本發(fā)明涉及一種基于激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面制造方法及裝置，屬于激波耦合。

背景技術(shù)：

1、人類的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)形成39個(gè)工業(yè)大類、190多個(gè)中類和500多個(gè)小類，而中國是目前全世界唯一擁有全部工業(yè)門類和唯一的全產(chǎn)業(yè)鏈國家，能夠生產(chǎn)從日用消費(fèi)品到航空航天、從原料礦產(chǎn)到工業(yè)母機(jī)的一切工業(yè)產(chǎn)品。

2、與大規(guī)模全產(chǎn)業(yè)鏈不相稱的，是整體工藝技術(shù)的集約化水平和程度仍相對較低，導(dǎo)致效能低等問題。比如作為日常消費(fèi)品的一次性打火機(jī)，其生產(chǎn)工藝其實(shí)相當(dāng)復(fù)雜：需要abs注塑成的外殼，沖壓形成的防風(fēng)罩，引火簧、面閥、按手、濾芯、海綿墊、調(diào)火環(huán)、翹板、打火石等幾十個(gè)元器件，涉及到十幾個(gè)不同的工藝和幾十種不同加工設(shè)備。又如汽車制造，擁有最長的產(chǎn)業(yè)鏈條，從零部件、元器件制造到各系統(tǒng)總成、再到整車組裝，涉及80多個(gè)領(lǐng)域，其動(dòng)力總成、電控系統(tǒng)、底盤架構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等，每一個(gè)功能系統(tǒng)都需要十幾到幾十上百個(gè)工序工藝環(huán)節(jié)的組合，僅僅一個(gè)鋁輪轂的制造，就需要合金配料、熔煉、凈化、轉(zhuǎn)注、鑄造成型、粗加工、無損探傷檢測、熱處理、精加工、熱噴涂等10多道工序才能完成，過程復(fù)雜，作業(yè)線長。

3、產(chǎn)業(yè)鏈長、作業(yè)線長的一個(gè)整體缺陷是能耗高、效率低。管理上盡可以通過增加勞動(dòng)力崗位、分工協(xié)作來提高效率，通過制定和執(zhí)行嚴(yán)格的工藝技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來降低能耗，但這些都是被動(dòng)的做法：對于一個(gè)定型的生產(chǎn)線和產(chǎn)業(yè)鏈，其能耗有理論下限，生產(chǎn)效率有理論上限，作業(yè)人員只能無限接近臨界點(diǎn)而無法突破。如此一旦工藝技術(shù)發(fā)生根本性變革，新的能耗理論下限和產(chǎn)率上限出現(xiàn)，將淘汰大批的落后產(chǎn)能，放在國際競爭大視野中，產(chǎn)業(yè)革命造成的損傷和損害也是巨大的，甚至不可彌補(bǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供基于激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面制造方法及裝置，用“創(chuàng)造和應(yīng)用高能態(tài)沖擊波”來解決前述關(guān)于現(xiàn)有工業(yè)制造技術(shù)中存在的產(chǎn)業(yè)鏈長、作業(yè)線長的整體缺陷和能耗高、效率低等技術(shù)問題。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種基于激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面制造方法，利用沖擊波與工作介質(zhì)在耦合場中發(fā)生先耦合、后解耦的混沌效應(yīng)，再利用場控降維手段，對解耦工作介質(zhì)進(jìn)行從準(zhǔn)四維耦合場向準(zhǔn)二維耦合場的降維映射導(dǎo)控，對接不同的工作界面，實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造或加工。

3、所述耦合及解耦，是指沖擊波能量與介質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的急劇升壓到極點(diǎn)后隨即自然降壓的物理效應(yīng)。其中，壓力p隨時(shí)間t變化關(guān)系(p-t曲線)反映在脈沖圖像中的升壓段，存在時(shí)間約為納秒尺度(1ns＝10-9s)，稱為耦合；在正高壓極點(diǎn)之后自然降壓的現(xiàn)象和過程稱為解耦。

4、所述混沌效應(yīng)，是指沖擊波在工作介質(zhì)中的初始傳播和散發(fā)(內(nèi)外質(zhì)點(diǎn)群“耦合－解耦”依次遞延傳播的態(tài)傳遞)，因符合“自組織臨界性”，而導(dǎo)致參與質(zhì)點(diǎn)數(shù)量增大和脈沖能級遞降的迭代性狀符合近似冪律，進(jìn)而在系列的“耦合－解耦”過程發(fā)生的難以精確描述的能級衰減、速度衰減同時(shí)帶動(dòng)質(zhì)點(diǎn)群直到整個(gè)工作介質(zhì)體系都發(fā)生運(yùn)動(dòng)的趨勢。

5、所述準(zhǔn)四維耦合場，是指沖擊波能量與介質(zhì)的耦合態(tài)，由于是一個(gè)產(chǎn)生和存在時(shí)間極短(納秒尺度)的高能物態(tài)質(zhì)團(tuán)，具有自發(fā)“衰變”即解耦的特性，解耦時(shí)間和解耦體積都達(dá)到耦合態(tài)的數(shù)百倍至近千倍；耦合態(tài)包含了3d體積加上“準(zhǔn)一維的折疊能量(時(shí)變能)”，故稱耦合態(tài)為準(zhǔn)四維耦合場。

6、所述準(zhǔn)二維耦合場，是指沖擊波與介質(zhì)的混沌效應(yīng)之后經(jīng)“狹縫寬面”的扁平型出口約束而形成的高壓渦旋射流態(tài)。該準(zhǔn)二維耦合場的形成機(jī)制在于，被沖擊波擾動(dòng)的大量質(zhì)點(diǎn)處于具有一定的動(dòng)能但運(yùn)動(dòng)方向沿波陣面發(fā)散的狀態(tài)，為將這些動(dòng)能集中起來加以利用，而以“射流空間→出口場導(dǎo)流”的場控降維和映射手段，把三維流動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)群用“狹縫寬面”的扁平型出口場(稱為準(zhǔn)二維場)進(jìn)行的壓縮性約束和導(dǎo)流；由于是由四維耦合場的“點(diǎn)狀體積”經(jīng)過混沌傳播、延時(shí)映射而形成的流場質(zhì)點(diǎn)群，其表面積較初始態(tài)表面積具有千萬倍率以上的增量，準(zhǔn)四維耦合場的能量維度已經(jīng)與準(zhǔn)二維場形成充分的融合分布，即形成了質(zhì)點(diǎn)群的高壓流動(dòng)張量場(勢能張量與動(dòng)能張量之和)，等效于二維膜的熱漲落加劇，故稱此流動(dòng)態(tài)為準(zhǔn)二維耦合場。

7、所述工作界面，是指利用沖擊波生成的高能渦旋流體(態(tài))進(jìn)行工業(yè)制造或加工的實(shí)際界面，其物理意義是界面層的質(zhì)點(diǎn)群及其代表的本征結(jié)構(gòu)，特別是，質(zhì)點(diǎn)群及其本征結(jié)構(gòu)在沖擊波場中是宏觀動(dòng)態(tài)變化的，在沖擊波消解后，可以是宏觀靜態(tài)或者凝固態(tài)。

8、優(yōu)選的，所述場控降維手段，是指運(yùn)用壓力場或電磁場中的至少一種配合沖擊波能量的維度降解，使流態(tài)化質(zhì)點(diǎn)群實(shí)現(xiàn)靶向流動(dòng)的方法，包括：利用出口為扁平型“狹縫寬面”內(nèi)腔的、設(shè)有流體介質(zhì)進(jìn)出口的橢圓半球+倒喇叭狀復(fù)合型腔結(jié)構(gòu)的壓力容器，實(shí)現(xiàn)高壓流體介質(zhì)渦旋射流態(tài)的降維映射；或者利用熔絲與工件之間的電磁場、電脈沖和電弧熱達(dá)到瞬時(shí)熔化和敷鋪，實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)連續(xù)地從絲材向工件表面和縫隙的降維映射；或者利用高速機(jī)械工具對工件上質(zhì)點(diǎn)群實(shí)施持續(xù)有序的高速碰撞，實(shí)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)群的定向剝落或定向重構(gòu)的降維映射；或者利用激光從凝聚態(tài)材料上剝落原子或原子團(tuán)簇或準(zhǔn)分子質(zhì)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)向靶標(biāo)定向輸送原子或原子團(tuán)簇態(tài)質(zhì)點(diǎn)的降維映射；或者利用超強(qiáng)磁約束場，對可聚變等離子體產(chǎn)生極高壓渦旋態(tài)，并使之在約束環(huán)形場中懸浮繞流，實(shí)現(xiàn)向靶標(biāo)定向輸送核聚變等離子體的降維映射。

9、優(yōu)選的，對于流態(tài)化工作介質(zhì)，一次沖擊波脈沖完成一個(gè)當(dāng)量數(shù)的物質(zhì)合成或者分解，并通過耦合場的出口以扁平形的渦旋射流態(tài)噴出，與之后的工作界面對接；所述沖擊波的單個(gè)脈沖的能級當(dāng)量，按照混沌態(tài)控制模型結(jié)合能量參數(shù)進(jìn)行計(jì)量和調(diào)控，具體如下：把沖擊波在流體中的作用場，即沖擊曲面s，分割成無窮多份，并將每一份的面積記為ds，那么沖擊能量通過每一小份的流量dφ作為φ的散度量，可以由能流密度ed與其對應(yīng)的面積元ds的乘積表示，即dφ＝edds，對散度積分可得所需沖擊波的能級強(qiáng)度，在這一模型框架下，流(熔)體中沖擊波的能量標(biāo)度，或者沖擊波脈沖的能級當(dāng)量需滿足以下條件之一：

10、

11、①當(dāng)以波在流體中一個(gè)等效截面上的能流密度ed表示時(shí)，須滿足不等式ed＞σaf，式中σaf代表流體中任一位置的面積元內(nèi)的表面或界面的張力或界面能；

12、②當(dāng)以波的傳播相速度cp表示時(shí)，須滿足不等式cp＞σif/ηm，式中σif代表流體的界面張力或界面能，ηm代表流體的動(dòng)力黏度；

13、③當(dāng)以波在流體中引起的質(zhì)點(diǎn)擬動(dòng)速度cn表示時(shí)，須滿足不等式cn＞(retηm)/(dρm)，式中ret代表流體處于紊流或湍流狀態(tài)的雷諾數(shù)，ηm代表流體的動(dòng)力黏度，d代表聚焦沖擊波形成的焦斑直徑；前述質(zhì)點(diǎn)擬動(dòng)速度cn，是指把流體看成牛頓流體，把沖擊波壓力看成流體驅(qū)動(dòng)力的情景下，以微分視角觀察流體體積元質(zhì)點(diǎn)可以獲得的初始瞬時(shí)速度，不代表宏觀尺度上流體介質(zhì)的速度；

14、④當(dāng)以沖擊波場在流體中的作用半徑r及該場界面的壓力pf表示時(shí)，須滿足不等式rpf＞σif，式中作用半徑r代表沖擊波源點(diǎn)或焦點(diǎn)到流體沖擊波場界面的距離，σif代表流體的界面張力或界面能；

15、⑤當(dāng)需要沖擊波執(zhí)行對凝固界面進(jìn)行重新熔化、使結(jié)晶質(zhì)點(diǎn)重新具備流態(tài)化特征，或者使熔體表現(xiàn)為近超流態(tài)時(shí)，引入的沖擊波能級標(biāo)度選擇，應(yīng)首先考慮熔體合金的熱容熱e＝3nkbt和熔化潛熱lm這兩項(xiàng)之和，而后再考慮按上述ed＞σaf、cp＞σif/ηm、cn＞(retηm)/(dρm)、rpf＞σif的一種或幾種，進(jìn)行引入到流體中的沖擊波能量φ值的設(shè)計(jì)，比如φ＞3nkbt+lm+σaf；

16、⑥保障沖擊波-介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈耦合的能量是泰勒經(jīng)驗(yàn)公式e＝ρcr5/t2，可設(shè)φ＞ρd/t2，這里的c是耦合介質(zhì)的熱容比，可通過實(shí)驗(yàn)比較獲得；r可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，比如需要噴射渦旋流打到多遠(yuǎn)的距離d，按d＝cr5/n進(jìn)行折算(n取正整數(shù)，如1，2，3，…)，通過實(shí)驗(yàn)得到不同r值，再通過變分法求取對應(yīng)的d值。

17、本發(fā)明還公開了一種激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面制造裝置，對于液態(tài)工作介質(zhì)，包括橢圓半球+倒喇叭狀復(fù)合殼形型腔的壓力容器，所述容器上的橢圓半球部分設(shè)有液態(tài)的工作介質(zhì)進(jìn)口，所述容器上的倒喇叭狀部分設(shè)有液態(tài)的工作介質(zhì)出口，所述容器的出口端連接有噴嘴，所述容器中充滿液態(tài)的工作介質(zhì)。

18、優(yōu)選的，所述噴嘴的流道型腔截面是扁橢圓形，扁橢圓半短軸為1～10mm，半長軸為半短軸的10～100倍。

19、優(yōu)選的，所述噴嘴的流道型腔包括喇叭口段和直管段，所述噴嘴流道型腔的喇叭口段用于對接容器，所述噴嘴流道型腔的喇叭口內(nèi)部設(shè)置有圓錐面導(dǎo)流體，所述直管段用于對接模具型腔。

20、優(yōu)選的，所述容器內(nèi)部盛滿液態(tài)金屬熔體介質(zhì)，腔體上設(shè)有液態(tài)金屬輸入口和所需合金元素的輸入口，能調(diào)節(jié)輸入量與每次沖擊波脈沖導(dǎo)致的噴嘴噴出物質(zhì)當(dāng)量相適應(yīng)。

21、優(yōu)選的，所述容器由合金熔體在一定壓力和溫度條件下經(jīng)液相合成得到，所述溫度≤1000℃。

22、優(yōu)選的，所述合金熔體包括鋁合金熔體、鎂合金熔體以及因?yàn)槿苜|(zhì)溶解度小、溶劑與溶質(zhì)密度差異大而通常需要強(qiáng)烈機(jī)械攪拌的合金熔體中的一種，合金熔體的攪拌由自身的渦流渦旋實(shí)現(xiàn)。

23、本發(fā)明的研究思路如下：

24、在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，一百多年來研究的熱點(diǎn)此起彼伏并不斷發(fā)展。從20世紀(jì)初人類進(jìn)入到電氣化時(shí)代，調(diào)控電荷和晶體結(jié)構(gòu)成為研究材料、器件的熱點(diǎn)，20世紀(jì)中后期集成電路、芯片的出現(xiàn)使人類進(jìn)入信息化時(shí)代，電子電荷及調(diào)控的應(yīng)用達(dá)到頂峰，成為生物、醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)以及天文等學(xué)科關(guān)注的核心之一，隨著宇宙演化理論、黑洞、暗物質(zhì)的深入探索，人類已經(jīng)來到“二次量子革命”的前夜。

25、將材料研究和制造技術(shù)置于“擾動(dòng)法調(diào)控材料微結(jié)構(gòu)”的基礎(chǔ)之上，把晶體及非晶態(tài)物質(zhì)的宏觀性能研究引入到微結(jié)構(gòu)層次研究，并通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控，研制新穎的高功能基材、組件與元器件，積極推動(dòng)在微結(jié)構(gòu)層次上凝聚態(tài)物理、材料及器件的發(fā)展，是國際先進(jìn)材料發(fā)展的主導(dǎo)方向。該方向自1960年代以來在推動(dòng)激光材料、半導(dǎo)體材料、納米材料、壓電陶瓷、電磁材料、石墨烯、高溫超導(dǎo)材料等的發(fā)展上取得了巨大成功，理論積淀和檢測手段也取得了長足進(jìn)展，奠定了量子物理理論及工程技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和日常生活許多物質(zhì)基礎(chǔ)，如原子力顯微鏡、激光致冷、原子組裝、互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)、自動(dòng)化終端等。

