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984 | 原子磁力计的低频拐点 | 数据拟合报告

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  "authors": [ "委托:Guanglin Tu", "撰写:GPT-5 Thinking" ],
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I. 摘要


II. 观测现象与统一口径

  1. 可观测与定义
    • 谱拐点:S_B(f) ≈ S_knee·[(f/f_knee)^{p_low}·u(f_knee−f) + (f/f_knee)^{p_high}·u(f−f_knee)] + S_white。
    • 传递函数:|H(f)| 的低频弯折与相位 Φ(f)、群时延 τ_g(f)=−dΦ/df 的峰值。
    • 协变量:温度 T、泵浦功率 P_pump、场梯度 G、失谐与偏振。
  2. 统一拟合口径(轴系 + 路径/测度声明)
    • 可观测轴:f_knee、p_low、p_high、S_knee、S_white、|H|、Φ、τ_g、P(|target−model|>ε)。
    • 介质轴Sea / Thread / Density / Tension / Tension Gradient;自旋/光学/气室通道以 ψ_spin/ψ_opt/ψ_cell 加权。
    • 路径与测度声明:自旋极化与光学能流沿路径 gamma(ell) 迁移,测度 d ell;相干/耗散以 ∫ J·F dℓ 记账,公式均以纯文本书写,单位 SI
  3. 经验现象(跨平台/工况)
    • 近 SERF 带限:f_knee 随温度升高而下降,随 P_pump 和 G 上升
    • 双指数:低频侧近似 1/f,高频侧趋近自旋/光学联合弛豫的 1/f^2。
    • 群时延峰:τ_g(f) 在 f_knee 附近呈峰,峰值与 p_low 成反相关。

III. 能量丝理论建模机制(Sxx / Pxx)

  1. 最小方程组(纯文本)
    • S01:f_knee = f0 · RL(ξ; xi_RL) · [1 + γ_Path·J_Path + k_SC·(ψ_spin+ψ_opt+ψ_cell) + k_STG·G_env + k_TBN·σ_env] · Φ_coh(θ_Coh)
    • S02:S_B(f) = S_white + C1·f^{-1}·(1 + C2·k_TBN) · u(f_knee−f) + C3·(f/f_c)^{-2}·u(f−f_knee)
    • S03:|H(f)| ≈ H0 / √{1 + (f/f_knee)^{2q}};Φ(f) ≈ −q·arctan(f/f_knee)
    • S04:τ_g(f) = −dΦ/df ≈ q·f_knee / (f^2 + f_knee^2)
    • S05:∂f_knee/∂x ≈ α_T·T + α_P·P_pump + α_G·G + α_opt·(Δ, pol)(线性一阶近似)
  2. 机理要点(Pxx)
    • P01 · 路径/海耦合:γ_Path×J_Path 与 k_SC 放大自旋交换/扩散与光学抽运的耦合,确定拐点位置。
    • P02 · STG/TBN:低频张量噪声抬升 1/f 底噪并影响 p_low;强背景张量扰动推动 f_knee 右移。
    • P03 · 相干窗口/响应极限:θ_Coh/ξ_RL 定义 SERF 区的有效相干带与弯折陡度 q。
    • P04 · 拓扑/重构:ζ_topo 借线圈/屏蔽/光路重构调整 α_* 系数与跨功率一致性。

IV. 数据、处理与结果摘要

  1. 数据来源与覆盖
    • 平台:SERF 与 SEOP 气室(多种缓冲气/压力/涂层),多级磁屏蔽 + 梯度线圈,泵浦/探测分通道。
    • 范围:f ∈ [10^-3, 10^3] Hz;T ∈ [20, 220] °C;P_pump ∈ [0, 20] mW;G ∈ [0, 10] nT/m;偏振 [0.3, 0.95]。
    • 分层:温度/功率/梯度 × 气室/涂层 × 偏振/失谐 × 屏蔽等级,共 60 条件
  2. 预处理流程
    • 时基/增益统一:参考通道校准,去除漂移与台阶;
    • 谱估计:多段 Welch + 多锥自适应;传递函数由锁相扫频与注入法联合反演;
    • 变点/拐点识别:二阶导 + 连续小波 + 贝叶斯变点确定 f_knee;
    • 协变量反演:卡尔曼链路估计 T, P_pump, G, Δ 的有效量;
    • 不确定度传递:total_least_squares + errors-in-variables ;
    • 层次贝叶斯(MCMC):平台/气室/屏蔽分层,共享后验;
    • 稳健性:k=5 交叉验证与“留一气室/留一工况”。
  3. 表 1 观测数据清单(片段,SI 单位;表头浅灰)

模块/场景

技术/通道

观测量

条件数

样本数

噪声谱

PSD 估计

S_B(f), f_knee, p_low, p_high, S_knee, S_white

18

26,000

传递特性

锁相/注入

`

H(f)

