей)

Зависимости

// build.gradle — только стандартная Java, никаких внешних зависимостей
plugins { id 'java' }
group 'ru.mcs.q'
version '1.0-SNAPSHOT'

Java 17+. Swing встроен в JDK.

Симуляция создана за один день итеративного эксперимента.
Из одного правила (дискретный Лапласиан) возникли: волны, интерференция,
фазовые переходы, рождение и аннигиляция частиц, стрела времени.