美国统计学家乔治·博克斯（George Box）说过：“所有模型都是谬误，但有些是有用的。”这句话用来形容各种物理理论在适合不过了。从现代数学的观念来看，构建一个物理理论需要对应的空间和运算规则。以经典牛顿力学为例，这是一个构建在欧氏空间中的包含了加减乘除四则运算以及微积分运算的物理理论。在历史的进展中人们逐渐认识到，物理理论可以不用构建在连续均匀假设的欧氏空间上，由此发展出来构建在希尔伯特空间上的量子力学以及构建在黎曼空间上的相对论。众所周知，牛顿物理适用于宏观低速条件，量子力学适用于微观条件，相对论适用于描述宏观高速条件。借用康德的时空观，空间是人的先天主观认知方式。即我们可以从任何一种角度去理解空间，空间可以是连续均匀的，也可以是离散无穷的，更可以是弯曲的，甚至可以是随机破碎的。当然经由高等代数的理论，能够严格的证明随机空间与均匀空间中所遵从的物理规律大不相同，而且均匀空间可以视作随机空间的一种特例。简而言之，空间决定物理。 无论出于对超越性的追求还是从投入产出比的考虑，人们总是希望以最小的代价建立一种描述尽可能多规律的物理理论，而且物理规律越容易观测越好。量子力学和相对论能够描述更多的物理规律，但是其观测现象的成本往往很高。在审美志趣出发，我们认为应当研究易于观测却被普遍忽视的物理。观察生活中随处可见的物品，我们发现自然之物大多是随机多孔结构的，例如动物的细胞组织、土壤、植物纤维、陶瓷材料等。按照测度论的说法，随机多孔结构在自然界中出现的测度为1。经典物理学大多假设这些物体是连续均匀的材料，并且通过微分方程来描述各种物理规律。我们认为可以从根本上改变空间观念，将随机空间作为第一性假设，此时自然界中随机多孔的物质结构变得“自然”了。从这个视角出发，我们可以建立一个基于随机空间的新物理理论。 将物质抽象成为原子（Atom），并假设粒子在连续均匀空间中做无规则热运动，是我们习以为常的一种物理观念。而一旦我们承认空间可以人为约定，便能够重新审视经典原子理论。我们假定空间是随机离散的，而基本粒子的运动是由随机空间决定的。这种随机离散空间中得到的粒子随机运动看似与经典的粒子无规则热运动没有太大差别。但其本质是天差地别的，比如随机空间假设会破坏经典粒子运动的遍历假设以及扩散过程。由此将根本性的变革大量基于经典粒子假说的物理规律。空间观的问题解决了，下面需要介绍方法论。
出于以下几点原因，让我最终选择了研究随机空间上的等离子体物理。第一个原因是我在清华电机系跟随王新新教授攻读博士，为研究等离子体打下了坚实的理论基础。第二个原因是随便翻开一本等离子体物理教材，前言部分都会出现一句“宇宙中99%的物质是等离子体”，从闪电、辉光放电管、可控核聚变到恒星都受到等离子体物理的支配。第三个原因是从发现X射线开始，许多近代物理学重要实验都是在气体放电管中开始的，站在巨人的肩膀上有利于我们进行实验验证。基于上述原因，我们科研团队利用气体放电在随机多孔介质中产生了低温等离子体（后文统称多孔介质放电）并开展了一系列的原创基础研究。 等离子体基础理论突破： 陈开博士利用X射线断层成像技术建立了多孔陶瓷介质的二维切片模型，首次开展了真实多孔介质中等离子体放电击穿行为的仿真分析。研究发现了多孔介质放电过程中的局部击穿现象和选择性击穿现象。结果表明在多孔介质中进行气体放电时，气体击穿更容易发生在特定的区域或路径上。进一步，陈开博士基于管道网络假设提出了多孔电介质气体击穿的管道流模型。他的研究成果表明，几何结构中管道的迂曲度、孔隙率以及管道半径等因素会对放电过程中基本物理过程产生影响，从而导致气体选择性地在某些区域发生击穿。根据击穿模型，有针对性地调整材料的孔隙结构、改变化学成分以及优化电场分布。毛一龙在此基础上，发现了多孔介质放电的电子温度梯度诱导的选择击穿效应。多孔电介质具有复杂的空间结构，这使得内部电场分布更加不均匀，导致空间中电子温度的极不均匀分布。他的研究发现，这种空间电子温度梯度增强了电子与原子之间的碰撞动能交换过程，从而增强了碰撞电离过程。因此，在电子温度梯度较大的通道中，击穿现象更容易发生。 通过对多孔介质放电过程的实验测量，我们发现了多孔介质放电的存在三阶段击穿机制。多孔介质放电存在多条击穿通道，每个通道具有不同的几何特征（如管径、迂曲度等）。在击穿过程中，会出现通道优先击穿的现象，即细丝贯穿阶段。随后，通过扩散作用，先前击穿通道中的电子会向其他未击穿的通道扩散，并在其中作为种子电子，诱导其他通道由未击穿向击穿过渡，即径向扩散阶段。最终，所有通道都完成击穿，进入稳态放电阶段，即稳态维持阶段。为了进一步解释多孔电介质中的击穿现象，毛一龙提出了基于Gap-Flow理论的模型，特别针对第二通道的扩散电子击穿过程进行了研究。通过建立第二通道的击穿模型，他合理解释了多孔电介质中击穿电流的二次增大现象，并量化分析了不同管径对第二通道的击穿难易程度的影响规律。 