26、以人工智能ai、高速大容量數(shù)字信息化技術(shù)(新一代基礎(chǔ)芯片及算法、空天網(wǎng)絡(luò)及其終端設(shè)備)、受控核聚變技術(shù)、室溫超導(dǎo)技術(shù)、高能電磁和激光技術(shù)、超冷技術(shù)、高效能交通物流網(wǎng)絡(luò)等為代表的人類第四次工業(yè)革命，目前正在加速進(jìn)程中，其本質(zhì)，實(shí)際上仍是致力于制造能力和水平的極大提高，即實(shí)現(xiàn)更快、更強(qiáng)、更高效能。而要達(dá)到這樣的目標(biāo)，獲取“高能態(tài)和高能態(tài)調(diào)控”是一個(gè)首要的核心問題，而“沖擊波”(也叫激波，shock?wave，sw)是高能態(tài)聯(lián)系材料層次結(jié)構(gòu)之宏觀物態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)的一個(gè)主要線索。

27、沖擊波具有顯著的宏觀態(tài)變效果，其基礎(chǔ)卻在于對材料微結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)形成了微質(zhì)點(diǎn)群的集群式應(yīng)激反應(yīng)，類似于激光產(chǎn)生的機(jī)理，即從波動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)來看，激光與激波都具有波的屬性。從能量的發(fā)射、接受、態(tài)變和傳遞的角度看，機(jī)械加工或高速碰撞，與黑體輻射、熱輻射、光電效應(yīng)、x射線、牛頓擺、聲傳播、電磁效應(yīng)、激光、太赫波、雷達(dá)信號、爆炸、超臨界效應(yīng)、超流超導(dǎo)效應(yīng)等類似，雖然形式和形態(tài)千變?nèi)f化，其基礎(chǔ)其實(shí)都是一個(gè)：物質(zhì)與能量的交互作用，或者更確切地說，是凝聚態(tài)(大多數(shù)情況是晶格網(wǎng)格結(jié)構(gòu))對于不同能級標(biāo)度的能量流(氣流、液流、電流、電磁波、聲波、機(jī)械波、沖擊波等)的接受、應(yīng)激、傳導(dǎo)和反饋。機(jī)械加工作用不過是這種物理過程的一個(gè)環(huán)節(jié)而已。隨著測量技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的變化可以對宏觀加工效果造成巨大影響，新材料的研發(fā)本質(zhì)上是建立在微結(jié)構(gòu)調(diào)控的基礎(chǔ)上的，于是，根據(jù)這種影響而設(shè)計(jì)建造了更先進(jìn)的加工技術(shù)裝備，推動(dòng)了材料、元器件、零部件和集成技術(shù)的進(jìn)步。

28、為了進(jìn)一步提高效能，順承“二次量子革命”和“四次產(chǎn)業(yè)革命”并助推這種趨勢，有必要在分析沖擊波的本質(zhì)、作用和價(jià)值基礎(chǔ)上，進(jìn)行新型制造方式的設(shè)計(jì)或改進(jìn)。

29、雷擊破壞可能是人類感受的第一類沖擊波事件，那時(shí)候面對這種突如其來的災(zāi)害沒有科學(xué)的認(rèn)知也無法躲避，只能歸結(jié)為“天神發(fā)怒”之類的想像。人類運(yùn)用沖擊波最早是在軍事上，以火藥爆燃獲取高能態(tài)的氣流沖擊波，賦予槍彈和炮彈以高強(qiáng)動(dòng)能，比傳統(tǒng)的弓弩箭矢具有更強(qiáng)大的毀傷能力。對空氣動(dòng)力學(xué)的研究則表明物體行進(jìn)速度超過聲速就會形成激波，由此而發(fā)明了超音速飛行器。對“彈丸—靶體”間高速碰撞的研究揭示了固體內(nèi)沖擊波發(fā)生和傳播的一些特點(diǎn)。醫(yī)學(xué)上可以用液電沖擊波來做對人體無損傷的內(nèi)臟結(jié)石破碎手術(shù)(體外沖擊波治療)。利用高壓水槍、激光、等離子體、電火花等高能物態(tài)造成的沖擊波可以進(jìn)行金屬材料的切割加工。而高能電脈沖－電弧熱能夠在瞬間完成對焊絲端頭的熔化并利用剩余的能量把熔滴推射到工件表面或焊縫中，這個(gè)過程是電壓－電流的功率沖擊波能量大部分轉(zhuǎn)化為對焊絲材料的加熱升溫(熱容熱)和熔化潛熱，只有很小部分供給對熔滴的推送。

30、電火花和電弧都是電脈沖表現(xiàn)的能量釋放形態(tài)之一，它們因電磁和高壓電離擊穿效應(yīng)而致熱，以極高的效能實(shí)現(xiàn)金屬導(dǎo)體材料的瞬間高溫熔化和“微區(qū)重構(gòu)”，達(dá)到從固態(tài)到液態(tài)的相變，從而實(shí)現(xiàn)切割功能，而當(dāng)熔融態(tài)因冷卻而再度凝固時(shí)，又能把原來分離的固態(tài)材料連為一體。由此可見，高能的電脈沖沖擊波通過“瞬態(tài)相變”，既能實(shí)施分割加工，又能執(zhí)行連接組合。對于室溫作業(yè)環(huán)境來說，只要能夠?qū)崿F(xiàn)對金屬等晶體材料的“瞬態(tài)熔化”這一個(gè)相變，自然能夠達(dá)成材料的“分離”和“連接”兩種功能，因?yàn)楦呷埸c(diǎn)液態(tài)材料的凝固是可以自然發(fā)生的。由此，電磁熱工工藝可以實(shí)現(xiàn)離解和連接兩種相反的制造方式的統(tǒng)一，具有高效制造的潛力。

31、瞬態(tài)熔化，在宏觀尺度上不容易實(shí)現(xiàn)，在微觀尺度上則可以利用電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。量子物理研究指出，室溫自然狀態(tài)原子晶格的振蕩頻率為1012hz，即每秒達(dá)萬億次以上，通過電流脈沖的電磁效應(yīng)疊加原子振蕩(類似蕩秋千的推送效應(yīng))，使之越過系統(tǒng)平衡態(tài)的勢能壁壘，原子們掙脫其平均晶格勢阱的限制，成為半自由的團(tuán)簇組合態(tài)，在宏觀上即可成為流體——在宏觀上需要快速升溫到上千攝氏度又須充分供給熔化潛熱的分段式復(fù)雜物理過程，在微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)制下變得十分簡單而短暫，因?yàn)榫唧w有多少個(gè)原子、晶粒或質(zhì)點(diǎn)參與了疊加振蕩，以及各質(zhì)點(diǎn)振蕩的強(qiáng)度具體多大，是不需要關(guān)心的，我們只要控制電流強(qiáng)度(電壓)和脈沖頻率就可以，顯然，這在宏觀上須體現(xiàn)為一種沖擊波效應(yīng)，即能量集中于小區(qū)域質(zhì)點(diǎn)集群(焊絲端頭)以產(chǎn)生突變效應(yīng)。

32、關(guān)于單次脈沖所能熔噴的質(zhì)量有多大，理論上似乎可以計(jì)算，但在對沖擊波深入研究之前主要依賴于試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)積累。比如，槍型、炮型、彈型和火炸藥當(dāng)量規(guī)定了每顆子彈或炮彈的裝藥量，是槍械和彈藥長期運(yùn)用、改進(jìn)、研發(fā)等技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果，又如，焊機(jī)提供的電壓電流、焊絲材質(zhì)、端頭與工件距離及其伸縮頻率等決定了焊絲熔噴質(zhì)量和消耗速度，也是焊接工藝長期運(yùn)用、改進(jìn)、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果——質(zhì)量參數(shù)看起來是可以根據(jù)目的和需要進(jìn)行靈活調(diào)控的；從理論計(jì)算的角度看，具體的質(zhì)量數(shù)首先看沖擊波脈沖能量大小，然后看耦合材料本身的理化性能如導(dǎo)電導(dǎo)熱性、密度、熱容、熔化潛熱、液態(tài)黏度等，以及是否經(jīng)過“固→液相變”或者其它類型的相變，還有耦合體積、耦合溫度、熔噴速度隨時(shí)可變——這屬于典型的“時(shí)間短暫、經(jīng)歷復(fù)雜”的過程，影響因素太多且多變，計(jì)算結(jié)果也不可能精準(zhǔn)。由此可見，量子范域內(nèi)的物質(zhì)與能量問題，因遵從“不確定性原理”，要獲得宏觀狀態(tài)精確定量的能量密度和對應(yīng)質(zhì)量，不能只依賴計(jì)算，首先是要通過不斷地試驗(yàn)，實(shí)測，積累數(shù)據(jù)，細(xì)分用途，明確目標(biāo)，然后再建模、優(yōu)化、檢驗(yàn)，循環(huán)往復(fù)，直到形成一個(gè)領(lǐng)域一種目標(biāo)的工藝路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即建立“宏觀確定性”，再開發(fā)相應(yīng)的專用設(shè)備組合，以保證目標(biāo)達(dá)成，然后降本增效，批量生產(chǎn)。

33、沖擊波脈沖及其與工作介質(zhì)的耦合，顯然具有量子物理的特征，即具有不確定性，每個(gè)脈沖需要多少能量或者多大功率，無法、也沒有必要精確計(jì)算，從宏觀態(tài)考慮，關(guān)鍵是在于必須能夠提供高于“能級下限”的能量需求，達(dá)到宏觀顯著性，以此作為“宏觀確定性”的最低能級標(biāo)度。從微觀的不確定性到宏觀態(tài)下的確定性，這中間有一個(gè)變化的尺度問題，自然狀態(tài)下物質(zhì)材料的微結(jié)構(gòu)之間存在著永不停息的相互擾動(dòng)，但并不能引起體系宏觀的態(tài)變，體系保持著靜態(tài)的平衡，這樣的擾動(dòng)只能視為微弱擾動(dòng)。而強(qiáng)烈的擾動(dòng)則能夠打破體系的靜態(tài)平衡，使體系發(fā)生確定的宏觀態(tài)變，相應(yīng)地，可將造成宏觀形態(tài)變異的擾動(dòng)稱為“強(qiáng)擾動(dòng)”。

34、“強(qiáng)擾動(dòng)態(tài)”在材料學(xué)方面的另一描述，是“短歷時(shí)過程的大變形、大變性”，比如高速碰撞、爆炸、高壓擊穿、系統(tǒng)突然崩塌或恒星坍縮等，這些現(xiàn)象的共同特征，是由于高強(qiáng)度擾動(dòng)(一般是高能量脈沖沖擊波漲落效應(yīng))超過了物質(zhì)材料的抗力而導(dǎo)致的本構(gòu)特征的突然性破壞。但是，對于開發(fā)新材料來說，利用高強(qiáng)度擾動(dòng)探測材料的極限性能，或者達(dá)到常規(guī)手段無法實(shí)現(xiàn)的材料性能提升，是一個(gè)新的角度，值得深入研究。這需要把結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、高速碰撞動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的知識和技術(shù)聯(lián)系起來，同時(shí)把經(jīng)典力學(xué)與量子力學(xué)、牛頓運(yùn)動(dòng)方程與波動(dòng)方程等學(xué)科領(lǐng)域的物理數(shù)學(xué)方法結(jié)合起來。

35、沖擊波的微觀不確定性和宏觀確定性，必然涉及到具有“自組織臨界性－近似冪律的長程關(guān)聯(lián)”的現(xiàn)象及規(guī)律，即混沌態(tài)，在這個(gè)理論的框架下，沖擊波的宏觀效應(yīng)，與物質(zhì)相變、天氣變化到出現(xiàn)降雨、森林出現(xiàn)火災(zāi)、雪崩、大腦活動(dòng)等現(xiàn)象具有類似的動(dòng)力學(xué)特征，即所謂爆發(fā)動(dòng)力學(xué)，其典型特征，是“系統(tǒng)對初始條件的極端敏感性”。

36、沖擊波和耦合效應(yīng)。最具表征性的沖擊波是核爆(nuclear?explosion)。1945年7月16日人類試爆了第1顆原子彈，爆炸當(dāng)量大約2萬噸tnt(即8.4×1013j)，對此美軍方只公布了一系列反映爆炸后火球隨著時(shí)間擴(kuò)展的照片(其中包括0.10ms到1.93ms等時(shí)間間隔的14幀火球照片)，比如沖擊波球面半徑在25ms內(nèi)膨脹到130米(圖1)；但1950年，英國力學(xué)家g.i.泰勒在原子彈各種數(shù)據(jù)信息仍處于絕密狀態(tài)時(shí)，僅僅根據(jù)公布的照片序列，就將原子彈釋放的能量e計(jì)算了出來，其估計(jì)值非常接近美國總統(tǒng)后來公布的值(差值約15％)。他創(chuàng)造的計(jì)算公式為e＝ρr5/t2，是按照“量綱齊次/湊單位”原則，假設(shè)核爆球形沖擊波半徑r，僅僅依賴于爆炸后的時(shí)間t、爆炸瞬間所釋放的能量e、無量綱常數(shù)c以及空氣密度ρ，從歸一化原則得到r＝ctx?eyρz，分別用長度、時(shí)間、能量、密度的國際單位進(jìn)行代入衡量，即可求得x、y、z值。由此得到r＝c(et2/ρ)1/5,因c是比熱比的低階函數(shù)，無量綱，在任何條件下都近似為1。則可以推出爆炸所釋放的能量為e＝ρr5/t2。這就是核爆沖擊波能量的泰勒經(jīng)驗(yàn)公式[1]。

37、注意到在該式中，e∝r5＝r3·r2，而4πr3/3是球的體積值v，4πr2是球的表面積值s，因此，原子彈或其沖擊波能量，作為極短暫瞬間(從約10-15秒到約10-4秒)釋放的點(diǎn)源超高功率能，在其有效作用時(shí)間和空間內(nèi)，是突破了凝聚態(tài)物質(zhì)以原子鍵合勢能為根本組合架構(gòu)的特征態(tài)，從而對其作用范域內(nèi)的一切物質(zhì)和物體，達(dá)成了架構(gòu)解體(做高倍體積功)和表面質(zhì)點(diǎn)離散(把表面能“清零”)的毀滅性效果，即超高溫高壓汽化直至等離子體化。這種瞬間的態(tài)變跨越了幾個(gè)相變(固、液、氣及各種中間相)，是高能態(tài)的“質(zhì)-能耦合”，相當(dāng)于遭遇數(shù)學(xué)或物理學(xué)意義上的“無窮大”，核爆點(diǎn)可稱為“時(shí)空奇點(diǎn)(spacetime?singularity)”。

