一天模擬千年
——浙江大學(xué)牽頭建世界最大超重力離心模擬與實驗裝置

文/王湛

最近，浙江大學(xué)牽頭建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——超重力離心模擬與實驗裝置（英文簡稱CHIEF）項目可行性研究報告獲得了國家發(fā)展改革委批復(fù)。這也是浙江省建設(shè)的首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目。該項目選址杭州余杭區(qū)未來科技城，建設(shè)時間為5年，占地約89畝，總投入將超過20億人民幣。

什么是超重力離心模擬與實驗裝置？它有什么作用？原來，這套高科技設(shè)備具有“壓縮時空”的神奇功能，它能讓研究人員“跨越時間”，用一天模擬一千年，還能在實驗室里“跑高鐵”！

什么是超重力，能壓縮時空，一眼萬年

“浙大的這個CHIEF，是‘國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施’，是指大型復(fù)雜的科學(xué)研究裝置或系統(tǒng)，是能推動國家科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的‘國之重器’。和CHIEF同樣級別的裝置，還有北京正負電子對撞機、上海光源、天眼FAST射電望遠鏡等等。”陳云敏院士介紹。

CHIEF項目是“十三五”時期優(yōu)先建設(shè)的10項國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目之一，也是在浙江省建設(shè)的首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目。

朱斌教授是該項目的副總工程師，他向記者介紹了和超重力相關(guān)的知識。地球表面的任何物體都會受到地球重力的作用，人能夠站立在地面上，物體會下落，都是重力的原因。科學(xué)家們把地球上的重力叫做常重力，用1g（重力單位）來表示，大于1個g的就叫超重力。比如航天員乘坐飛船返回地球時，會受到4個g的超重力，相當(dāng)于承受了4個自己的重量。

在超重力環(huán)境下，會發(fā)生一些神奇效應(yīng)。因為這些神奇效應(yīng)，科學(xué)家們可以完成很多在常重力環(huán)境中難以完成的實驗。

首先，超重具有“縮尺”作用。朱斌打了一個比方，“舉個例子，想知道100層樓高的房子對地基的影響，那么我們只需要造1層樓高的模型，將它放在100個g的超重力作用下，這時，1層樓對地基的影響效果，就相當(dāng)于常重力下100層樓對地基影響的效果。這就是縮尺作用?！?/p>

超重力離心機和主要機載裝置示意圖

超重力場中還存在“縮時”效應(yīng)，科學(xué)家們可以利用這點極大地縮短實驗時間。陳云敏院士給記者舉了一個例子。如果在超重力離心機上搭載土體污染物遷移實驗裝置，就可以模擬污染物在地下大尺度、長歷時的運移。如果在現(xiàn)實中研究污染物的遷移，需要花費幾千年，但在超重力場中模擬實驗，可能只需要一天的時間，可謂“山中方一日，世上已千年”。

超重力有什么用，可以在實驗室里“跑高鐵”

超重力的“縮時”和“縮尺”等效應(yīng)，可以讓研究者做很多現(xiàn)實中無法操作的實驗。而想要產(chǎn)生一個超重力場，就需要超重力離心機。

CHIEF就是這樣一個超重力裝置。在CHIEF預(yù)研階段，浙大團隊就利用超重力，做出了不少成果，比如“高速鐵路列車運行動力效應(yīng)試驗系統(tǒng)”。

這個系統(tǒng)的設(shè)計是為了控制高鐵在我國東南沿海深厚軟土地區(qū)運行時的沉降。

怎么做實驗?zāi)?？在現(xiàn)實中，不可能真的在東南沿海修一條軌道、造一輛高鐵去研究，這需要花費巨大的金錢和時間成本。但是利用超重力環(huán)境中的縮尺、縮時等效應(yīng)，便可以用一個小的模型來模擬現(xiàn)實中高鐵的運行，來研究和驗證各種方案。

CHIEF預(yù)研實驗就提供了這樣的條件。這個“在實驗室里跑高鐵”的項目后來入選了2017年度“中國高等學(xué)校十大科技進展”。陳云敏院士說，“CHIEF研發(fā)出來可極大拓展我們的試驗研究能力，做原來沒法做的試驗。”

該項目建成后，將填補我國超大容量超重力裝置的空白，成為世界領(lǐng)先、應(yīng)用范圍最廣的超重力多學(xué)科綜合實驗平臺。

目前，世界上離心機最大容量為1200g·t（重力加速度×噸），而CHIEF容量將會達到1900g·t。它是一個構(gòu)建從瞬態(tài)到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質(zhì)運動的實驗環(huán)境的“大家伙”。

那么，CHIEF到底長什么樣子？它是怎樣產(chǎn)生超重力場的呢？此前，浙大已經(jīng)建成一個“迷你版”裝置ZJU400，它在浙大建工實驗大廳的地下室。這個圓形地下室占地約50平方米，里面有且僅有一個天平狀的機器，并占據(jù)了整個房間。陳云敏院士介紹，ZJU400的“手臂”有4.5米長，兩個轉(zhuǎn)軸上各搭載了一個邊長1米的正方體實驗艙，實驗艙的最大負荷有3噸。在它轉(zhuǎn)動到一定速度后，實驗艙在離心力的作用下，艙內(nèi)的超重力場就生成了。這是一臺離心加速度可達到150倍重力加速度的離心機。

離心機ZJU400，迷你版CHIEF

未來的CHIEF的轉(zhuǎn)臂半徑可達9m，實驗艙是3m，最大負荷可達32噸，是它的10倍。ZJU400可以說是一個微型CHIEF。

為什么要把機器放在地下室？這主要是出于安全考慮，“因為離心機上面搭載的吊籃會高速旋轉(zhuǎn)?！薄安贿^，在高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，人是不能在實驗艙內(nèi)操作實驗的?！标愒泼粼菏拷忉?，實驗艙內(nèi)有機械手臂，它們所有的動作都是在中央控制臺的控制下進行的。在這個地下室里面安裝了很多傳感器，能把檢測到的信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

既然已經(jīng)有迷你版，為什么還要建設(shè)CHIEF這個如此龐大的超重力離心機呢？“日常生活中，我們用的洗衣機也有很大的離心力，在醫(yī)學(xué)實驗里使用的離心機設(shè)備的離心力更大，但是它們都有一個缺點：所能負荷的東西少，抗不平衡能力差?！标愒泼粼菏空f，“所以我們研究的核心就是在高速的離心加速度上增加它所能承擔(dān)的重量。”

早在2018年1月份，CHIEF項目建議書就獲得了國家發(fā)展改革委的批復(fù)。在這一年多里，浙大的科學(xué)家團隊做的是“找茬”的預(yù)研工作，在正式開工之前，把可能碰到的技術(shù)難題都提出來。

“如果把超重力離心機主機比作一個挑著扁擔(dān)在轉(zhuǎn)圈的人，那么如何讓他不‘暈頭轉(zhuǎn)向’，就是在預(yù)研階段要解決的難題?！标愒泼粼菏空f。

（資料來源：《錢江晚報》；浙江大學(xué)網(wǎng)站）