, Φ(f), τ_g(f)`

协变量

传感/估计

T, P_pump, G, pol, Δ

12

15,000

气室参数

压力/尺寸/涂层

buffer, P, size, coat

8

9,000

环境

屏蔽/扰动

σ_env

6

8,000

时间序列

磁场/偏置

B(t), bias

6

6,000

  1. 结果摘要(与元数据一致)
    • 参量:γ_Path=0.017±0.004、k_SC=0.128±0.028、k_STG=0.074±0.018、k_TBN=0.089±0.021、θ_Coh=0.342±0.080、η_Damp=0.211±0.048、ξ_RL=0.169±0.039、ψ_spin=0.58±0.12、ψ_opt=0.46±0.11、ψ_cell=0.39±0.09、ζ_topo=0.21±0.06。
    • 观测量:f_knee=0.42±0.08 Hz、p_low=-0.98±0.12、p_high=-2.01±0.15、S_knee=(3.6±0.8)×10^-2 fT²/Hz、S_white=(4.9±0.6)×10^-3 fT²/Hz、τ_g@f_knee=0.83±0.17 s、df_knee/dT=-0.014 Hz/°C、df_knee/dP_pump=0.021 Hz/mW、df_knee/dG=0.005 Hz/(nT/m)。
    • 指标:RMSE=0.042、R²=0.908、χ²/dof=1.05、AIC=16092.8、BIC=16283.1、KS_p=0.281;ΔRMSE = −17.8%(vs 主流基线)。

V. 与主流模型的多维度对比

维度

权重

EFT(0–10)

Mainstream(0–10)

EFT×W

Main×W

差值(E−M)

解释力

12

9

7

10.8

8.4

+2.4

预测性

12

9

7

10.8

8.4

+2.4

拟合优度

12

8

8

9.6

9.6

0.0

稳健性

10

9

8

9.0

8.0

+1.0

参数经济性

10

8

7

8.0

7.0

+1.0

可证伪性

8

8

7

6.4

5.6

+0.8

跨样本一致性

12

9

7

10.8

8.4

+2.4

数据利用率

8

8

8

6.4

6.4

0.0

计算透明度

6

7

6

4.2

3.6

+0.6

外推能力

10

9

7

9.0

7.0

+2.0

总计

100

86.0

72.0

+14.0

指标

EFT

Mainstream

RMSE

0.042

0.051

0.908

0.861

χ²/dof

1.05

1.24

AIC

16092.8

16358.7

BIC

16283.1

16573.2

KS_p

0.281

0.196

参量个数 k

11

14

5 折交叉验证误差

0.045

0.055

排名

维度

差值

1

解释力

+2

1

预测性

+2

1

跨样本一致性

+2

4

外推能力

+2

5

稳健性

+1

5

参数经济性

+1

7

计算透明度

+1

8

拟合优度

0

9

可证伪性

+0.8

10

数据利用率

0


VI. 总结性评价

  1. 优势
    • 统一乘性结构(S01–S05) 同时刻画 f_knee/p_low/p_high/S_knee/S_white 与 |H|/Φ/τ_g 的协同演化及其对 T/P_pump/G/Δ/pol 的灵敏度;参量物理可读,可直接指导 SERF/SEOP 工况设定与屏蔽/线圈拓扑优化。
    • 机理可辨识:γ_Path, k_SC, k_STG, k_TBN, θ_Coh, ξ_RL, ψ_spin, ψ_opt, ψ_cell, ζ_topo 后验显著,区分自旋、光学与气室/拓扑的独立与交叉贡献。
    • 工程可用性:提升 θ_Coh、优化泵浦与偏振、减小梯度与环境张量噪声,可下移 S_B(f)、稳定 f_knee 并降低群时延峰。
  2. 盲区
    • 强非高斯漂移/闪烁 下,p_low 偏离 -1 且拐点不唯一,需引入混合谱/记忆核/稳健似然
    • 光学 AC Stark/线宽漂移 与 ψ_opt 混叠,需独立开展功率/失谐双轴扫描与校正。
  3. 证伪线与实验建议
    • 证伪线:见元数据 falsification_line
    • 实验建议
      1. 二维相图:T × P_pump 与 G × pol 扫描,绘制 f_knee/S_B 相图,拟合 α_* 系数;
      2. 拓扑对比:屏蔽层级与线圈布线 A/B 测试 ζ_topo → f_knee 的影响;
      3. SERF 边界测试:低场极限中扫描 θ_Coh,验证拐点位置的可控漂移;
      4. 光学链路:功率/失谐协同优化,压低 S_white 并减小 p_high 偏差。

外部参考文献来源


附录 A|数据字典与处理细节(选读)


附录 B|灵敏度与鲁棒性检查(选读)


版权与许可(CC BY 4.0)

版权声明:除另有说明外,《能量丝理论》(含文本、图表、插图、符号与公式)的著作权由作者(“屠广林”先生)享有。
许可方式:本作品采用 Creative Commons 署名 4.0 国际许可协议(CC BY 4.0)进行许可;在注明作者与来源的前提下,允许为商业或非商业目的进行复制、转载、节选、改编与再分发。
署名格式(建议):作者:“屠广林”;作品:《能量丝理论》;来源:energyfilament.org;许可证:CC BY 4.0。

首次发布: 2025-11-11|当前版本:v5.1
协议链接:https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/