38、如果把r5替換成沖擊波火球體的體積v和表面積s的關(guān)系，則g.i.泰勒推導(dǎo)的核爆沖擊波能量對有效作用時(shí)空的關(guān)系式可寫成：e＝3ρvs/(4πt)2。這樣就清晰地揭示出sw沖擊波能量e與其有效作用范域球體(球諧函數(shù))的體積v、表面積s和時(shí)間t的關(guān)系，即耦合態(tài)(coupling?st?ate)。耦合態(tài)中的時(shí)間t只能處于費(fèi)秒(fs，10-15s)、皮秒(ps，10-12s)、納秒(ns，10-9s)、微秒(μs，10-6s)、毫秒(ms，10-3s)的時(shí)限以內(nèi)，分別對應(yīng)著核裂變、原子響應(yīng)、晶格響應(yīng)(光電效應(yīng))、晶核團(tuán)簇序破壞、晶界響應(yīng)破壞的時(shí)間尺度。更大的時(shí)間尺度則觸及到宏觀的凝聚態(tài)特征，屬于高能耦合態(tài)對稱性破缺、質(zhì)點(diǎn)粒子無序性和離散性增加、物質(zhì)開始出現(xiàn)長程序序參量主導(dǎo)表觀物性的經(jīng)典物理學(xué)范疇，即“混沌態(tài)中的有序性”。反之則可認(rèn)定，沖擊波是量子物理學(xué)、或者量子物理向經(jīng)典物理過渡的范疇，必須立足量子物理觀念并結(jié)合、借鑒經(jīng)典物理學(xué)的科學(xué)手段研究沖擊波現(xiàn)象和事件?？傊瑳_擊波產(chǎn)生的“瞬時(shí)性”通常只能在毫秒或微秒以下，除非核爆級當(dāng)量，或者具有同步球面對稱性的匯聚波，毫秒或更長的響應(yīng)時(shí)間一般不足以導(dǎo)致沖擊波事件。

39、時(shí)間尺度對應(yīng)的空間尺度一般具有相同或相近的格或級，即費(fèi)秒(fs)、皮秒(ps)、納秒(ns)、微秒(μs)、毫秒(ms)分別對應(yīng)著費(fèi)米(fm，10-15m)、皮米(pm，10-12m)、納米(nm，10-9m)、微米(μm，10-6m)、毫米(mm，10-3m)。但是，對于具有球面對稱或圓弧面對稱的匯聚波，由于具有“同步向心”的運(yùn)動(dòng)特征，即使起始于較大的尺度，仍然能夠形成沖擊波效應(yīng)，比如錢塘江潮，從海面向喇叭口倒灌的水波同步匯聚到較窄江橋附近、遭遇堤壩阻遏時(shí)，就會突然激發(fā)數(shù)丈高的沖擊波。這是大容量潮汐溯流能量串級(energy?cascading,又稱ec效應(yīng))達(dá)到尺寸同步，終于達(dá)到質(zhì)能交互形成強(qiáng)大耦合場的結(jié)果。而同步特征，直接聯(lián)系著物質(zhì)時(shí)空分布和運(yùn)動(dòng)的對稱性原理及其對稱性破缺理論，是宇宙大爆炸、規(guī)范對稱性及動(dòng)量、能量、角動(dòng)量守恒理論和法則的底層邏輯。

40、核爆沖擊波巨大的破壞性，促使人們對其物理效應(yīng)及其發(fā)生機(jī)理的深入研究，進(jìn)而推動(dòng)了科技的進(jìn)步。其中，sw能量釋放的瞬時(shí)性和強(qiáng)擾動(dòng)性，產(chǎn)生了以“點(diǎn)爆小范圍局域性事件”對作用介質(zhì)的“大范圍局域性結(jié)構(gòu)變態(tài)”的效果，“核彈小范圍”與“災(zāi)難大范圍”形成極其強(qiáng)烈的對比，即點(diǎn)爆鄰近介質(zhì)(有效作用空間內(nèi))在瞬間發(fā)生跨越式相變，而當(dāng)sw過后更大范圍空間的介質(zhì)又力圖把破壞的狀態(tài)回復(fù)至原始態(tài)——卻又不能完全回復(fù)(因?yàn)楦邷馗邏合履承┓磻?yīng)的結(jié)果在常溫常壓下無法回復(fù)，即沒有逆反應(yīng))，這與爆破工程相似，即巖礦雖被炸藥sw所崩解，而大氣壓和空氣組分在過后一段時(shí)間內(nèi)基本可回復(fù)正?！猻w有效作用空間內(nèi)，在事件之后和事件之前的狀態(tài)已經(jīng)明顯有所不同，但在更大的物質(zhì)時(shí)空范圍內(nèi)，事件的影響效果不明顯?？偠灾?，sw作用的特點(diǎn)是：有時(shí)空界限，在時(shí)空界限內(nèi)sw事件幾乎改變了一切，但在時(shí)空界限外、距離事件中心越久遠(yuǎn)，受到事件的影響和變化越不明顯。sw在介質(zhì)中高能釋放及傳播的瞬間，可稱為耦合作用。

41、sw與耦合介質(zhì)的種類和物相狀態(tài)直接相關(guān)。同當(dāng)量的sw事件在固態(tài)和液態(tài)、空氣和水中，其有效時(shí)空界限明顯不同，物態(tài)的密度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱、黏度、界面張力和流動(dòng)態(tài)等本構(gòu)特征和應(yīng)激變化特征，都影響著sw事件的有效時(shí)空界限。簡言之，sw能態(tài)(總能量和釋放功率)與作用介質(zhì)物態(tài)，作為“作用”與“反作用”一對矛盾因素，共同決定著有效時(shí)空界面及其擴(kuò)展特征。這種特征屬于相對論效應(yīng)，與牛頓的作用力與反作用力定律相比較，牛頓定律中矛盾雙方的“同時(shí)性”和“反向性”，對應(yīng)著sw事件的“延時(shí)性”和“擴(kuò)張～衰減性”，因此牛頓定律已經(jīng)不足以完全描述和解釋沖擊波的耦合效應(yīng)。

42、如果運(yùn)用微分的思想，隨機(jī)選取沖擊波波陣面的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)面元，進(jìn)行受力狀態(tài)分析，理論上可以把該點(diǎn)或面元所受的暴脹張力與介質(zhì)對面元產(chǎn)生的反向擠壓力進(jìn)行“平衡態(tài)”或者動(dòng)態(tài)分析，這種情況下依舊要利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律，來建立微分方程。由于實(shí)際涉及的變量過多，而核爆能量釋放的時(shí)間又十分短暫(熱中子致核裂變增益鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的有效時(shí)間不超過0.1毫秒，即10-4s，超過這個(gè)時(shí)限核材料本身會因熱脹蒸發(fā)、徹底散逸而使鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)終止，如廣島原子彈64kg核燃料實(shí)際參與裂變僅有約1kg)，因此在鄰近爆點(diǎn)的區(qū)域難以建立精確的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程，而對于核爆這種量級的sw事件，要么不發(fā)生，一旦發(fā)生就不可能利用人工技術(shù)手段使其中斷以避免損失，所有減損手段都只能在躲避、事后補(bǔ)救和預(yù)防的范疇內(nèi)考量，這種情況下，g.i.泰勒的經(jīng)驗(yàn)公式已經(jīng)給出了足夠啟發(fā)。因此，從宏觀角度看，核爆sw是瞬時(shí)高能釋放事件；而站在sw本身的能量和時(shí)空尺度看，是典型的“短歷時(shí)、大變形”事件，甚至造成了時(shí)空的連續(xù)性中斷——即從“小時(shí)空極高質(zhì)能密度態(tài)(核彈靜態(tài)，不到1個(gè)足球大小)”→極點(diǎn)躍變(引爆：鏈?zhǔn)椒磻?yīng)開始到核裂變結(jié)束)→時(shí)空“中斷(溫度和壓力在毫秒內(nèi)以108量級躍升)”→核時(shí)空擴(kuò)張(降維)……，對這類事件實(shí)際演變過程的精準(zhǔn)理論描述仍在發(fā)展和完善。

43、但是，正如泰勒公式給出的啟發(fā)，通過從結(jié)果反推原因，人們早已掌握了核能的和平利用技術(shù)，核電已經(jīng)成為人類的重要能源。與此同時(shí)，沖擊波sw這種形式的釋能事件，也日益受到更多關(guān)注。

44、如同和平利用核能一樣，隨著對sw認(rèn)識的加深，人們已知除了核爆、地震波、高爆化學(xué)品等產(chǎn)生的不可控sw及工程用半可控sw之外，還可以利用電、熱、光、機(jī)械等多種方式產(chǎn)生可控sw，并已開發(fā)出液電、電磁、壓電、聚能激光、微爆炸、氣動(dòng)等技術(shù)和裝置，其效能通過耦合介質(zhì)的應(yīng)激反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)、傳播、能量轉(zhuǎn)換和介微結(jié)構(gòu)的改變。比如，醫(yī)療用sw能量可以通過人體組織本身作為傳導(dǎo)介質(zhì)到達(dá)病灶位置，通過對病灶位置的生物組織的激活效應(yīng)、對壞死組織的分離效應(yīng)，而產(chǎn)生治療作用，也可以利用較強(qiáng)的體外sw脈沖能量達(dá)到無創(chuàng)治療結(jié)石的效果。

45、作為機(jī)械波，醫(yī)用sw能在極短的時(shí)間內(nèi)(約10納秒/ns)達(dá)到高峰壓(50～100mpa)，周期短(小于10微秒/μs)，能在介質(zhì)中膨脹和聚焦，從而改變介質(zhì)的密度，其傳播方式是通過介質(zhì)沿著傳播方向交替地壓縮和舒張來實(shí)現(xiàn)。典型sw波形見圖2。

46、高能sw在傳播過程中，隨著傳播介質(zhì)的可壓縮性減小而傳播速度加快，高能量與介質(zhì)相互作用而使波形前沿瞬間變陡，而在波陣面過后又形成一個(gè)負(fù)壓狀態(tài)，這可稱為“截?cái)鄼C(jī)制”，即沖擊波在介質(zhì)中形成顯著時(shí)空界限，超過了界限則質(zhì)能耦合態(tài)自然解體或者過渡到低一級的耦合態(tài)，比如由塑性波態(tài)轉(zhuǎn)為彈性波態(tài)；這種截?cái)鄼C(jī)制，決定了沖擊波在實(shí)物介質(zhì)中的傳播是不連續(xù)的單峰波，具有量子化的物理特征。

47、sw波陣面過后形成的負(fù)壓延遲狀態(tài)，是沖擊波特有的現(xiàn)象，普通聲波、超聲波和電磁波都沒有這種現(xiàn)象，因此負(fù)壓相可以作為辨別沖擊波的一個(gè)根本性特征，是沖擊波的“指紋密碼”。究其本質(zhì)，可以把沖擊波形成階段看成“形成段”和“解構(gòu)段”兩個(gè)部分，比如在一個(gè)盛有足量水的容器中放電形成液電沖擊波的過程，形成段是水介質(zhì)吸收沖擊能量，但在納秒(ns)時(shí)限內(nèi)遇到的點(diǎn)源高能釋放的能級標(biāo)度，卻超過了點(diǎn)源周邊近鄰區(qū)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)變所能吸納的限度，即參與吸收能量的晶格數(shù)目和總?cè)萘坎蛔?，只能依靠晶格結(jié)構(gòu)解體、帶動(dòng)和撞擊更多的晶格來吸收能量，這樣就形成了介觀～宏觀上的“質(zhì)能耦合態(tài)”，達(dá)到高峰壓，所有參與吸收能量的晶格和質(zhì)點(diǎn)達(dá)到在納秒時(shí)限內(nèi)的同態(tài)化(可以理解為具有相同的振動(dòng)態(tài))，從而形成一個(gè)高能質(zhì)團(tuán)局域區(qū)；然而對于一個(gè)宏觀的平衡系統(tǒng)來說，所有破壞的晶格須在微秒時(shí)限內(nèi)回復(fù)到平衡態(tài)(狀態(tài)守恒)，于是質(zhì)能耦合態(tài)會自發(fā)解構(gòu)，自然過渡到?jīng)_擊波的解構(gòu)段，這一時(shí)刻，高壓能量已經(jīng)傳遞出去，而同態(tài)振子回復(fù)平衡態(tài)需要增加分散自由度，即需要增加動(dòng)能，這是一個(gè)熵增過程，這個(gè)熵增過程需要消耗一部分結(jié)構(gòu)勢能，而在此微秒級(μs)短暫的時(shí)間窗口期內(nèi)，局域區(qū)外的質(zhì)點(diǎn)來不及向局域區(qū)內(nèi)輸送能量，只能依靠局域區(qū)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)晶格自有的內(nèi)能儲備供應(yīng)本區(qū)域的熵增，而內(nèi)能的消耗則需要?jiǎng)菽艿奶钛a(bǔ)，勢能耗損形成的勢阱則表現(xiàn)為負(fù)壓。這樣由于質(zhì)點(diǎn)的慣性遲滯，無法對沖擊波峰壓過后形成的勢能真空及時(shí)填補(bǔ)，就形成了沖擊波特有的負(fù)壓相。由于密度不同，sw的正壓段與負(fù)壓段對應(yīng)著兩種不同的物相特征，而且兩種物相密度與介質(zhì)正常態(tài)的密度都不同，因此可以認(rèn)為沖擊波經(jīng)過的介質(zhì)經(jīng)歷了兩種相反的相變，即晶格壓縮到晶格松弛，盡管兩段時(shí)間不對等。

48、相比之下，普通的聲波或超聲波都是彈性波，不破壞介質(zhì)的宏觀本構(gòu)特征，既不存在介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)態(tài)及其晶格結(jié)構(gòu)的解構(gòu)和重組，也不存在傳播過程中的局域性質(zhì)點(diǎn)的熵增和勢阱，因此都不存在負(fù)壓相；電磁波由于光子沒有靜止質(zhì)量，沒有慣性遲滯，其傳播過程也沒有負(fù)壓相；而且，由于沒有負(fù)壓相，也就沒有“截?cái)嘈?yīng)”，因此無論普通聲波、超聲波還是電磁波，都能以連續(xù)波形態(tài)傳播，唯獨(dú)沖擊波必然是單個(gè)單個(gè)的脈沖傳播，這也是“質(zhì)能耦合”的實(shí)際效應(yīng)之一：沖擊波是兩種對偶(或互逆)相變的非對稱組合態(tài)。

49、由于電子的質(zhì)量極小，其電磁響應(yīng)速度或振動(dòng)頻率是原子的百倍以上，其慣性遲滯現(xiàn)象極其微弱，同時(shí)由于嚴(yán)格地遵循量子化的能級結(jié)構(gòu)，因此電子的波動(dòng)一般也不顯示負(fù)壓相，由于荷質(zhì)比(q/m)較質(zhì)子和原子核大得多而且本身極輕極小，其電場應(yīng)激反應(yīng)速度與光速相同，能夠通過高頻振蕩引發(fā)的電磁遲滯與晶格相互作用，使導(dǎo)體發(fā)生強(qiáng)烈的瞬間電磁熱效應(yīng)而本身消耗的能量極其微弱，故而成為電致沖擊波發(fā)生的優(yōu)異載流子體系，是滿足包含“固－液相變潛熱”需求的沖擊波制造的重要基礎(chǔ)，特別是對顯著質(zhì)量載荷的宏觀物態(tài)，大量電子承載的電流潮汐能，幾乎是大型可控沖擊波發(fā)生器的唯一基礎(chǔ)性能源。

50、渦旋(vortex)。核爆或堆積化學(xué)品猛烈的地表爆炸，在地球的大氣層內(nèi)常見的現(xiàn)象是蘑菇云，而另一伴生現(xiàn)象卻往往為人們所忽略：白色氣旋，即渦旋環(huán)。圖3展示了核爆、貝魯特大爆炸和埃特納火山噴發(fā)瞬間產(chǎn)生的蘑菇云和渦旋環(huán)。從產(chǎn)生的時(shí)間順序來看，渦旋環(huán)是處于引爆和閃光之后、蘑菇云高升之前和之外，從遠(yuǎn)處看過去，是先有白色氣旋，然后sw開始暴脹——這意味著渦旋環(huán)形成的能級較低——隨著爆心能量伴隨sw猛烈擴(kuò)張，渦旋環(huán)先是遠(yuǎn)遠(yuǎn)蕩開，然后消散。

