弯曲时间与重力的机器
在杭州浙江大学校园地下深处，工程师们完成了一项重新定义实验物理边界的设施。CHIEF1900离心机埋设在地下15米处，以隔绝日常活动带来的振动，是迄今建成的最强大超重力设备。它的容量达到1,900 g·吨，能够对重达一公吨的样品施加相当于地球自然重力1,900倍的力。要理解这一成就，不妨想想普通家用洗衣机在最强劲的脱水程序中产生的力不超过2 g·吨。CHIEF1900的运行强度接近其1,000倍，营造出一种物理过程会大幅加速、同时仍可受到控制和观察的环境。
这台地下设备于2025年12月下旬建成，打破了此前的世界纪录。该纪录为1,300 g·吨，由其姊妹设备CHIEF1300在几个月前创下。此前，这一成就已超过长期保持纪录的美国陆军工程兵团密西西比州维克斯堡设施，该设施的容量约为1,200 g·吨。这些突破接连出现，表明全球科研基础设施正在发生重大转变：中国如今拥有地球上两座最强大的超重力设施。
CHIEF1900的核心功能是压缩空间与时间。通过产生极强的离心力，这台设备能让研究人员在可控的实验室时间范围内，模拟数十年、数百年乃至数千年的地质和结构变化。一个以100 g旋转的3米高大坝模型，承受的结构应力相当于现实中一座300米高的大坝，因此科学家能在数小时内观察裂缝形成和地基沉降，而不是等待数十年。这一能力改变了工程师应对基础设施安全、环境风险评估和材料科学问题的方式。
校园地下的工程奇迹
CHIEF1900由上海电气核电集团建造。该集团是一家专注于重型工程和核能系统的工业制造商。设备于2025年12月22日交付浙江大学，是一项于2021年获批、预算为20亿元人民币（约合2.85亿美元）的工程项目的成果。这项投资建成了离心式超重力与交叉学科实验设施（简称CHIEF）。在全球范围内，能够在极端重力条件下模拟地震活动的大型动态离心机综合设施仅有四座，CHIEF是其中之一。
将设施安装在地下15米处，是出于关键的科学考量，而非审美偏好。设备要产生1,900 g·吨的力，必须以极高转速运行；此时，交通、施工甚至自然地震活动带来的微小振动，都可能破坏实验数据。地下位置提供了测量极端载荷下细微变形所必需的稳定性，确保读数反映受测材料的行为，而非外界干扰。在研究地震时的土壤液化或混凝土结构失效前出现的微裂缝等现象时，这种稳定性至关重要。
CHIEF1900于2025年9月投入运行的前代设备相比，拓展了科学家可模拟条件的范围。CHIEF1300此前已展示了再现海床深处压力，以及模拟20米高海啸对海底影响等能力；新设备则将容量提升了46%。这意味着研究人员可以使用更大比例的模型、施加更严苛的载荷条件，并在敏感测量中获得更高的信噪比。该设施现配有多台离心机和六个专用试验舱，分别用于坡体稳定性、深海工程等领域的研究。
极限旋转的科学
超重力研究依托一项基本物理原理，即源自爱因斯坦广义相对论的引力加速度与惯性加速度等效原理。CHIEF1900的巨大转臂高速旋转时，固定在转子上的样品会受到向外的力，模拟极强的重力。科学家用g·吨衡量这项能力；这一单位将重力加速度倍数与受测样品的质量结合起来。离心机内的物体无法分辨自己处于强引力场中，还是正因旋转而受到加速，因此研究人员可以模拟地球表面自然环境中无法出现的条件。
这项技术的实际应用改变了研究人员开展大型土木工程和环境研究的方式。科学家将缩尺模型放入离心机，并以高重力加速度旋转，就能再现大型基础设施在数十年使用期间承受的结构应力。依据成熟的相似律，超重力环境压缩了空间和时间，使研究人员得以观察那些原本会被缓慢的地质过程所掩盖的现象。
这种时间压缩也适用于环境污染研究。研究人员能够追踪污染物在数千年地质时间尺度内如何穿过不同土层迁移，在几天内观察化学污染羽流可能如何流经含水层，并在数十年后威胁饮用水源。该设施还可研究高速铁路轨道在经历数百万次载荷循环后如何与周边地层相互作用，从而解决影响乘客舒适度和长期维护安排的振动与沉降问题。这些实验能够提供常规实地观测无法获得的实证数据，揭示仅靠计算机模型无法验证的长期风险。
模拟灾害，以防灾害
CHIEF设施设有六个专用试验舱，分别用于坡体与大坝工程、地震岩土工程、深海工程、深地环境研究、地质过程和材料处理。每个试验舱都能让科学家模拟不同领域的灾难性情景；这些情景通过现实世界观测来研究会非常危险，或根本无法实现。工程师可以评估大坝遇到强震时的反应、陡坡在极端降雨期间如何失稳，或地下结构如何响应地震波。这项能力将潜在灾害转化为可控试验，让研究人员获得以往难以取得的失效机理和安全裕度数据。