由于复杂的结构和放电特性，目前的研究很难对多孔介质的随机特性进行量化。胡宇恒使用逾渗结构来模拟多孔介质二维切片。结果表明，二维逾渗模型与二维真实模型的仿真物理参数相似，可以很好地表征多孔介质的物理特性，同时大大减少仿真所需的时间。此外，我们还仿真了不同孔隙率和孔径大小参数下的逾渗模型。当孔隙率和孔径大小保持不变时，迂曲度和德拜半径是影响逾渗模型击穿的主要因素。孔隙率减小，帕申曲线向右上方移动；孔径减小，帕申曲线向上移动。本研究为多孔介质的理论分析提出了一种新的仿真方法，同时提高了仿真效率。此外，该新模型还被应用于量化多孔介质放电中孔隙率和孔径随机参数的影响机制。 经典的气体放电规律均是在均匀介质中发现并总结的，而根据文献报道多孔介质中的流体（气体、液体）行为与均匀介质中的流体行为有很大差别，例如Knudsen效应、反常扩散等等。鉴于上述情况，需要一个稳定的放电规律为进一步研究提供标准和基础。这让我们想到了气体放电研究中最早、最广泛使用的击穿规律——帕申定律。饶力博开展了氧化铝多孔介质辉光放电实验，利用气体放电理论和放电相似性定律分析了多孔介质放电规律，确定了多孔介质放电没有引入相似放电不允许过程，放电相似性没有被破坏，paschen定律依然成立。同时考虑了多孔介质孔隙率和孔密度的作用，最终得到了多孔介质放电的击穿特性曲线表达式。合理解释了各种参数下的多孔介质放电paschen曲线的移动规律。 等离子体电源突破： 根据多孔介质放电的弥散判据，能够利用纳秒脉冲放电在大气压条件下产生均匀等离子体。然而，要实现脉冲宽度低于十纳秒的高压脉冲电源是一项极具挑战性的任务。目前，受制于开关的速度性能和电源的封装工艺，最低脉冲宽度仅能压缩至数十纳秒，超越这个极限是电气工程师或半导体工艺研究者面临的难题。脉冲宽度的缩短对于提高脉冲电源的响应速度、增强其输出能量密度以及适应更高频率的应用都具有重要意义。然而，要实现这一目标需要克服许多技术难题，包括半导体材料的优化、开关速度的提高以及脉冲电路的精确设计。突破性工作为高压纳秒脉冲电源的研究带来了重要的进展。吴菲宇博士巧妙地利用电容斩切电路拓扑，利用普通的商业半导体开关，成功将脉冲宽度缩短至低于10纳秒的水平。这项研究不仅在技术上刷新了纪录，还为高速纳秒级脉冲形成的研究和应用提供了新的可能性。此外，陈悦博士为全固态脉冲源的隔离供电问题提供了全新的结构和思路，摈弃了隔离供电传统的并行结构，提出了全新的串行结构，实现了隔离统一性，大大提升了全固态脉冲发生器的性能，同时也大大降低了工艺成本。 等离子体诊断设备突破： 多孔介质放电的等离子体研究离不开诊断测量设备。光谱仪测量等离子体的原理基于等离子体的光谱发射现象。光谱仪通过将等离子体发射的光线分散成不同波长的光谱线，并通过光学元件（如光栅或衍射光栅）将光谱线聚焦到光敏探测器上，然后进行信号放大和处理，最终得到光谱图像。在光谱测量方面，笔者搭建了全国产化的sCMOS光谱诊断系统和Mach-Zender干涉仪，王嘉磊开展了一系列谱学分析工作，为多孔介质放电的研究提供了测量技术的保证。另外，笔者提出可以利用朗缪探针的IV曲线来测量等离子体鞘层厚度。 多孔介质放电的应用 研究随机多孔结构上的等离子体行为不仅具有科学价值，也具有重要的应用价值。随着材料科学和制造技术的进步，越来越多的多孔结构材料有望应用于各类前沿技术中，例如全固态电池技术、等离子体化学催化、生物材料表面功能化等。多孔材料通常是随机的、非均匀的电介质，这种特殊的结构包含了从纳米到毫米级的大量孔洞，为介质提供了巨大的比表面积，有助于实现许多新颖的物理、化学功能。在储能领域，全固态电池的充放电过程主要是离子在气固两相多孔介质中受到电场作用的漂移过程，此类多孔介质放电的击穿电压决定了全固态电池充电电压和充电速度的上限。在化学催化领域，利用多孔材料的复杂结构可以显著增强微观电场并且有助于产生大量的高能粒子，从而提高催化效率。此类多孔介质放电的击穿电场决定了催化的能量效率。在生物材料表面功能化领域，人造骨骼大量采用多孔结构的材料以实现轻质化目标。另外还需要等离子体注入多孔骨骼中，提供各种表面功能化特性如亲水性/疏水性、生物相容性、抗细菌性甚至是抗癌效果，以满足不同的临床需求。此类多孔介质放电的一个重要问题是等离子体在多孔结构上的分布不均匀将会导致表面改性效果较差。为了提高充电电压、催化效率和表面功能化的表现，需要促进或者抑制多孔介质中局部的气体击穿。为了加速科技成果产业化，笔者创办重庆朗道科技有限公司，以等离子体基础理论和技术为核心，研发多物理场耦合仿真软件、等离子体电源、等离子体光谱仪、朗缪探针、等离子体电弧喷枪等。公司相关产品将用于半导体设备制造、环保领域、生物医疗、能源电力以及航天航空领域。（本文作者系重庆大学老师王豪）
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