51、日常生活中，渦旋或渦環(huán)(vortex?rings)是一種隨處可見、廣泛存在于各種物理系統(tǒng)中的環(huán)形的特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可在流體和氣體中傳播，例如水流中心或者臺風(fēng)中心的漩渦，甚至吸煙者偶爾從口中噴出的煙圈，都可以作為一個(gè)整體在空氣中移動(dòng)，顯示出一種獨(dú)立結(jié)構(gòu)，因此可稱其為“孤立子”。在拓?fù)鋵W(xué)中，它與紐結(jié)理論密切相關(guān)。

52、光學(xué)渦旋。在光學(xué)系統(tǒng)中也存在渦旋[2]，圖4給出了用于產(chǎn)生與表征光學(xué)時(shí)空渦旋的實(shí)驗(yàn)裝置(a)以及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的光學(xué)渦環(huán)的強(qiáng)度等值面(b)和不同切面位置處的渦旋相位分布(c)示意圖。

53、光學(xué)時(shí)空渦環(huán)的成功“制造”，在物理學(xué)上可以看成是一個(gè)現(xiàn)象級事件。它揭示了在宇宙時(shí)空中，連光子這種沒有靜止質(zhì)量、純粹表現(xiàn)為能量量子且可以被認(rèn)為代表最小能量單位、代表最高速度、充滿時(shí)空的“稀薄”物質(zhì)(玻色子，自旋為1)，都可以形成渦環(huán)態(tài)，則可以想象：凡是可流動(dòng)的、具有吸附力或黏度的有質(zhì)量的各種物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)和凝聚態(tài)物質(zhì)，在受到合適的擾動(dòng)力(能量)情況下，都可以產(chǎn)生渦環(huán)——即渦環(huán)是一種普遍現(xiàn)象，更進(jìn)一步而言，渦環(huán)是其平面中心發(fā)生垂直矢量沖擊、將介質(zhì)向外擠壓同時(shí)在軸向抽拉帶來的結(jié)果，或者是其周圍發(fā)生了向心擠壓沖擊的結(jié)果，是流體介質(zhì)中的一部分在擠壓沖擊下的同態(tài)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，類似一個(gè)環(huán)狀彈簧往一根柱體或錐體套裝的運(yùn)動(dòng)——邊平動(dòng)邊翻滾，但不會立即解體，甚至能較長時(shí)間存在。特別地，大氣中突然出現(xiàn)的渦環(huán)往往是沖擊波的標(biāo)志，如火山噴發(fā)、高能釋放事件等。渦環(huán)或渦旋揭示了隨處存在的時(shí)空曲率，而時(shí)空曲率則伴隨著引力或斥力，是時(shí)空中能量張量的物理表達(dá)。

54、降維。如果單純從能量能級標(biāo)度的角度看，核爆和sw事件，是高能態(tài)時(shí)空向低能態(tài)時(shí)空的降維事件：微小時(shí)空中的核力(強(qiáng)相互作用范圍為費(fèi)米fm，約10-15～10-14米)和化學(xué)鍵(約10-12～10-9米,即皮米pm～納米nm)，由于高能規(guī)范場的對稱性破缺而釋放能量，從四維時(shí)空降解到三維空間，在三維空間中以“無窮大”的現(xiàn)象彌漫。降維事件的典型特征是，從奇點(diǎn)(singularity)放出的能量以不可想象的烈度徹底改變了大時(shí)空范圍內(nèi)的物理形態(tài)(物理學(xué)上的奇點(diǎn)特指一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)空無限彎曲或具有無窮階導(dǎo)數(shù)、不能精確描述的那個(gè)點(diǎn))。

55、從物理學(xué)規(guī)律角度看，牛頓定律適用于三維空間宏觀態(tài)有顯著時(shí)間尺度“較慢的運(yùn)動(dòng)”描述，但對沖擊波的描述則顯然失去了精準(zhǔn)度，而相對論和量子力學(xué)對四維時(shí)空結(jié)構(gòu)向三維或準(zhǔn)二維轉(zhuǎn)化事件中的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和分布規(guī)律的描述更加有效，這種“短歷時(shí)大變化”都可以看作起源于四維時(shí)空中的事件，奇點(diǎn)則是四維向三維或者更低維度映射的發(fā)端和通道。拓?fù)鋵W(xué)則是研究這種維度之間變換的有效工具。

56、從拓?fù)鋵W(xué)觀點(diǎn)來看，渦旋中心可以認(rèn)為是各類物理量的奇點(diǎn)，對于二維平面渦旋結(jié)構(gòu)，渦旋中心是一個(gè)奇點(diǎn)，也可以稱之為一維奇點(diǎn)；相應(yīng)的，當(dāng)渦旋中心在三維空間中連接形成直線等空間軌跡，其對應(yīng)二維奇點(diǎn)；特別地，當(dāng)渦旋中心形成閉合圓形軌跡，該渦旋結(jié)構(gòu)被稱為環(huán)形渦旋(toroidal?vortices)或渦環(huán)。

57、渦旋的拓?fù)涮攸c(diǎn)，在生活中一個(gè)很直觀的例子是包餃子之前面皮的制作過程：面粉在加水混和成面團(tuán)時(shí)，是一個(gè)沒有虧格的球團(tuán)，手搓球團(tuán)的每個(gè)面點(diǎn)(淀粉分子團(tuán)簇)在水合氫鍵作用下，相鄰之間發(fā)生相互的聯(lián)結(jié)而纖維化，因此整個(gè)面團(tuán)可以視為一個(gè)塑性纖維球。從球團(tuán)中間破開一個(gè)孔，即生成了一個(gè)虧格，然后一邊拉扯一邊揉搓，球團(tuán)很快能隨手轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)圈環(huán)，由于這個(gè)圈環(huán)之前已經(jīng)過了成百上千次的反復(fù)揉搓擠壓變形，上面的每個(gè)面點(diǎn)都經(jīng)歷過多次的由內(nèi)而外、又由外而內(nèi)扭轉(zhuǎn)，相鄰面點(diǎn)之間錯(cuò)位、互繞、互嵌、融合、分離、粘連的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，如果放在三維空間坐標(biāo)上看，是一系列連續(xù)的點(diǎn)曲率隨機(jī)變化而成的復(fù)雜曲線，因此，面圈環(huán)是扭轉(zhuǎn)曲線的組合，也就是一個(gè)可塑性渦旋。把這個(gè)“渦旋”切斷抻直，就是一個(gè)長的圓柱體，圓柱體再按等長一段段切斷，把每一小段搟成皮，即相當(dāng)于從三維降解到二維平面。二維平面的餃皮，是從原始的三維球團(tuán)上取下來的，相當(dāng)于球團(tuán)的“切片”，它也是塑性纖維化的，它的纖維比球團(tuán)的纖維經(jīng)歷了更多的扭轉(zhuǎn)和纏結(jié)。

58、聲子的能級標(biāo)度。對紐結(jié)的研究，推動(dòng)了對dna這種雙螺旋分子結(jié)構(gòu)的研究。dna的扭曲、絞擰、打結(jié)、圈環(huán)、方向等等都會影響到dna的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組，進(jìn)而影響生命活動(dòng)。dna變形或折疊的尺度，暗示了生物體(生命)所能承受的沖擊波的耦合尺度及其強(qiáng)弱標(biāo)度范圍。

59、而對于非生命的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)生破壞的能級就是一種標(biāo)度。對晶體結(jié)構(gòu)而言，整個(gè)晶格振動(dòng)系統(tǒng)的哈密頓量為h＝t+u＝∑q0.5(|pq|2+ω2q|qq|2)(1.1)

60、其中pq＝qq稱為正則動(dòng)量。式(1.1)說明，晶格振動(dòng)的哈密頓量可表述為各獨(dú)立振動(dòng)模式即格波的能量之和；而每一個(gè)獨(dú)立振動(dòng)模式的能量

61、hq＝0.5|pq|2+0.5ω2q|qq|2(1.2)

62、為正則坐標(biāo)表達(dá)的簡諧振子的能量。按照量子力學(xué)，一個(gè)簡諧振子的能量本征值為

63、

64、其中nq取0、1、2、…等整數(shù)值。晶格振動(dòng)的能量量子稱為聲子。晶格振動(dòng)的總能量表示為

65、

66、晶格振動(dòng)的能量是量子化的，晶格振動(dòng)的能量量子稱為聲子；整個(gè)晶格振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可用聲子氣體來描述。聲子是玻色子，聲子數(shù)服從玻色統(tǒng)計(jì)室溫下聲子數(shù)與溫度t成正比。

67、聲子是固體材料中的一個(gè)基本的能量量子，對材料的多方面性質(zhì)都有著重要的影響。熱傳導(dǎo)現(xiàn)象就是聲子運(yùn)動(dòng)和相互作用的結(jié)果；聲子對材料的電阻有重要的影響，金屬電阻隨溫度升高而增大的現(xiàn)象主要就是聲子增多、對電子散射增強(qiáng)的結(jié)果；聲子還在超導(dǎo)現(xiàn)象中扮演著重要的角色，聲子與電子相互作用即電聲相互作用，使兩個(gè)電子結(jié)合成庫珀(coo?per)對，從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。

68、經(jīng)典理論中，由能量均分定理得到，原子的每一個(gè)自由度的平均能量是kbt(三維是3個(gè)自由度，所以一個(gè)原子的平均能量是3kbt)，其中0.5kbt是平均動(dòng)能，0.5kbt是平均勢能；則n個(gè)原子構(gòu)成的三維晶體的內(nèi)能為

69、e＝3nkbt(1.5)

70、晶格熱容量為

71、這是一個(gè)與溫度無關(guān)的常量。式(1.6)的結(jié)果稱為杜隆-珀替定律。

72、顯然，要使固體結(jié)構(gòu)遭到破壞，首先需要在一個(gè)預(yù)期的斷面上把界面上全部的晶格能克服掉，即從外部供給的最低能量量子為e＝3nkbt，若斷面上有n個(gè)晶格，則最小的破壞能量為ne＝3nnkbt。當(dāng)沖擊波的能量量子足夠大、數(shù)量足夠多時(shí)，在波陣面上的n個(gè)晶格才會遭到破壞。因此，沖擊波脈沖能量量子esw的最小值是3nnkbt，即esw＞3nnkbt。

73、流體的量子能級標(biāo)度。對流體來說，其晶格結(jié)構(gòu)是不完整的，由于具有自然的流動(dòng)性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度只能用界面張力(界面能)σif和黏度ηm這兩個(gè)指標(biāo)來表示，沖擊波需要具備克服這兩個(gè)指標(biāo)的能量量子能級和量子數(shù)，才能“破壞”流體的結(jié)構(gòu)。而這種破壞，只能表現(xiàn)為微結(jié)構(gòu)，即納米到微米的尺寸；至于更大的尺度，屬于流體自然具備的對外能量交換狀態(tài)(環(huán)境平衡態(tài))，沖擊波多余的能量只能瞬時(shí)改變其結(jié)構(gòu)組合，形成一種亞穩(wěn)的耦合態(tài)，隨后耦合態(tài)解體，組合態(tài)解構(gòu)，流體將以紊流或高壓射流方式釋放能量。

74、沖擊波能量標(biāo)度。從場效應(yīng)微分觀點(diǎn)看，引入沖擊波到流體中形成激波耦合態(tài)的條件，是引入到流體中的沖擊波能量φ須滿足一種物理數(shù)學(xué)模型，即把沖擊波在流體中的作用場，即沖擊曲面s，分割成無窮多份，并將每一份的面積記為ds，那么沖擊能量通過每一小份的流量dφ作為φ的散度量，可以由能流密度ed與其對應(yīng)的面積元ds的乘積表示，即dφ＝edds，對散度積分可得所需沖擊波的能級強(qiáng)度，在這一模型框架下，流(熔)體中沖擊波的能量標(biāo)度，可以從以下幾方面進(jìn)行下限調(diào)控。

75、①當(dāng)以波在流體中一個(gè)等效截面上的能流密度ed表示時(shí)，須滿足不等式ed＞σaf，式中σaf代表流體中任一位置的面積元內(nèi)的表面或界面的張力或界面能(單位：牛頓/米n/m或焦耳/平方米j/m2，兩個(gè)單位是等價(jià)的，ed的量綱為mj/mm2，相當(dāng)于103j/m2，即1mj/mm2＝1000j/m2)。

76、②當(dāng)以波的傳播相速度cp表示時(shí)，須滿足不等式cp＞σif/ηm，式中σif代表流體的界面張力或界面能(單位：牛頓/米n/m或焦耳/平方米j/m2，兩個(gè)單位是等價(jià)的)，ηm代表流體的動(dòng)力黏度(單位：牛頓·秒/平方米n·s/m2或帕斯卡秒pa·s，兩個(gè)單位是等價(jià)的)。

77、③當(dāng)以波在流體中引起的質(zhì)點(diǎn)擬動(dòng)速度cn表示時(shí)，須滿足不等式cn＞(retηm)/(dρm)，式中ret代表流體處于紊流或湍流狀態(tài)的雷諾數(shù)，ηm代表流體的動(dòng)力黏度，d代表聚焦沖擊波形成的焦斑直徑(單位：米m)，ρm代表流體密度(單位：千克/立方米kg/m3)；前述質(zhì)點(diǎn)擬動(dòng)速度，是指把流體看成牛頓流體，把沖擊波壓力看成流體驅(qū)動(dòng)力的情景下，以微分視角觀察流體體積元質(zhì)點(diǎn)可以獲得的初始瞬時(shí)速度，不代表宏觀尺度上流體介質(zhì)的速度。

78、④當(dāng)以沖擊波場在流體中的作用半徑r(單位：米m)及該場界面的壓力pf表示時(shí)，須滿足不等式rpf＞σif，式中作用半徑r代表沖擊波源點(diǎn)或焦點(diǎn)到流體沖擊波場界面的距離，σif代表流體的界面張力或界面能。

79、⑤當(dāng)需要沖擊波執(zhí)行對凝固界面進(jìn)行重新熔化、使結(jié)晶質(zhì)點(diǎn)重新具備流態(tài)化特征，或者使熔體表現(xiàn)為近超流態(tài)時(shí)，引入的沖擊波能級標(biāo)度選擇，應(yīng)首先考慮熔體合金的熱容熱e＝3nkbt和熔化潛熱lm這兩項(xiàng)之和，而后再考慮按上述ed＞σaf、cp＞σif/ηm、cn＞(retηm)/(dρm)、rpf＞σif的一種或幾種，進(jìn)行引入到流體中的沖擊波能量φ值的設(shè)計(jì)，比如φ＞3nkbt+lm+σaf。

80、⑥保障沖擊波-介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈耦合的能量是泰勒經(jīng)驗(yàn)公式e＝ρcr5/t2，可設(shè)φ＞ρd/t2，這里的c是耦合介質(zhì)的熱容比，可通過實(shí)驗(yàn)求得；r可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，比如需要炮彈打到多遠(yuǎn)的距離d，按d＝cr5/n進(jìn)行折算(n取整數(shù))，通過實(shí)驗(yàn)得到不同r值對應(yīng)的d值；其它情況的沖擊波可以參照這種模式進(jìn)行能量設(shè)計(jì)。