对土木工程师而言，这台离心机提供了一个可控环境，可在工程开工前测试基础设施的韧性。隧道、山区公路和海岸防护设施的模型会接受压力测试，模拟数十年的使用过程以及极端天气或地震活动的共同影响。该设施还可研究天然气水合物在深海压力下的行为，或地下洞室作为核废料储存设施时能否稳定运行数千年。这些研究针对的是关键基础设施难题，一旦发生故障，将造成灾难性的人身与环境损失。
这项技术在环境领域的应用同样意义重大。在超重力条件下，流体和固体的分离速度加快，科学家因此能够研究埋藏污染物如何在不同土壤类型中扩散，以及修复策略在数百年间可能产生的效果。通过提供污染羽流迁移的实证数据，而非单纯依赖理论模型，这项能力有助于制定监管决策和清理方案。在能源研究方面，该设施可以评估甲烷水合物开采方法，以及地质封存二氧化碳场址的稳定性，为能源转型和气候减缓所需的关键技术提供研究支持。
克服工程挑战
建造一台能够让数吨级样品高速旋转、产生1,900 g·吨载荷的设备，面临着重大的技术挑战，需要多个学科协同开发定制解决方案。该项目涉及土木工程、自动化、热力学和环境科学等领域的专业知识，浙江大学组建了专项团队，以应对极限旋转系统的特殊需求。在这一规模下，许多常规工程方法都难以胜任，因此必须设计能够承受高速运动和复杂运行条件的新型部件。
首要挑战是热管理。在最高运行速度下，摩擦和空气阻力会产生大量热量，可能造成系统不稳定或改变样品性质。工程师开发了一套精密的真空温控系统，将液体冷却剂循环与强制通风结合起来。该系统采用此类应用中迄今最大的法兰直径，并使用专用冰川制冷剂流体，以确保设备高速旋转时运行温度稳定。若没有足够的冷却能力，产生的热量将损害离心机的机械完整性，并影响实验结果的有效性。
振动控制同样需要创新方案。除了将设备安装在地下，离心机还采用精密平衡机构，确保样品的细微不对称不会引发破坏性振荡。这些系统既保护实验的可靠性，也保障设施的物理安全；在如此高的转速下，任何失衡都可能导致灾难性的机械故障。多学科协作对设施的成功研发和启用至关重要，也体现了大型精密工程领域的一项真正成就。
全球合作与科学抱负
CHIEF项目首席科学家、浙江大学教授陈云敏阐述了该设施宏大的科学愿景。他在接受媒体采访时，用宽广的视野描述了团队的目标。
我们的目标是在常规或极端温度和压力条件下，打造涵盖毫秒至数万年、原子至千米尺度的实验环境。这让我们有机会发现全新的现象或理论。
该设施实行开放共享模式，欢迎国内外高校、研究机构和企业的研究人员前来开展实验。这种协作方式有望使CHIEF综合设施成为全球超重力研究中心，就像大型望远镜或粒子加速器服务于国际物理学界一样。中国团队积极推动国际合作，希望超重力研究能够改写全球工程界测试基础设施和管理风险的方式。
不过，从工程竣工到科学验证的过渡仍在进行中。虽然设备已安装完毕并被称为投入运行，但CHIEF1900的同行评审实验结果尚未发表。科学界正等待实证数据，以证明这台设备确实具备理论所述的能力。建成一台非凡的设备，与通过已发表研究证明它能够实现所有承诺，两者之间存在重要区别。现阶段，工程成就已毋庸置疑；但其全部科学影响仍有待未来实验揭示，包括现实应用的表现和缩尺模型预测的准确性。
要点
- 浙江大学的CHIEF1900离心机可产生1,900 g·吨的力，是全球最强大的超重力研究设备，超过其姊妹设备于2025年稍早创下的1,300 g·吨纪录
- 该设施由上海电气核电集团建造，埋设在地下15米处以尽可能减少振动，耗资约2.85亿美元；项目于2021年获批，历时五年完工
- 该设备可对一吨样品施加相当于地球自然重力1,900倍的力；家用洗衣机产生的力约为2 g·吨
- 应用领域包括模拟大坝失事、地震破坏、山体滑坡、污染物数千年来在土壤中的迁移、核废料储存设施的行为，以及高速铁路轨道共振
- 六个专用试验舱覆盖多个研究领域，包括坡体工程、地震岩土工程、深海工程和深地环境研究
- 基于真空的冷却系统采用专用冷却剂，并使用此类应用中迄今最大的法兰直径，以管理高速旋转产生的极端热量
- 该设施向全球高校、研究机构和企业的国际研究人员开放，是一个共享平台，运作方式类似大型粒子加速器或望远镜
- 虽然建设已经完成，设备也已投入运行，但CHIEF1900的同行评审科学成果尚未发表，其完整能力仍有待未来实验验证
