作者：佩萨赫·本森（Pesach Benson）和奥默·诺沃塞尔斯基（Omer Novoselsky） • 2026年9月9日

耶路撒冷，2026年9月9日（TPS-IL）——以色列和国际研究人员开展的一项新研究最终可能帮助工程师在可见裂缝突然撕裂材料之前，检测出材料何时开始出现故障。

研究人员发现，断裂可能始于微小的受损区域，这些区域在转化为快速生长的裂缝之前会缓慢扩大。这一发现可能为工程师提供一种潜在的方法，以便更早地识别正在发展中的故障。同样的机制也可能揭示地震是如何开始的，尽管检测这些缓慢移动的前兆仍然是一个重大挑战。

该研究由耶路撒冷希伯来大学拉卡物理研究所的尤瓦尔·帕兹（Yuval Paz）和杰伊·范伯格（Jay Fineberg）教授，以及北京理工大学的王萌和法国里昂国立应用科学学院/法国国家科研中心（CNRS/ENS de Lyon）的莫赫塔尔·阿达-贝迪亚（Mokhtar Adda-Bedia）共同主导。

在人眼看来，玻璃或塑料似乎会瞬间碎裂。但大部分断裂过程发生在最终破裂之前。在承受足够应力的情况下，材料内部会形成一个微小的受损区域，该区域不会立即变成裂缝，而是向外缓慢扩大。

范伯格对以色列新闻社（TPS-IL）表示：“我们的研究融合了与研究材料及其稳定性和强度的人们相关的3个独立问题。”

长期以来，科学家一直了解裂缝开始快速移动后的行为，但解释裂缝是如何开始的却更加困难。该研究为这一早期阶段（科学家称之为“蠕变”）提供了一种力学解释。

范伯格向TPS-IL解释道：“如果你仔细想想，这是材料中的缺陷总是应该形成的自然方式。”

研究人员试图了解一个最初比材料本身小得多的微小缺陷是如何生长直至完全切透的。他们的实验表明，受损区域极其缓慢地扩大，速度从每秒微米到毫米不等，并且占整个断裂过程的至少75%。

关键的转变发生在受损区域达到材料的全厚度时。

范伯格说：“当最终切透材料厚度时，这个补丁本质上改变了它的‘拓扑结构’。”

简单来说，受损区域最初是一个在其边缘周围扩大的小补丁。一旦它完全切透材料，它就变成了常规裂缝。此时，裂缝继续生长所需的能量要少得多，并且可以迅速加速。

从瑕疵到断裂

研究人员还发现，断裂开始时的尺寸可能比传统断裂理论预测的要小得多：大约0.1毫米，而被称为格里菲斯长度（Griffith length）的传统临界尺寸约为1毫米。

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这一发现表明，作用在材料上的应力，以及现有瑕疵的大小和几何形状，在决定断裂何时开始方面发挥着作用。

范伯格对TPS-IL表示：“该理论的底层基础完全是普遍的，并且只与瑕疵或裂缝的几何形状有关。我们理论的优势在于其简单性。我们只是正确地解释了裂缝几何形状的影响。”

这些发现也可能为理解地震提供见解。当地震断层沿线的应力克服了将构造板块固定在原位的力，导致板块突然滑动时，地震就会发生。

范伯格对TPS-IL表示：“由于地震动力学和断裂过程在（数学上）是相同的，我们的研究结果预测了地震前兆应有的行为。”

研究人员的发现表明，地震破裂也可能以一个缓慢扩大的区域开始，然后突然加速。范伯格表示，他的团队此前在对摩擦力的研究中也观察到了类似的转变。

这些发现并不意味着科学家目前能够预测地震或确切确定材料何时会失效。主要的挑战是在灾难性故障发生之前检测出这些缓慢移动的区域。

范伯格对TPS-IL表示：“由于它们非常缓慢，在扩大时不会产生任何‘噪声’”，这使得它们很难通过声音或地震信号被检测到。

如果研究人员最终能够开发出可靠的方法来检测这些前兆，这些发现可能会带来实际应用。

范伯格对TPS-IL表示：“如果我们成功了，我们或许能够延长材料的使用寿命，或者在地震的情况下，可能为它们的爆发提供早期预警。”

该研究发表在同行评审期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。