81、沖擊波“耦合－解耦”的時(shí)間和速度。從前述醫(yī)用沖擊波波形很容易看到，沖擊波的正壓相和負(fù)壓相，大致可以看成是與作用介質(zhì)的耦合態(tài)和解耦態(tài)，即高能態(tài)和低能態(tài)；從時(shí)間分布來看，解耦的過程可以從升壓到降壓的轉(zhuǎn)折點(diǎn)開始算起，直到波形回復(fù)到正常壓力態(tài)結(jié)束，這個(gè)時(shí)間段占據(jù)了整個(gè)沖擊波脈沖時(shí)間的絕大部分。如果以此為標(biāo)準(zhǔn)看待沖擊波的介質(zhì)耦合與解耦的時(shí)間分布狀態(tài)，顯然，解耦時(shí)間比耦合時(shí)間長得多，大概是耦合時(shí)間的數(shù)百倍至上千倍；需要注意的是，沖擊波波形是從作用介質(zhì)中一個(gè)點(diǎn)的壓力變化得到的波形，代表著該點(diǎn)的壓力變化速度，但并不代表沖擊波本身在介質(zhì)中的傳播速度；作為真實(shí)的流體，無論是合金熔體、水溶液、有機(jī)溶劑還是導(dǎo)體中的電子電流，都有黏度(電阻和電抗可以認(rèn)為是電子的運(yùn)動(dòng)黏度)，因此作為在介質(zhì)中傳遞的波動(dòng)能量，波動(dòng)本身的傳播速度不可能超過波壓變化的速度，即流體中波的傳播速度必小于一個(gè)波脈沖周期完成的速度，換成時(shí)間關(guān)系來說，脈沖在介質(zhì)中移動(dòng)一個(gè)周期相位的時(shí)間，必然長于脈沖本身所占用的時(shí)間。黏性流體對于在其中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量脈沖結(jié)構(gòu)屬于耗散體系，在黏性流體中傳播，沖擊波能量不可避免地連續(xù)損耗，這種損耗對于沖擊波的傳播速度也是一種連續(xù)的遲滯效應(yīng)，基于沖擊波損耗及遲滯，在一定的宏觀尺度上即構(gòu)成能級結(jié)構(gòu)的降維映射，順從這種降維映射而改變流體介質(zhì)的外形約束(場約束)，即可使流體介質(zhì)演變成需要的射流體，或者稱之為高動(dòng)能介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)群的流體?？傊?，沖擊波解耦時(shí)間大于耦合時(shí)間2～3個(gè)數(shù)量級、以及隨著傳播距離增長而傳播速度減小的機(jī)制，為降維導(dǎo)控的約束手段的實(shí)施創(chuàng)造了條件，也使“導(dǎo)控降維”的方法具有了實(shí)際的可行性。圖5[3]和圖6[4]可以分別表示沖擊波在流體介質(zhì)中的形成段和解體段，即耦合段和解耦段?；煦绨l(fā)展的邏輯映射特性－具有自相似性和分形結(jié)構(gòu)的無窮多個(gè)倍周期解，在超過3個(gè)周期以后即變得不可預(yù)見。

82、沖擊波傳播的混沌特征(chaos)。高能耦合態(tài)對稱性破缺后，質(zhì)點(diǎn)粒子無序性和離散性增加、物質(zhì)開始進(jìn)入出現(xiàn)長程序序參量主導(dǎo)表觀物性的經(jīng)典物理學(xué)范疇，即“混沌態(tài)中的有序性”,符合“離散混沌”的邏輯映射關(guān)系式xk+1＝αxk(1-xk)所描述的迭代變化規(guī)律，即迭代變化－分叉現(xiàn)象的倍周期規(guī)律，如圖6。該圖形象地揭示了沖擊波的“耦合－解耦”在黏性流體中經(jīng)過3個(gè)以上不均勻的周期后對整體質(zhì)點(diǎn)群系統(tǒng)形成的擾動(dòng)，其物理意義可以理解為：點(diǎn)源沖擊波經(jīng)過一定的距離后演變?yōu)檎麄€(gè)系統(tǒng)的壓力張量場。

83、渦旋的時(shí)空映射(time-space?mapping)。維度變換(升維或降維)拓?fù)涞臄?shù)學(xué)方法，一般要用到復(fù)變函數(shù)中的保角映射(conformal?mapping)，這也是實(shí)現(xiàn)光學(xué)渦環(huán)的重要調(diào)控手段，它可以實(shí)現(xiàn)幾何坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。

84、圖7(a)所示，在軌道角動(dòng)量分選中，保角映射將極坐標(biāo)系中的渦旋相位映射至直角坐標(biāo)系中的梯度相位(降維映射)；反之，可以將直角坐標(biāo)映射至極坐標(biāo)(升維映射)，而產(chǎn)生光學(xué)渦環(huán)正是利用了這一點(diǎn)。在二維平面中，保角映射將直線映射為圓，而在三維空間中，其將圓柱面映射為圓環(huán)面。圖7(b)給出了形成光學(xué)渦環(huán)的示意圖，細(xì)長的渦旋管經(jīng)過空間傳播演化形成渦旋環(huán)——這可以視為升維映射，因?yàn)?，如果光渦旋管是相對“無限長”的(光量子數(shù)相對無限地增加)，對應(yīng)的渦旋環(huán)直徑不需要變大，只要其光子“濃度”增大、或者說光場強(qiáng)度升級，即可以表達(dá)這種能量升高效應(yīng)。圖7(c)給出了光學(xué)映射過程中需要的變換相位及校正相位。

85、德國數(shù)學(xué)家霍普夫(heinz?hopf)發(fā)現(xiàn)了從四維空間的超球面s3到三維空間普通球面s2的“多對一”連續(xù)映射，映射的對象稱為標(biāo)量霍普夫子(hopfion)。在幾何上，單位球面sn表示n+1維實(shí)空間rn+1中與原點(diǎn)距離為1的點(diǎn)的集合。如圖8(a)、(b)所示，s1是二維平面中的單位圓，s2是三維空間中的球面，而更高維的球面則很難想象。若要直觀地觀察高維球面的性質(zhì)，可以利用空間立體角投影(stereographic?projection)來降低維度，從而在可觀察的空間中了解高維球面的性質(zhì)。對于單位圓s1，取圓上的一點(diǎn)并與其他點(diǎn)連線，即可將其投影至一條直線上，如圖8(a)所示。類似地，三維球面s2可以投影到二維平面，球面上的緯線被投影至二維平面上的圓，如圖8(b)所示。在投影過程中除了投影點(diǎn)外，其他點(diǎn)在投影前后是一一對應(yīng)的，投影過程也是連續(xù)的。

86、對于四維超球面，它將被投影至“整個(gè)三維空間(意為三維空間需要多大就可以有多大)”，球面上的緯線將投影至三維空間中的圓環(huán)面(外形如救生圈，與救生圈不同的是，圓環(huán)面是實(shí)心的，而且是環(huán)狀纖維鏈絞纏紐結(jié)的環(huán)簇)，如圖8(c)所示。在定義中，四維球面的中軸表示時(shí)間軸，即事件從南極點(diǎn)開始，到北極點(diǎn)結(jié)束。球面上各維度線對應(yīng)著三維空間中不同外徑的嵌套圓環(huán)面，它們都起始于環(huán)狀奇點(diǎn)——南極點(diǎn)，即當(dāng)超球面上的緯線逐漸向南極點(diǎn)靠近時(shí)，投影空間中的圓環(huán)面將逐漸縮小，當(dāng)緯線移動(dòng)至南極點(diǎn)時(shí)，圓環(huán)面將變?yōu)橐粋€(gè)單位圓，如圖8(c)r3中深色圈環(huán)線所示；與之相反，當(dāng)超球面上的緯線逐漸向北極點(diǎn)靠近時(shí)，投影空間中的圓環(huán)面將逐漸放大，當(dāng)緯線移動(dòng)至北極點(diǎn)時(shí)，圓環(huán)面也展開為一條垂直于單位圓且無限延伸的直線(相當(dāng)于圓環(huán)面變成無窮大后，其空間信息集中壓縮/映射到中央的一根時(shí)間軸上)。三維空間中無限延伸的直線和單位圓可以看作是圓環(huán)面中的奇點(diǎn)結(jié)構(gòu)，它們也可以看作是一個(gè)重要的框架，整個(gè)三維空間依附于該框架。

87、最近的研究結(jié)果表明，基于光學(xué)渦環(huán)的時(shí)空光場可以形成標(biāo)量光學(xué)霍普夫子。光學(xué)渦環(huán)與其中心穿過的空間渦旋線是標(biāo)量光學(xué)霍普夫子的框架，而光場的相位結(jié)構(gòu)則構(gòu)成了標(biāo)量光學(xué)霍普夫子結(jié)構(gòu)。如圖9(a)所示，高維參量空間中的每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)實(shí)空間中的一個(gè)閉合環(huán)，映射關(guān)系可用相同的顏色表示。不同的緯線對應(yīng)不同的圓環(huán)面，而圓環(huán)面則由一系列閉合環(huán)線扭轉(zhuǎn)編織而成。注意到在參量空間中，超球面上的一點(diǎn)經(jīng)過緯線一周后回到原點(diǎn)，其角坐標(biāo)φ變化2π，而在光場中2π正好對應(yīng)相位周期。在標(biāo)量光學(xué)霍普夫子中，其同樣包含無限層的圓環(huán)面，每層圓環(huán)面對應(yīng)強(qiáng)度等值面。在特定強(qiáng)度等值面上，相位等值線形成一個(gè)閉合環(huán)，所有相位值的相位等值線構(gòu)成了相位圓環(huán)面。特別地，任意兩個(gè)不同相位值的等值線會形成霍普夫鏈，它們相互獨(dú)立但又相互組合，如圖9(b)所示。這種特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在幾何學(xué)上可以表達(dá)為：用互不相交的圓和一條直線來填滿整個(gè)三維空間，每對圓都是成鏈的，并且直線是穿過圓的。

88、標(biāo)量光學(xué)霍普夫子有兩個(gè)可控參量，分別為空間渦旋的拓?fù)浜蒷s與時(shí)空渦環(huán)的拓?fù)浜蒷t，它們均為正整數(shù)。相應(yīng)的霍普夫不變量則定義為這兩個(gè)拓?fù)浜傻某朔e，因此這樣的結(jié)構(gòu)光場具有可調(diào)控的拓?fù)洳蛔兞?。圖9(b)分別給出了霍普夫不變量分別為1和4所對應(yīng)的光場結(jié)構(gòu)，高階光學(xué)霍普夫子可以形成更為復(fù)雜的光學(xué)相位結(jié)構(gòu)。

89、在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生標(biāo)量光學(xué)霍普夫子的關(guān)鍵是控制其框架結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生光學(xué)渦環(huán)及空間渦旋線。實(shí)驗(yàn)上仍采用圖4(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置，利用變換相位將渦旋管轉(zhuǎn)化為渦旋環(huán)，之后同時(shí)施加校正相位及空間渦旋相位，以產(chǎn)生空間渦旋線?？梢钥闯觯瑯?biāo)量光學(xué)霍普夫子的拓?fù)鋮⒘渴怯蓛蓚€(gè)空間光調(diào)制器獨(dú)立控制的，因此，理論上可以產(chǎn)生任意的環(huán)形相位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖9(c)為利用干涉測量法得到的標(biāo)量光學(xué)霍普夫子，其霍普夫不變量為1。

90、光學(xué)相位莫比烏斯環(huán)(strip)。另一重要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是莫比烏斯環(huán)，由德國數(shù)學(xué)家莫比烏斯(august?ferdinand)命名。莫比烏斯環(huán)的重要特點(diǎn)是只有一個(gè)表面和一個(gè)邊界，在數(shù)學(xué)上也稱其為不可定向表面?？梢院苋菀椎赝ㄟ^扭轉(zhuǎn)并對接一條紙帶來演示這樣的結(jié)構(gòu)，如圖10(a)所示。而在科學(xué)研究中，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用于構(gòu)建液晶缺陷，在微腔結(jié)構(gòu)中可以呈現(xiàn)不同的物理性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中可以利用光的偏振特性來產(chǎn)生偏振莫比烏斯環(huán)，也可以利用光的相位形成相位莫比烏斯環(huán)。

91、相位莫比烏斯環(huán)仍來源于超球面的霍普夫纖維化。從標(biāo)量霍普夫子的例子中可以發(fā)現(xiàn)，單一相位纖維僅表示局部空間的性質(zhì)，而一簇相位纖維則形成完全不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同纖維的集合在整體上可能會表現(xiàn)出完全不同的性質(zhì)。例如在圓柱形的梳子中，從梳齒可以按圓分為一簇，也可以按線分為一簇。如圖10(b)所示，在高維參量空間中選取經(jīng)線上的點(diǎn)(不同θ角)，它們對應(yīng)的纖維在實(shí)空間形成紐帶結(jié)構(gòu)，但各纖維代表的強(qiáng)度值是不等的：距單位圓(時(shí)空渦環(huán))越遠(yuǎn)，強(qiáng)度值越高。在標(biāo)量霍普夫子中，重點(diǎn)關(guān)注了強(qiáng)度等值面上的不同相位等值線，這些等值線以扭轉(zhuǎn)并聯(lián)方式構(gòu)成莫比烏斯圓環(huán)面，即強(qiáng)度等值面。

92、上面提到可以通過扭轉(zhuǎn)并對接紙帶來得到莫比烏斯環(huán)，而在時(shí)空光場中，光學(xué)調(diào)控過程也正好對應(yīng)了物理對接和扭轉(zhuǎn)。時(shí)空渦旋管經(jīng)過光學(xué)變換對接為時(shí)空渦旋環(huán)，而空間渦旋相位則扭轉(zhuǎn)了相位條帶。圖11(a)給出了拓?fù)浜蔀?時(shí)，光學(xué)渦環(huán)的強(qiáng)度等值面及面內(nèi)的6個(gè)相位等值面，可以看到相位等值面形成了條帶結(jié)構(gòu)。深色圓環(huán)表示渦環(huán)軌跡，此時(shí)奇點(diǎn)軌跡是相位條帶的邊界。圖11(b)給出了拓?fù)浜蔀?時(shí)，光學(xué)渦環(huán)內(nèi)部的相位條帶結(jié)構(gòu)，此時(shí)奇點(diǎn)軌跡不再是相位條帶的邊界而是中軸線，這對形成相位莫比烏斯環(huán)十分重要。進(jìn)一步引入空間渦旋相位，可使相位條帶發(fā)生扭轉(zhuǎn)，如圖11(c)所示。更為清楚地，圖11(e)給出了單一相位值形成的相位紐帶，其邊界分別為渦環(huán)的奇點(diǎn)軌跡及相位等值線。實(shí)際上，該結(jié)構(gòu)對應(yīng)于扭轉(zhuǎn)兩次形成的環(huán)帶，不具有單向性。相位紐帶的扭轉(zhuǎn)數(shù)(twists?number)為空間渦旋拓?fù)浜膳c時(shí)空渦環(huán)拓?fù)浜傻纳?，即ls/lt。在圖11(e)所示的結(jié)構(gòu)中，扭轉(zhuǎn)數(shù)為1，即扭轉(zhuǎn)360°。為了得到扭轉(zhuǎn)數(shù)為半整數(shù)的相位莫比烏斯環(huán)，需使時(shí)空渦環(huán)的拓?fù)浜蔀?，而空間渦旋的拓?fù)浜蔀槠鏀?shù)。圖11(d)給出了扭轉(zhuǎn)數(shù)為1/2的相位分布，單一相位值形成的相位莫比烏斯環(huán)如圖11(f)所示，其邊界為相位等值線形成的相位紐結(jié)。當(dāng)空間渦旋的拓?fù)浜呻A數(shù)增加時(shí)，可以形成更為復(fù)雜的環(huán)面紐結(jié)，例如三葉結(jié)。

93、不難想象，時(shí)空中氣態(tài)渦旋環(huán)內(nèi)部翻滾但外形保持一定拓?fù)鋺B(tài)的變化運(yùn)動(dòng)，其實(shí)就是類似于莫比烏斯環(huán)帶的多拓?fù)浜膳まD(zhuǎn)態(tài)，相當(dāng)于一種標(biāo)量霍普夫子，即超球面一個(gè)局部的霍普夫纖維化結(jié)構(gòu)，它可以看成是一組纖維不斷圍繞一條單位圓環(huán)軸心絞扭后的結(jié)構(gòu)，每一根纖維都形成一個(gè)扭轉(zhuǎn)了的圓環(huán)，這些圓環(huán)緊密堆積在一起又相互貫穿，在物理和數(shù)學(xué)的語境中，除了進(jìn)行纖維的裁斷操作外，無論哪一根纖維都無法單獨(dú)拆取開來。

