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今日物理学研究聚焦于多尺度复杂系统的建模、观测与控制，强调从微观量子过程到宏观工程系统的跨尺度创新方法与技术突破。
2025-12-30 共 24 条抓取，按综合热度排序
本研究提出一种新算法，用于求解大规模管网（如天然气、水管网络）中的势驱动稳态非线性流方程。该算法通过将大型网络分割为多个可处理的子网络，先独立求解各子系统的非线性方程，再通过子网络间的连接点（如不同运营商的交接点）协调，最终获得全局解。该方法与舒尔补方法相关，并能在保护各运营商内部数据隐私的前提下实现高效求解。算法在多个具有挑战性的测试案例中验证了其有效性。
研究团队提出“AI-for-theory”新范式，开发深度学习模型PhysAnchor-MJO-AE，通过构建物理特征相似度与向量距离对应的潜在表示，客观聚类MJO动力状态。该方法首次揭示了MJO完整的六阶段生命周期解剖图，在经典观点基础上，客观分离出两个长期被假设的过渡阶段：印度洋上的组织性增长和菲律宾海上的北向移动。基于此解剖图构建的新物理一致监测框架，将虚假传播和对流错位率降低了一个数量级以上。
本研究提出了一种端到端的深度学习框架，用于基于稀疏卫星测高数据的全球海面动态短期预报。该框架融合了U-Net和4DVarNet两种先进架构，将其调整为利用稀疏天底测高仪观测序列，对未来7天的海面高度异常和海表流场进行预报。模型在GLORYS12业务化海洋再分析数据上训练，并应用合成天底采样模式模拟真实观测覆盖。评估表明，端到端神经预报在所有预报时效上均优于基准业务产品（Mercator Ocean），在高变率区域改进尤为显著。该研究证明了即使在数据稀疏条件下，端到端神经模型在业务化海洋学中的可行性与潜力。
本研究提出了一种全光纤集成的非线性萨格纳克干涉仪，利用级联二阶非线性过程产生频率反相关的闲频光，实现了无需主动稳定的奇数次色散抵消。该测量本质上是自参考的，色散引入的相位通过同一萨格纳克环内反向传播的非线性过程之间的干涉提取，无需外部参考臂或预先校准。该装置完全在电信波长工作，通过标准光谱仪读取，利用双端口归一化产生瞬时、高可见度的干涉条纹和无校准光谱。实验演示了对25厘米至4公里光纤样品的色散测量，覆盖了从短光纤段到长距离链路的范围。该架构结合了自稳定性、宽带兼容性和快速采集能力，为研究和工业提供了一种实用的计量工具。
本文提出了一种基于多重自然构型和多连续介质理论的新型运动学框架，用于描述纤维增强层合复合材料。该框架将变形梯度分解为三项：$\mathbf{F}=\mathbf{F}^e\mathbf{F}^r_\alpha\mathbf{F}^d_\alpha$，其中$\alpha$代表基体或纤维。利用此框架，作者量化了四种损伤机制（基体开裂、纤维断裂、界面滑移/脱粘、层间分层）的损伤含量。前两者通过测量各组分构型的不相容性推导，后两者则涉及组分或层间的相对位移。该工作为建立损伤层合复合材料的本构模型提供了几何基础。
本研究提出了一种线性声波传播与叠加（LAWPS）框架，用于在光学不透明或深部组织中定量监测微泡的弱非线性振荡。该框架通过耦合弱非线性振荡的傅里叶级数表示与线性单极子辐射理论，建立了多频声发射信号与微泡径向动力学之间的可逆关系。实验验证表明，该方法能以约5%的相对误差重建振幅达平衡半径15%的振荡，并在生理相关条件下，预测了足以在10微米囊泡中引发声穿孔相关机械应力的振荡状态。
研究团队首次成功演示了对金属氢化物分子CaH的三维磁光囚禁。他们利用“白光”技术将近零速度的分子束装载到射频磁光阱中，囚禁了约230个分子，温度低于1毫开尔文。实验中散射了约$10^{4}$个光子，并覆盖了振动量子数$\nu=2$以内的振动损失。CaH分子的预解离损耗机制，为后续实现氢原子的光学囚禁和精密光谱学提供了潜在路径。
本文提出一个基于并矢格林函数的双因子框架，用于量化环境对经典天线性能的Purcell式增强。该框架将环境效应分解为“自因子”（量化环境对天线辐射阻尼的改变）和“传输因子”（量化环境对收发天线间信道耦合的改变）。研究提供了基于矢量网络分析仪的测量提取流程与诊断方法，以区分真实的辐射增强与阻抗失配或吸收损耗。最后，将理论转化为链路预算与距离标度，并展示了从VHF到毫米波频段在各种实际环境（如平台、人体邻近、隧道、反射阵列、可重构智能表面等）中的应用。