94、光學(xué)渦環(huán)的系列研究，詳細(xì)解析了光學(xué)渦環(huán)產(chǎn)生過程中的物理機(jī)制和光學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，深刻揭示了時(shí)空光場在時(shí)間和空間維度的緊密聯(lián)系。但對照現(xiàn)實(shí)中的高維時(shí)空降解為低維時(shí)空或者相反的操作，這些研究仍有不完備之處。因?yàn)楣庾踊蛘唠姶挪ㄕ{(diào)控成為時(shí)空光場，是“自外向內(nèi)”對“彈性介質(zhì)”進(jìn)行的拓?fù)溆成?，整個(gè)過程都是在光子的彈性張量場效應(yīng)中完成的，猶如篾匠用柳條編筐或者用篾片織席，柳條和篾片都是具有彈韌性的材料。這不同于前述的餃子皮制作，其材料是塑性的，其制作過程由于塑性和粘性，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的復(fù)雜曲折遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過柳條編筐或篾片織席，自然也不同于光學(xué)渦環(huán)里的時(shí)空光場。換句話說，時(shí)空光場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能完整準(zhǔn)確描述餃子皮與面團(tuán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果拿核爆的時(shí)空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來比較，則情況更加復(fù)雜。比如，如果在爆心附近有一架由角鋼焊接制成的方形鐵塔，就像輸電塔，那么在核爆之后形成的沖擊波三維空間發(fā)展與時(shí)間的關(guān)系結(jié)構(gòu)中(四維時(shí)空靜態(tài)坐標(biāo)為：x2+y2+z2-c2t2,c為光速)，如何還原鐵塔的形狀(在核爆點(diǎn)附近的高溫高壓沖擊下，鐵塔會發(fā)生扭曲、熔化乃至汽化，其上質(zhì)點(diǎn)離散和漂移的范圍和軌跡難以跟蹤)？用時(shí)空光場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯然無法做到這一點(diǎn)，因?yàn)闀r(shí)空光場是均勻的，而核爆時(shí)空場并不均勻，核爆沖擊波時(shí)空中的介質(zhì)至少會有地面與大氣之差別，這也是地面核爆產(chǎn)生蘑菇云的原因——球形沖擊波被地面反射至空中，實(shí)際上在空中顯示了核爆能量沖擊的“圓錐傘”形貌。

95、由上比較可知，時(shí)空光場是一個(gè)理想的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家對渦環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述的基態(tài)。對于三維空間與四維時(shí)空的映射問題，時(shí)空中的“不均勻”才是常態(tài)，而不均勻的具體問題，不可避免地涉及“紐結(jié)”問題。

96、紐結(jié)(knot)。前述光場渦旋的拓?fù)浣馕鼋Y(jié)構(gòu)，表明光子或電磁波這種彈性緊致的物質(zhì)在時(shí)空渦旋中，是纖維化的環(huán)面紐結(jié)結(jié)構(gòu)，而纖維環(huán)集結(jié)為簇和莫比烏斯環(huán)帶，每一根纖維都是“首尾”相接的鏈環(huán)，它們堆積起來，在三維空間中顯示出剛性的存在。

97、與光場渦旋不同的是，生面團(tuán)與餃皮之間的拓?fù)溆成洌淅w維則是一種塑性結(jié)構(gòu)，可以隨意被揉搓捏拉搟制成不同的形狀，而其中的淀粉纖維在千變?nèi)f化之后，可以形成不同的紐結(jié)結(jié)構(gòu)；根據(jù)復(fù)雜程度，紐結(jié)可以分成許多的單元結(jié)以及它們的組合。圖12給出了一些紐結(jié)結(jié)構(gòu)的拓?fù)涫疽鈁5]。

98、紐結(jié)是日常打結(jié)的形式化、標(biāo)準(zhǔn)化與理想化，即一維線條在三維空間中彎彎曲曲所形成的封閉環(huán)。在數(shù)學(xué)中，紐結(jié)是自然最本質(zhì)的形狀之一，紐結(jié)理論研究的是一種特殊類型的復(fù)雜性。而切片紐結(jié)(slice?knots)讓數(shù)學(xué)家有機(jī)會去探究四維空間的奇異性質(zhì)，在那里二維球面可以被打結(jié)，有一些打得非常褶皺，根本無法展平，而切片性則“關(guān)聯(lián)著目前四維拓?fù)鋵W(xué)中最深刻的幾個(gè)問題”。

99、例如前述核爆點(diǎn)附近的鐵塔，在沖擊波的四維時(shí)空結(jié)構(gòu)中表示沖擊波的平均速度]，沖擊波對鐵塔的作用使鐵塔扭曲的形狀，在時(shí)空四維球面上就會映射出一個(gè)紐結(jié)形態(tài)，如果鐵塔需要通過時(shí)空反演回復(fù)到核爆前的狀態(tài)，該紐結(jié)就代表鐵塔在四維時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的“軌跡”。

100、顯然，想象在核爆后一個(gè)瞬間的照片上，核爆火球的一個(gè)表面上發(fā)現(xiàn)一個(gè)不規(guī)則的紐結(jié)，如果不事先知曉它本來是什么，單憑一個(gè)紐結(jié)，是很難還原鐵塔形態(tài)的；假如有每秒108次以上的快照技術(shù)，通過緩慢回放應(yīng)該是可以確認(rèn)鐵塔是如何在核爆沖擊波的作用下快速變化的。這種情況下，三維立體的鐵塔要比較準(zhǔn)確映射到到四維的時(shí)空球面上，等效于拿不同時(shí)刻的二維球面分別在四維的時(shí)空球面上打結(jié)并疊加在一起方可，顯然，這種結(jié)不能是光滑的，而是一種無法展平、非常褶皺的結(jié)，這樣才能通過微分解析的方式一步步把紐結(jié)還原為鐵塔，就像通過緩慢回放快照來解釋鐵塔如何被沖擊波所變化一樣。需要注意，鐵塔在核爆沖擊波作用下的行為，與餃皮原面團(tuán)在手搓作用下的行為類似，都是塑性纖維，具有松弛性，與光場渦旋中霍普夫纖維的彈性和緊致性是不同的。

101、因此，拓?fù)鋵W(xué)的紐結(jié)，在四維時(shí)空中的軌跡，可以還原出多種立體架構(gòu)：紐結(jié)纖維的彈性和塑性、緊致和松弛，扭轉(zhuǎn)的次數(shù)(結(jié)點(diǎn)數(shù))，都是推測其原像物的參數(shù)，而每多一個(gè)參數(shù)就至少多了一種不同還原物。

102、拿地面核爆沖擊波的傘錐形，與四維時(shí)空的球面標(biāo)準(zhǔn)化模型相比較，可知理論物理學(xué)家對四維時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)化的思路，是將錐形這種實(shí)際上開口于無窮邊界的形態(tài)，轉(zhuǎn)化為球面的封閉形態(tài)，而把球的兩個(gè)極點(diǎn)賦予“始點(diǎn)”與“終點(diǎn)”的意義，從而消除了“無窮大”這種數(shù)學(xué)上無法處理的情況，進(jìn)而滿足在不同維度之間時(shí)空狀態(tài)的一一對應(yīng)和映射。

103、膜(membrane/film)和泡(bubble)。按照拓?fù)涞挠^點(diǎn)，膜和泡，也是一種紐結(jié)結(jié)構(gòu)：膜是多個(gè)紐結(jié)的復(fù)合體，是原子～分子尺度的“微曲率旋渦”在一張曲面上的組合，而泡是包裹了一部分氣體的膜，是微曲率旋渦在一個(gè)二維球面上的組合。

104、如圖13，負(fù)值應(yīng)力是兩邊水介質(zhì)的壓強(qiáng)差以及水合作用力引起的；引力和斥力分布不同，但總體上是平衡的。卵磷脂是一種常見的膜[6]，它有親油的烴鏈基團(tuán)集結(jié)面和親水的脂肪酸基團(tuán)集結(jié)面構(gòu)成，是一種“雙親分子流體雙層膜”，在水溶液中它可以脂肪酸基團(tuán)的一面向外與水分子以氫鍵聯(lián)結(jié)，而以烴鏈基團(tuán)的一面向內(nèi)與同樣的烴鏈基團(tuán)配對聯(lián)結(jié)。從應(yīng)力分布看，邊界基團(tuán)親水，與膜的兩面水分子之間相互吸引，以及雙層膜的烴鏈分子之間的纏結(jié)，都是引力項(xiàng)，為負(fù)值，這種引力的合力作用是使雙層膜分別向兩面彎曲、分離而解體，同時(shí)產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓作用，致使卵磷脂分子之間由于被彎曲和擠壓效應(yīng)而產(chǎn)生斥力，這種斥力則力圖把結(jié)構(gòu)恢復(fù)原樣，綜合的效果是兩種作用力平衡，膜的狀態(tài)也得以穩(wěn)定。肥皂泡則是一層包裹空氣的硬脂酸鈉水溶液薄膜封閉球面，其上的長鏈分子在不解體的狀態(tài)下可以相對自由地流動(dòng)。

105、這兩種膜結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上都是“雙親分子團(tuán)”與水分子結(jié)合后編織成的紐結(jié)集合，在介質(zhì)中能夠獨(dú)立存在，并以一致的振動(dòng)態(tài)參與熱漲落。在一種物質(zhì)的表面或內(nèi)部，之所以生成膜結(jié)構(gòu)，必然是由于分子之間形成了界面，界面上的張力高于內(nèi)部的張力，故而形成膜，如水滴的表面分子層，可以視為膜結(jié)構(gòu)，由于表面張力大，把水滴壓縮成球形。

106、流體中與溶劑分子不同界面張力的質(zhì)點(diǎn)匯聚到一起，如果能夠形成相同的振動(dòng)態(tài)，就會集結(jié)成一個(gè)獨(dú)立的物相，而如果這個(gè)物相宏觀上呈現(xiàn)二維態(tài)，它就是膜結(jié)構(gòu)；而它們之間匯聚到一起能夠成形，成為一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)，則質(zhì)點(diǎn)之間必然形成某種聯(lián)結(jié)，如果這些聯(lián)結(jié)統(tǒng)一用化學(xué)鍵表達(dá)，化學(xué)鍵則可以視為拓?fù)鋺B(tài)下的纖維，質(zhì)點(diǎn)則可以視為纖維的紐結(jié)點(diǎn)；特別地，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)(分子)之間的鍵或者纖維可以相對自由地相互交換位置而不產(chǎn)生能量的吸收或釋放時(shí)，則這種流體屬于液晶態(tài)。雙親分子流體膜是一種液晶態(tài)。

107、對于象卵磷脂、紅血球等生物膜而言，它們所形成的面是不對稱的，這是由于構(gòu)成膜的分子的組成不對稱、或者是膜兩側(cè)的環(huán)境不對稱，因而造成內(nèi)在的、呈現(xiàn)高頻反復(fù)微振動(dòng)效應(yīng)的彎曲力，即所謂的自曲(spontaneous?curvature)效應(yīng)，這些特點(diǎn)使得雙親分子膜的彈性和它的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同于一般的固體薄殼。薄殼力學(xué)原理解釋不了紅血球雙凹盤狀等細(xì)胞形態(tài)問題。從數(shù)學(xué)上來看，彎曲的雙親分子膜可以按“伸張于三維空間中的二維客體”處理，利用這種簡單的抽象，理論研究可以歸納為：膜泡的平衡形狀滿足于一個(gè)4階非線性微分方程。

108、描述生物膜的赫爾弗里希(helfrich)彎曲彈性自由能方程可以寫成

109、gc＝(1/2)k(c1+c2－c0)2+k0c1c2

110、的形式，式中g(shù)c就是單位面積的彎曲彈性能。c0是描述非對稱膜的自曲的曲率常數(shù)，它可以是正的也可以是負(fù)的。k是彎曲彈性常數(shù)，k0是對應(yīng)于膜面高斯曲率c1c2的彈性模量。與液晶曲率彈性理論相比較可以得出k＝k11t，k11是液晶的展曲彈性常數(shù)而t是模的厚度。液晶的展曲常數(shù)k11的數(shù)量級為10-8達(dá)因(10-13n)，而分子長度或分子膜厚度的數(shù)量級為10-5cm，因此k的數(shù)量級為10-12爾格(10-19j)。許多實(shí)驗(yàn)測量都證實(shí)了這一點(diǎn)。由于k11和t都是正值，所以彎曲彈性常數(shù)k是正值。彈性模量k0與液晶的鞍形展曲常數(shù)k24也有類似的關(guān)系，因而可正可負(fù)，它的數(shù)量級也是10-12爾格(10-19j)。

111、泡結(jié)構(gòu)，如肥皂泡，是膜結(jié)構(gòu)的一種特殊形態(tài)。吹出的肥皂泡，是肥皂水膜在風(fēng)力的作用下離開附著的邊界同時(shí)閉合并包裹了一些空氣所致，它的膜的張力與大氣壓之和，等于其所包裹的氣體的壓力，泡的體積才能大小平衡；另一方面，肥皂泡膜上的脂肪酸鈉分子在膜面上可以相對自由地流動(dòng)，這種膜其實(shí)是一種液晶態(tài)。

112、從物理角度看，不論是膜還是泡，都屬于一種二維的紐結(jié)集成結(jié)構(gòu)，在纖維化之后，總是離不開曲率張量的作用，一旦曲率恒為零(平直化)，纖維變成剛性，不能互繞、纏結(jié)和編織，這些拓?fù)鋺B(tài)都無法實(shí)現(xiàn)。所以，從根本上說，物質(zhì)形態(tài)的變化是以曲率張量變化為基礎(chǔ)的，廣義相對論所謂的“物質(zhì)告訴時(shí)空怎樣彎曲”不僅適用于宇宙太空，同樣適用于微觀結(jié)構(gòu)、介觀形態(tài)和宏觀相互作用，相應(yīng)的，“時(shí)空告訴物質(zhì)如何分布”也適用于所有尺度時(shí)空的物理作用。

113、阿波羅尼奧斯墊圓(apollonian?gasket)[7]。古希臘數(shù)學(xué)家阿波羅尼奧斯對相切圓的研究揭示：在平面上給出位置關(guān)系沒有特別限制的三個(gè)圓，用尺規(guī)作出第四個(gè)圓與已有三個(gè)圓都相切的情況共有8種；若限定三個(gè)圓兩兩外切，則第四個(gè)圓僅有2種可能性，即與前三圓要么外切(填隙)、要么內(nèi)切(覆蓋)，見圖14，全部兩兩相切的圓最多只有4個(gè)，方式為2種。顯然，不存在第五個(gè)與前四個(gè)都兩兩相切的圓再構(gòu)成全部相切的關(guān)系。

114、如果選擇包住三個(gè)小圓的大圓，則可以繼續(xù)用尺規(guī)作圖實(shí)現(xiàn)如下的操作：在大圓內(nèi)部作出一個(gè)圓，使其與平面上已經(jīng)存在的三個(gè)圓相切；該過程顯然可以無限持續(xù)下去，用越來越小的圓，填充圓與圓之間的空隙。效果如圖15，圖15為阿波羅尼奧斯墊圓圖——無窮級數(shù)。

115、由于這些大大小小的圓就像是一個(gè)個(gè)大輪之間的墊輪，上圖里的幾何結(jié)構(gòu)被命名為阿波羅尼奧斯墊圓(apollonian?gasket)。

116、笛卡爾發(fā)現(xiàn)，切點(diǎn)不重合而彼此相切的四個(gè)圓的曲率(即圓的半徑的倒數(shù))必然滿足“所有曲率的平方和等于曲率和的平方的一半”的簡單關(guān)系。用代數(shù)式表示，如果四個(gè)彼此相切的圓的曲率分別為a、b、c、d，則上面的定理可以表示成：2(a2+b2+c2+d2)＝(a+b+c+d)2。

117、英國化學(xué)家弗雷德里克·索迪于1936年根據(jù)這個(gè)公式指出，如果最開始的三個(gè)相切圓的曲率是整數(shù)，則后來所有圓的曲率必然都是整數(shù)。這一規(guī)律，可以通過計(jì)算機(jī)程序十分方便地進(jìn)行任意大數(shù)量的墊圓設(shè)計(jì)，并直觀地觀察墊圓填充的圖案特點(diǎn)和曲率(半徑)特征。

118、2023年的暑假期間，美國科羅拉多大學(xué)數(shù)論專家katherine?stange團(tuán)隊(duì)的haag和kert?zer通過編寫計(jì)算機(jī)程序，以前四個(gè)圓的曲率(-23，48，49，52)為底，生成約15000個(gè)阿波羅尼奧斯墊圓，如圖16。

119、大數(shù)量的墊圓圖非常直觀地顯示了“墊圓曲率整數(shù)”定律，同時(shí)給出了具象豐富的時(shí)空物理學(xué)和數(shù)學(xué)示性，部分示性解析如下：

120、1、無限性與收斂性。在一個(gè)有限的圓形空間里(稱為母圓)，不但等大的圓形無法實(shí)現(xiàn)密鋪(tiling)，墊圓(相切圓)也無法實(shí)現(xiàn)密鋪，但全體墊圓的總面積是收斂的，其極大值即大圓的面積。

121、從曲率關(guān)系式2(a2+b2+c2+d2)＝(a+b+c+d)2可知：四圓相切的關(guān)系可以有無限多的組合，按照同一規(guī)則可以在有限的空間里進(jìn)行無限的細(xì)分。

122、如果把圓面積看成能量和能級，與沖擊波在流體中傳播的混沌效應(yīng)作比較，則沖擊波總能量可以比作母圓面積，各級墊圓可以表示沖擊波的解耦降級。

123、2、正負(fù)曲率效應(yīng)。不論墊圓按照怎樣的規(guī)則進(jìn)行細(xì)分(曲率增大方向)或者粗大化(半徑增大方向)的演化，它們都有一個(gè)包括一切墊圓成員的母圓，這個(gè)母圓是唯一的一個(gè)曲率為負(fù)值且絕對值最小(即半徑最大)的圓，即母圓的面積大于等于全體墊圓的面積之和。因此，從曲率的角度理解墊圓表示的數(shù)，可以認(rèn)為“一個(gè)絕對值小的負(fù)整數(shù)是一切正整數(shù)產(chǎn)生的根源”，或者“所有的正整數(shù)都起源于一個(gè)絕對值更小的負(fù)整數(shù)”，這與“全體自然數(shù)之和等于負(fù)的十二分之一(即1+2+3+…+n+…＝-1/12)”的歐拉公式有著深刻的內(nèi)涵邏輯，這個(gè)公式在純數(shù)理邏輯上是悖論，但在幾何和物理范域有著強(qiáng)烈的示性意義。

124、圓或者球面，其半徑r恒為正值(+/r＞0)，但是，其曲率c卻可以在絕對值保持恒定的情況下有正負(fù)之分，而且這種分別可以恰好對應(yīng)一個(gè)物理體系的兩種截然相反的物理狀態(tài)：膨脹趨勢和收縮趨勢，即圓或球處于膨脹狀態(tài)時(shí)，其曲率為正值，處于收縮狀態(tài)時(shí)，其曲率為負(fù)值，這樣在物理意義上，曲率數(shù)值代表一種平衡態(tài)，其正負(fù)號則代表相互對立的兩種趨勢，即“漲”和“落”，這正是微觀量子振動(dòng)和自旋效應(yīng)的最基礎(chǔ)的特征。如果曲率為0，則表示一個(gè)體系失去了對內(nèi)外狀態(tài)的約束力，即體系解體了，或者同化于更大的體系之中，與周圍融為一體。

125、同時(shí)，墊圓的整體和局部關(guān)系，從物理意義上可以有如下的理解或描述：①不論一個(gè)有著內(nèi)部相互作用的質(zhì)點(diǎn)群具有怎樣復(fù)雜的相互作用，總是可以找到一個(gè)囊括所有這些質(zhì)點(diǎn)及其相互作用的一種簡單背景作用(母圓)，使質(zhì)點(diǎn)群與其它群分開，并且該簡單背景對群內(nèi)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都起作用，如恒星內(nèi)核因核聚變導(dǎo)致的熱膨脹力與自身的引力作用達(dá)到平衡，使恒星成為一個(gè)長期穩(wěn)定的星體，恒星內(nèi)核物質(zhì)不會散逸也不會即刻坍縮；②或者可以從曲率控制的意義上理解，從外部對質(zhì)點(diǎn)群或者體系施加一個(gè)壓縮作用(負(fù)曲率)，能夠使這種作用傳遞到最小的質(zhì)點(diǎn)，從而導(dǎo)致每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都因受到擠壓而產(chǎn)生抵抗效應(yīng)(正曲率)，壓力和抗力達(dá)到一種平衡態(tài)；③或者給出一個(gè)更簡單形象的實(shí)例：容器形狀的改變直接影響著流體質(zhì)點(diǎn)的依存狀態(tài)；④當(dāng)流體通過一個(gè)壓縮的空間(負(fù)曲率效應(yīng))時(shí)內(nèi)部壓力增大(正曲率效應(yīng))；⑤一個(gè)有限的空間可以無限劃分(負(fù)曲率效應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生正曲率效應(yīng))，反之，一個(gè)含有大量元素(如原子、分子、團(tuán)簇、流形等微小單元質(zhì)點(diǎn))的集群或者體系必有簡單的空間邊界，即含有大量組元的體系是具有弱可控邊際的(系統(tǒng)內(nèi)部的正曲率效應(yīng)引發(fā)周圍的負(fù)曲率效應(yīng))。

126、大量體系內(nèi)的組元產(chǎn)生相互作用，必然導(dǎo)致整個(gè)體系表現(xiàn)出對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征，如臨界效應(yīng)、漲落效應(yīng)、長程序等，其中漲落效應(yīng)可以視為體系內(nèi)的平均曲率不變而局部狀態(tài)處于高速的正負(fù)組態(tài)交換的動(dòng)態(tài)，這種動(dòng)態(tài)在凝聚態(tài)中表現(xiàn)為一種結(jié)構(gòu)力，液態(tài)的界面張力和黏度、固態(tài)材料的強(qiáng)度，都可以看成質(zhì)點(diǎn)之間的熱漲落、即曲率正負(fù)組態(tài)交換導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)力。

127、3、膜和紐結(jié)集成的拓?fù)鋺B(tài)。假設(shè)相切圓之切點(diǎn)是固定的，則切點(diǎn)可以看成現(xiàn)實(shí)中紐結(jié)的拓?fù)鋺B(tài)，一個(gè)切點(diǎn)的平均曲率即可用相切2個(gè)圓的曲率之和的一半表示，而平均曲率可以直觀地表示為紐結(jié)的強(qiáng)度。

128、一個(gè)母圓中的無數(shù)墊圓的切點(diǎn)即可以看成一個(gè)給定的時(shí)空中可以形成無數(shù)的紐結(jié)，這時(shí)候母圓類似一種膜結(jié)構(gòu)；紐結(jié)的實(shí)際數(shù)量增長的極限，是直到有確定的最大曲率(最小的圓半徑)為止。

129、對照生物生存的現(xiàn)實(shí)世界的物質(zhì)基礎(chǔ)及人類工業(yè)生產(chǎn)的材料基礎(chǔ)，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)為主的領(lǐng)域，原子態(tài)可以認(rèn)為是物質(zhì)世界最大曲率的球體，其次是原子團(tuán)簇、晶核、晶粒及其各種中間粒度的凝聚態(tài)質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)越大曲率越??；在電磁運(yùn)動(dòng)為主的領(lǐng)域中電子可以認(rèn)為是具有最大曲率的球體，其次是質(zhì)子(氫核)、中子、重水原子核(氘核、氚核)、氦核、其它各種原子核，再次是電子的原子軌道、分子軌道、半導(dǎo)體芯片中的晶體管等；而在核爆(聚變或裂變)狀態(tài)下，夸克(層子)才是曲率最大的質(zhì)點(diǎn)。總之，作為類球體，所占體積越大曲率越小，而相互作用力越大則曲率越大；在等大的物理球面上，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)所受作用力越強(qiáng)則曲率越大，反之則曲率越小。

130、由于材料的機(jī)械性能來源于基本粒子之間的引-斥力曲率張量，而粒子的三維立體曲率張量結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜而難以解析求解，如果把材料轉(zhuǎn)換為二維的膜結(jié)構(gòu)，在二維面(通?？梢砸暈槠矫?上的質(zhì)點(diǎn)的曲率結(jié)構(gòu)可以簡化為兩個(gè)對頂錐模型，通過這種轉(zhuǎn)化，使事件變得便于理解和控制。對于宏觀膜的厚度在毫米層級，流體基本結(jié)構(gòu)單元最小為原子或離子，最大為納米態(tài)的分子或團(tuán)簇，最大與最小之間的尺寸等級至少相差106數(shù)量級，因此單純的宏觀操作對于單個(gè)粒子的平均量子態(tài)的影響可以忽略不計(jì)，但對于大量的粒子群來說就有可能是顯著的，如混合、流速變化、壓力變化等。

131、假設(shè)相切圓之切點(diǎn)是可以任意滑動(dòng)的，則墊圓可以看成一個(gè)個(gè)的渦環(huán)(莫比烏斯扭轉(zhuǎn)環(huán))，它們通過切點(diǎn)形成動(dòng)態(tài)但不可切斷的紐結(jié)，則整個(gè)墊圓結(jié)構(gòu)可以看成一個(gè)彈性網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋺B(tài)，如橡皮筋編織的網(wǎng)兜。

132、4、當(dāng)?shù)谝粚蛹壍?個(gè)墊圓的曲率半徑都相同時(shí)(圖15)，所生成的墊圓組合整體上具有3次旋轉(zhuǎn)對稱性，即外圓每轉(zhuǎn)動(dòng)2π/3的角度等效于不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。母圓有三條穿過其中一個(gè)墊圓圓心和另兩個(gè)墊圓切點(diǎn)的直徑，這3條直徑兩兩之間的夾角都為π/3。以三條直徑中的任意一條為旋轉(zhuǎn)對稱軸，把母圓連同內(nèi)部所有墊圓一起旋轉(zhuǎn)π角度后，所得圖像不變，所以該直徑可稱為翻轉(zhuǎn)對稱軸。

133、繞翻轉(zhuǎn)對稱軸執(zhí)行翻轉(zhuǎn)操作后，可以在三維空間得到母球及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)：除母圓和被該翻轉(zhuǎn)軸等分的墊圓成為球體外，其它墊圓均變?yōu)閳A柱環(huán)形面，原來的切點(diǎn)則演變?yōu)槟笀A之球內(nèi)表面與最大墊圓的圓柱環(huán)形面之間的內(nèi)切圓，或者各相切墊圓的圓柱環(huán)形面與圓心處于翻轉(zhuǎn)軸上的球面之外切圓——這種三維結(jié)構(gòu)，與前述四維時(shí)空向三維空間的映射關(guān)系，具有像似性，即大多數(shù)墊圓演變成渦旋環(huán)。

134、由上可知，紐結(jié)與渦旋(莫比烏斯扭轉(zhuǎn)環(huán))，共同存在(或映射)于阿波羅尼奧斯墊圓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，紐結(jié)可以看成是渦旋的“凝結(jié)態(tài)”，而渦旋可以看成是翻滾的紐結(jié)；膜結(jié)構(gòu)可以看成是紐結(jié)的集成態(tài)，而分解的膜結(jié)構(gòu)可以散成無數(shù)的時(shí)空渦環(huán)，因此膜結(jié)構(gòu)也可以看成無數(shù)渦環(huán)的集成態(tài)，這與“自旋網(wǎng)絡(luò)”和“圈量子引力結(jié)構(gòu)”的意義更為接近，從這個(gè)意義上，甚至可以認(rèn)為：物質(zhì)都是由膜構(gòu)成的，三維結(jié)構(gòu)是折疊起來的二維膜結(jié)構(gòu)；當(dāng)能量可以用膜(面)的熱漲落進(jìn)行表達(dá)和描述時(shí)，三維體積包裹的膜即等價(jià)于包裹著能量，三維向二維的解構(gòu)或者展開，等價(jià)于能量在不同維度之間的映射。

135、本發(fā)明的原理及有益效果：本發(fā)明從分析工業(yè)生產(chǎn)的低效能問題入手，從產(chǎn)業(yè)鏈長、作業(yè)線長、分工精細(xì)繁瑣必然帶來低效率、高能耗、高成本、難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)競爭和需求變化等的實(shí)際問題出發(fā)，圍繞工業(yè)制造和加工的“高能”和“高效”兩個(gè)核心目標(biāo)，以“沖擊波(sw)高能態(tài)”的視角解析凝聚態(tài)物質(zhì)微結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)為主線，在前人取得研究成果和近期實(shí)驗(yàn)發(fā)生的實(shí)際事件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了進(jìn)一步的關(guān)聯(lián)性分析和邏輯推演，力求創(chuàng)造一種原則性的精簡型制造工藝和方法。按行文的順序，這些研究成果或事件包括：沖擊波和耦合效應(yīng)，渦旋，光學(xué)渦旋，降維，聲子的能級標(biāo)度，流體的量子能級標(biāo)度，沖擊波能量標(biāo)度，沖擊波“耦合－解耦”的時(shí)間和速度，沖擊波傳播的混沌特征，渦旋的時(shí)空映射，光學(xué)相位莫比烏斯環(huán)，紐結(jié)，膜和泡，阿波羅尼奧斯墊圓等。從這些事件和研究成果的類比中，抽出原則性精簡型制造工藝和方法的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：高能態(tài)(準(zhǔn)四維)，降維映射，混沌態(tài)，渦旋態(tài)射流，工作面。

136、從人類對材料或物質(zhì)凝聚態(tài)的宏觀結(jié)構(gòu)期望出發(fā)，要求結(jié)構(gòu)材料質(zhì)地致密、均勻、強(qiáng)韌硬度等機(jī)械性能高，功能材料具備所需的功能如導(dǎo)電導(dǎo)熱性、磁性能等，同時(shí)要求在各種工況環(huán)境中良好的適應(yīng)性，如耐腐蝕性、抗熱震性、抗應(yīng)力腐蝕等。這些要求涉及到晶體的凝固、密鋪和密堆、微結(jié)構(gòu)長程有序等方面的控制，一般的工業(yè)加工技術(shù)建立在冶煉、合金化和機(jī)械加工等對材料原子的化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)、宏觀物性描述等的理論基礎(chǔ)上。而宏觀控制一般都傾向于簡單的線性控制，以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)。

137、但是，從微觀乃至超微觀(普朗克尺度10-34j·s或普朗克面積10-70m2)的基礎(chǔ)研究出發(fā)，物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)，是其宏觀物性和凝聚態(tài)形成的基礎(chǔ)，決定著宏觀理論及其衍生技術(shù)對材料性能的保障能力。