本研究针对连续纤维增强复合材料增材制造（CFRC-AM）中工艺与材料参数交互影响性能的难题，提出了一种数据高效的多输入多目标学习方法。该方法结合拉丁超立方采样（LHS）指导实验与挤压激励宽深神经网络（SE-WDNN），基于不同制造参数联合预测CFRC-AM的多个力学与制造性能指标。通过对155个试样进行实验，并与前馈神经网络、XGBoost等常用模型对比，所提模型取得了最低的整体测试误差（MAPE = 12.33%），并在多个目标变量上显示出统计显著性提升。SHAP分析揭示了增强策略是影响力学性能的主要因素。
本研究通过物理气相沉积选择性制备了闪锌矿相（zb-AgI）和纤锌矿相（wz-AgI）碘化银薄膜，并利用偏振分辨二次谐波产生（SHG）和双光子光致发光（2PPL）光谱系统分析了其非线性光学性质。研究发现，三角形（111）取向的zb-AgI薄片表现出六重对称的SHG响应和各向同性的2PPL发射；而棒状（101）取向的wz-AgI样品则在SHG和2PPL中均显示出二重对称模式。这些各向异性响应可通过二阶（$\chi^{(2)}$）和三阶（$\chi^{(3)}$）非线性极化率模型进行解释。该工作确立了AgI作为相态选择性非线性光学和量子光子学应用的潜力平台。
本研究提出了一种基于稀疏变分高斯过程与Kolmogorov-Arnold网络拓扑（SVGP-KAN）的机器学习框架，用于从稀疏速度测量数据中重建时间分辨流场。该方法扩展了经典的线性随机估计（LSE）和谱分析模态方法（SAMM），并实现了原则性的认知不确定性量化。在脉冲冲击射流的合成数据上，评估了采样率从0.5%到10%的性能。结果表明，SVGP-KAN在重建精度上与经典方法相当，同时提供了校准良好的不确定性估计，能可靠地指示预测在何时何地会失效。
本研究通过解析与数值模拟（COMSOL Multiphysics）相结合，分析了三种电极设计（部分、全面积、螺旋）对涡流型海水磁流体发电机性能的影响。研究发现，电极面积和间距是决定性能的关键因素。其中，全面积电极实现了最高的功率输出，相比基准部分电极提升了155%。螺旋电极虽能降低内阻并改善电流分布，但由于电极间距减小，其开路电压较低。模拟结果与理论模型高度吻合，开路电压预测偏差小于4%。这些发现强调了几何优化对于推动海水磁流体发电机成为可持续高效能源转换系统的重要性。
本研究提出“量子阿秒显微镜”新概念，旨在以阿秒时间分辨率和亚纳米空间精度，直接观测DNA碱基对（如胸腺嘧啶-腺嘌呤、胞嘧啶-鸟嘌呤）中光诱导的量子化学反应。通过高精度从头算模拟，揭示了碱基依赖的电离机制、定向电荷迁移路径以及控制氢键界面电子密度飞秒级重分布的电子相干性。该工作为理解DNA光化学、基因组稳定性及长程生物分子信号中的量子过程提供了新工具，并可能推动激光介导的DNA结构操控在修复过程和个性化医疗中的应用。
本研究提出了一种形态保持全息层析成像（MP-HT）框架，解决了传统全息层析成像中因缺失锥伪影导致的各向异性分辨率和轴向失真问题。该方法通过环面形空间滤波策略，在图像表示层面强调高频折射率纹理，抑制易受失真影响的低频成分。基于此，研究团队开发了三维分割流程以稳健分离上皮和管腔结构，并结合系统点扩散函数，建立了形态无关的干质量密度与总干质量估计模型。该框架应用于活体肝类器官的长期成像，揭示了其在扩张、塌陷和融合过程中的上皮-管腔协同重塑、形态稳定态破坏及瞬态生物物理波动。
本文提出了一种基于矩阵的交换因子变换方法，用于求解一般域上耦合混合边界条件的辐射传递问题。该方法适用于从透明到吸收、发射和散射的参与介质，边界条件涵盖吸收到反射。给定首次相互作用交换因子矩阵 $\mathbf{F}$，该变换通过诺伊曼级数生成吸收矩阵 $\mathbf{A}$ 和多重反射-散射矩阵 $\mathbf{R}$，解析地追踪所有反射-散射路径至稳态。研究严格证明了该方法在特定条件下能保证收敛、辐射非负性，并能精确到机器精度地守恒能量。与经典的Hottel区域法的Noble矩阵公式对比，揭示了后者存在一个先前未识别的差异，而本文提出的变换消除了该差异。
本文系统梳理了水在固态下的多种晶体结构，这些结构不仅揭示了液态水的潜在组织形式，还可用于校准水分子模拟中的对势参数。研究特别指出，在拥挤的生物环境中，水的行为可能更接近冰而非体相水，且不同冰结构具有不同的介电性质。该综述旨在为相关领域的进一步研究提供基础数学框架。
本研究建立了一个基于欧拉-拉格朗日框架的统一孔隙尺度多物理场模型，用于全面解析催化柴油颗粒过滤器（CDPF）内碳烟的传输、沉积和氧化过程。该模型摒弃了传统的经验关联和随机近似方法，从基本物理原理出发模拟碳烟沉积，整合了颗粒-壁面界面的弹性变形和表面粘附力学。同时，模型引入了一个稳健的氧化模型，考虑了 $\textrm{O}_2$ 和 $\textrm{NO}_2$ 两种反应路径的竞争动力学，能够全面覆盖CDPF的所有运行工况。模拟结果表明，在典型低温工况下，$\textrm{NO}_2$ 和催化剂对促进再生起着关键作用，并揭示了不同反应路径间复杂的协同与竞争效应。对于超细碳烟颗粒（$50~\mathrm{nm}$），布朗运动和热泳力直接决定了沉积效率。
本研究针对高速水下航行体湍流边界层下的壁面压力脉动，建立了首个高雷诺数轴对称壳体壁面压力脉动高保真实验数据库。其核心创新在于系统包含了偏航和俯仰等复杂机动工况，为验证流噪声预测模型提供了基准。数据分析揭示了关键的物理机制：量化了雷诺数效应（如谱能量向低频转移），并通过揭示压力梯度效应的关键影响，建立了谱标度律。这些发现为理解非平衡三维湍流提供了基础见解，并为设计更安静、更有效的水下航行体提供了关键数据集。
本研究通过雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法模拟了采用机械辅助自然通风（混合通风）的教室模型内的气流，并与粒子图像测速（PIV）实验数据对比。研究发现，不同湍流模型在门入口附近与实验数据吻合，但在下游会高估射流峰值速度。计算结果的准确性对入口边界条件（压力入口或速度入口）及门外几何结构高度敏感。采用扩展计算域并调整边界条件后，模拟的中心线速度衰减与实验数据吻合良好，表明门处的几何与边界条件是准确预测混合通风气流的关键。
本研究重新审视了双锥超声速进气道的传统设计原则。研究发现，将进气道斜坡或锥角设定得略小于Oswatitsch准则建议值更为有利；采用略微偏离“激波贴合唇口”条件的偏移唇口设计是有益的，对于锥形进气道甚至可实现唇口处完全无溢流。此外，用强斜激波（二维斜坡型）或Lambda激波（锥形）替代终端正激波，可改善总压恢复。这些必要的设计修改简单且几乎无额外成本，重写了超声速进气道气动设计的基本规则。
为实现聚变能源，最大化粒子与能量约束至关重要。本研究使用高保真宏观与微观模拟工具，考察了反应堆尺度准轴对称仿星器在低等离子体β（压力）运行区的可达性。研究发现，尽管该构型具有宏观与新经典层面的优良特性，但GENE代码的线性和非线性计算显示，在低β条件下会突然转变为高度有害的输运状态。这为准对称仿星器的优化与设计策略带来了重要启示。
本文提出了一种新型宽带可重构参量放大器——时间布拉格光栅。通过在空间周期性折射率分布中引入时间调制，并使其频率接近布拉格条件，实现了显著的功率放大。研究表明，对高折射率层或低折射率层进行调制均可产生有效增益，其中高折射率调制在相同调制深度下增益更高。该放大器的增益峰可在宽光谱范围内调谐，且在亚布拉格和超布拉格区域表现出强烈不对称性。在极端亚布拉格极限下，系统从离散边带放大转变为高频宽带增益连续谱，这可通过参量过程的多相位匹配来解释。该研究为设计动态可重构光放大器、可调谐频率转换器和宽带光源提供了统一框架。
本研究首次系统回顾了电力、卫星和航空三大关键基础设施领域应对太空天气的缓解策略。通过对303家运营商进行调研（55份有效回复），并结合对33名运营商的深度访谈，研究识别出91种潜在缓解措施，并记录了149项基于预报和实际影响而采取的应对行动。该研究填补了相关文献空白，将关注点从单纯的影响评估，转向了实际决策与行动分析。
研究发现印度夏季风降雨模式正发生显著变化，呈现出东西不对称的新趋势。通过经验正交函数分析，识别出代表该趋势的第三模态，即东西偶极子分布模式：西北部降雨增多，而东部相对减少。物理机制分析表明，阿拉伯海海平面气压下降、比湿增加及海表温度升高等因素，共同促进了西北部的水汽辐合与对流增强。同时，850hPa纬向风北支增强，进一步将水汽导向西北地区。这些动力条件的改变，共同解释了降雨分布的新格局。