138、從“自旋網(wǎng)絡(luò)”和“圈量子引力結(jié)構(gòu)”這種普朗克尺度的基礎(chǔ)時(shí)空結(jié)構(gòu)出發(fā)，我們知道時(shí)空是量子化的，其質(zhì)能分布不均勻，是離散型的，但時(shí)空量子之間又有自旋波及其相互作用的聯(lián)系，不是完全的離散。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一直向著“大”尺度、更大尺度的時(shí)空結(jié)構(gòu)演進(jìn)，到原子核、原子、電子的結(jié)構(gòu)層次，體現(xiàn)為基本粒子的自旋、繞旋以及通過自旋和繞旋產(chǎn)生的相互作用來形成關(guān)聯(lián)，從時(shí)空的對稱性規(guī)律和對稱性破缺的觀點(diǎn)看，微觀尺度到宏觀尺度，體現(xiàn)了時(shí)空及物質(zhì)對稱性的從高到低和“破缺的對稱性結(jié)構(gòu)”，如強(qiáng)相互作用、電弱相互作用、引力，其產(chǎn)生的基礎(chǔ)都是“自旋網(wǎng)絡(luò)”和“圈量子引力結(jié)構(gòu)”，符合規(guī)范對稱性。從最深廣的尺度看，是宇宙大爆炸之后不同層級的對稱性破缺結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的底蘊(yùn)是非線性、反宏觀的，是物質(zhì)高能態(tài)的隱藏結(jié)構(gòu)特征，是物理學(xué)研究的“四維時(shí)空”，核爆是這種“四維時(shí)空”解體的自然體現(xiàn)，而核電和可控核聚變能則是用人類工業(yè)制造可以接受的方式，對高能的“四維時(shí)空”進(jìn)行的層級性降解，即降維映射－能量轉(zhuǎn)換。

139、由于微觀的“自旋網(wǎng)絡(luò)”和“圈量子引力結(jié)構(gòu)”決定的物質(zhì)凝聚態(tài)自帶的折疊性質(zhì)，在納米/納秒～微米/微秒級尺度上，很難利用已有的技術(shù)手段對同級或更小的質(zhì)點(diǎn)序列進(jìn)行調(diào)控，導(dǎo)致目前人類對材料的性能水平提高或增強(qiáng)的能力基本達(dá)到了極限。比如，金屬晶體材料的晶粒尺寸平均只能控制在100～200微米，小于50微米就得采用噴射成型、3d打印、強(qiáng)制快冷等特殊加工手段，這些手段的能級標(biāo)度仍然處于常規(guī)水平，即從能量輸送上不能滲透到晶格及以下更細(xì)小的尺寸水平。

140、材料在結(jié)晶時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的自旋效應(yīng)和圈量子引力效應(yīng)，會引起各種位錯(cuò)和偏析，低能標(biāo)的宏觀技術(shù)手段對消除這樣的位錯(cuò)和偏析也無能為力。

141、自旋和圈量子，必然涉及到曲率，而從曲率作為時(shí)空中的相互作用出發(fā)，可以引申出渦旋、莫比烏斯結(jié)構(gòu)、紐結(jié)、降維、映射，溯及對原子軌道和原子結(jié)構(gòu)的拓?fù)?，對這些四維時(shí)空中的概念及其數(shù)理意義和范域的剖析，特別通過“阿波羅尼奧斯墊圓”的豐富示性解析，為對沖擊波耦合態(tài)的形成和有效利用找到了一種方法論。

142、這種方法論，把沖擊波的質(zhì)點(diǎn)群高能耦合態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)二維表面的拓?fù)溆成鋺B(tài)，沖擊波耦合解構(gòu)的過程，將同時(shí)包含有耦合質(zhì)點(diǎn)群的高壓二維流態(tài)化、渦旋態(tài)、高速射流、定量排出，這些特征的一體化，從而可以為這種動(dòng)態(tài)的原始態(tài)對接多種“接收式”制造和加工工裝，依靠質(zhì)點(diǎn)群自帶的動(dòng)能和渦旋(莫比烏斯扭轉(zhuǎn)態(tài))秩序，解決材料成型和微結(jié)構(gòu)中位錯(cuò)(或非均布位錯(cuò))、偏析等缺陷問題，使成型的工件微結(jié)構(gòu)致密有序，從而獲得更好的綜合性能。

143、由此，技術(shù)特征“激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面”，具有高能、定向、動(dòng)態(tài)可控地傳遞能量和物質(zhì)的功能，雖然具有在微觀結(jié)構(gòu)演變中“混沌”、難測試的一面，但也避開了現(xiàn)有工業(yè)制造流程中“事事精準(zhǔn)”的繁瑣要求，特別在混沌的過程，由于是耦合介質(zhì)本身的微觀結(jié)構(gòu)決定的一種“近似冪律的自組織臨界性”，具有數(shù)學(xué)上“不發(fā)散、不收斂、非周期”和物理宏觀尺度上“能量總體守恒但過程中持續(xù)損耗轉(zhuǎn)化、近周期的波動(dòng)傳播”的特點(diǎn)，即提供了宏觀態(tài)的確定性和規(guī)律性，使得“從始點(diǎn)到終點(diǎn)”的映射通過“降維法”替代能級變化的描述，使得后續(xù)的“對接工裝”能夠獲得確定的結(jié)果，這種結(jié)果仍然能與初始條件建立嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不但不影響制造或加工效能和結(jié)果，反而能夠縮短流程和周期，從而得到提高制造加工質(zhì)量、減少中間環(huán)節(jié)、節(jié)能減排降本增效等效果。尤其值得關(guān)注的是，這種功能面跨越了多種制造方式，架起了從宏觀到微觀一體化制造的橋梁，可以為改進(jìn)完善現(xiàn)有的工業(yè)制造流程和裝備提供科學(xué)分析的視角和手段。也因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，“沖擊波功能面”可以對應(yīng)不同技術(shù)領(lǐng)域的多種制造裝置。

144、保障沖擊波-介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈耦合的能量是泰勒經(jīng)驗(yàn)公式e＝ρcr5/t2，這是核爆級的高能態(tài)，現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)制造所需的能級一般達(dá)不到如此烈度，因此需要根據(jù)實(shí)際技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)和調(diào)節(jié)。

145、比如，對于沖擊波直接與液體、即致密的流體的耦合場制造，其最大的便利在于耦合場不用承擔(dān)物質(zhì)“固→液相變”的功能，就大大減輕了沖擊波負(fù)擔(dān)，這種情況下，沖擊波能量φ值的設(shè)計(jì)，可考慮按前述ed＞σaf、cp＞σif/ηm、cn＞(retηm)/(dρm)、rpf＞σif的一種或幾種，進(jìn)行比較試驗(yàn)，選擇最優(yōu)的沖擊波發(fā)生源和脈沖能級(各不等式中的符號意義與前文同，即：ed為能流密度、σaf為流體的表面張力，cp為沖擊波傳播相速度、σif為流體的界面張力、ηm為動(dòng)力黏度，cn為質(zhì)點(diǎn)擬動(dòng)速度、ret為流體雷諾數(shù)、ηm為流體動(dòng)力黏度、d為聚焦沖擊波形成的焦斑直徑、ρm為流體密度，pf為沖擊波場界面的壓力、r為場在流體中的作用半徑)。

146、對沖擊波流體耦合場的降維映射，裝置設(shè)計(jì)為出口為扁平型“狹縫寬面”內(nèi)腔的、設(shè)有流體介質(zhì)進(jìn)出口的橢圓半球+雙曲線型面倒喇叭狀復(fù)合殼形型腔的壓力容器，可保證沖擊波能量通過介質(zhì)耦合后集中于橢球的第二焦點(diǎn)，為降維映射提供最高能級。將沖擊波發(fā)生源置于橢圓半球腔體的第一焦點(diǎn)位置，傳播的質(zhì)能耦合體經(jīng)腔體內(nèi)表面的反射形成聚焦沖擊波，將向橢球的第二焦點(diǎn)匯集，而倒喇叭狀的雙曲面型腔則為匯集的質(zhì)能流由準(zhǔn)四維的高能態(tài)向準(zhǔn)二維的束流映射提供了導(dǎo)流面和通道，因?yàn)槌隹跒楸馄叫汀蔼M縫寬面”的通道，即可實(shí)現(xiàn)對流體的降維導(dǎo)控，形成有一定的壓力、流速和流量的渦旋態(tài)脈沖射流，可以對液態(tài)環(huán)境中的基于化學(xué)反應(yīng)原理的物質(zhì)合成或者分解，如水溶液、有機(jī)溶液、合金熔體的沖擊波合成或者進(jìn)行物質(zhì)分解，實(shí)現(xiàn)制造目的。

147、沖擊波脈沖的強(qiáng)擾動(dòng)可以使流體介質(zhì)中的各種質(zhì)點(diǎn)如分子、原子、離子在渦旋態(tài)流動(dòng)中實(shí)現(xiàn)充分混合，達(dá)到化學(xué)反應(yīng)的高速進(jìn)行；由于單個(gè)的耦合脈沖和解耦效應(yīng)都是在納秒～微秒的時(shí)間窗口完成的，沖擊波的傳播和對介質(zhì)出口擾動(dòng)過程可以控制在毫秒級的時(shí)間窗口內(nèi)完成，形成延遲脈沖噴射流。壓力容器出口處的高壓準(zhǔn)二維流態(tài)化質(zhì)點(diǎn)群的曲率效應(yīng)，等價(jià)、等效于壓力、流速和流量，它的調(diào)控，可通過輸入的沖擊波脈沖能量、工作介質(zhì)本身耦合所消耗的能量、以及出口形狀設(shè)計(jì)(后續(xù)所需保持的噴射流量和速度)來完成，比如，對于某種流體介質(zhì)，每次噴出1kg的渦旋態(tài)流體，需要的沖擊波發(fā)生源的能量當(dāng)量，直接通過實(shí)驗(yàn)確定后，即不需再改變，制造方式簡單高效。

148、有一定質(zhì)量的毫秒級的脈沖噴射流，在等時(shí)間隔的沖擊波脈沖源的推動(dòng)下，如同從高壓管路中射出的一波接一波的高壓水噴流，既具有很高的動(dòng)能和勢能，又可以隨意控制其方向和定量，為液態(tài)(濕法)制造提供了高自由度的對接工裝。如把1000℃中低溫合金(鋁合金、鎂合金等)的合成和零部件生產(chǎn)連成一個(gè)通道直通模具，在壓力容器中通過沖擊波耦合、波振面擴(kuò)展擾動(dòng)、腔壁反射聚焦、倒喇叭曲面的束流導(dǎo)控映射、渦旋的自我攪拌等強(qiáng)烈的微觀態(tài)混沌、宏觀態(tài)射流的復(fù)雜作用的合金流體介質(zhì)，帶著一定的動(dòng)能和勢能沖向模具，可以實(shí)現(xiàn)飽滿充型、急速冷卻、及時(shí)換模、作業(yè)持續(xù)等高效生產(chǎn)，由于沖擊波的高能降維映射、渦旋，合金成分分布更均勻，急速冷卻可使工件結(jié)晶晶粒細(xì)化，提高制造質(zhì)量，射流脈沖定量準(zhǔn)確可提高材料利用率和成材率。又如需要一定壓力的水溶液或有機(jī)溶液的化學(xué)合成或者沉淀結(jié)晶，通過這種壓力容器中的沖擊波效應(yīng)，能夠達(dá)到溶質(zhì)和溶劑的充分混合，提高反應(yīng)常數(shù)，于過程中完成反應(yīng)，使生成物在出口噴射時(shí)占有最大的比例。

149、在橢圓半球+雙曲線型面倒喇叭狀復(fù)合殼形型腔的壓力容器中處理液態(tài)耦合介質(zhì)，可以根據(jù)生產(chǎn)的需要和制造目的進(jìn)行制造規(guī)模的調(diào)整，使出口渦旋態(tài)射流成為可與大界面工作面對接，這種大界面可以從平方分米到平方米的范圍。比如在進(jìn)行工業(yè)廢水的處理，工業(yè)廢渣的水循環(huán)處理等，把藥劑/廢水或者水/廢渣/藥劑按比例隨脈沖間隔從入口送進(jìn)沖擊波處理容器，由于經(jīng)歷常規(guī)處理沒有的高壓渦旋環(huán)節(jié)，混合液反應(yīng)更徹底，或者使常壓下不能進(jìn)行的反應(yīng)能夠有效進(jìn)行，即可實(shí)現(xiàn)高效的處理。

150、對于需要先經(jīng)歷“固→液相變”再完成制造加工作業(yè)的情況，沖擊波制造與前述可以大界面工作面處理液體的情況不同。必須選擇高能態(tài)的電脈沖或光脈沖(高能激光)作為高能耦合場的物質(zhì)載體，而且只能以平方毫米至平方厘米級的小界面工作面進(jìn)行制造加工，但同時(shí)由于小界面工作面相變的瞬時(shí)性和渦旋射流幾乎與熔化同時(shí)發(fā)生，使得制造方式可以充分依靠小截面固態(tài)材料的承載能力完成降維映射所需的支撐載體，而不必再為沖擊波耦合場設(shè)置專門的容器型腔。

151、從更廣的意義而言，對于使用高壓、強(qiáng)電流脈沖進(jìn)行導(dǎo)體介質(zhì)界面質(zhì)點(diǎn)群耦合的情況，這種“封閉型容器”就是導(dǎo)體線材/絲材本身，通過電壓電流和臨界距離伸縮頻率的調(diào)控，使耦合質(zhì)點(diǎn)群滿足所需的流態(tài)化、渦旋態(tài)、射流和流量的動(dòng)態(tài)平衡，并支撐起“焊接/堆積式增材制造與導(dǎo)體線材/絲材連續(xù)耗用的平衡”這樣一種新型增材制造方式。同理，在超冷真空狀態(tài)下利用高能超短激光脈沖對原子氣中的質(zhì)點(diǎn)——單個(gè)原子進(jìn)行耦合并定向射流到磁光阱中，建設(shè)人們需要的新型原子群態(tài)結(jié)構(gòu)和以此為基元的新材料，這一過程需要在真空冷室中才能實(shí)現(xiàn)，則真空冷室也可以看成一種廣義的“封閉型容器”。這就是“基于膜曲率調(diào)控的激波耦合拓?fù)淠Ｐ汀钡幕竟δ堋?/p>

152、更為簡要地說，“沖擊波賦能的可控流態(tài)化工作介質(zhì)”，是“基于膜曲率調(diào)控的激波耦合拓?fù)淠Ｐ?基于激波耦合場降維導(dǎo)控的工作面”的核心功能和價(jià)值，這種模型由于簡練易懂，因而具有廣義性，超越了多種具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)(如壓力容器、沖擊波源、鑄造工裝、攪拌裝置等)的限制，可以涵蓋和推廣到多種形式和方式的合成、制造、加工的原型工藝機(jī)制。

153、本發(fā)明中列舉了如下的工業(yè)生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)用原型機(jī)構(gòu)：

154、槍擊式的噴流渦旋與模具容器對接；

155、絲材電弧增材制造(waam)；

156、激光單原子組合制造；

157、大型金屬制品的沿大平面精準(zhǔn)剖解的切割加工；

158、高速銑磨刃具對切割形成的大面進(jìn)行精密銑磨；

159、固態(tài)(異質(zhì))材料的焊接(攪拌摩擦焊)；

160、進(jìn)行溫度條件不太高(如1000℃以下)的鋁合金熔體、鎂合金熔體的合金熔體生產(chǎn)或進(jìn)一步的射流成型；

161、進(jìn)行大量的有壓力、溫度條件的有機(jī)合成或生產(chǎn)各種配合物。

162、綜上，利用可控激波造成的高能脈沖與物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)耦合效應(yīng)和解耦合作用，控制其膜態(tài)化曲率(壓力、速度、流量等)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的制造和加工，獲得常規(guī)手段無法做到或很難做到的超常效果。