扭轉時間與重力的機器
在杭州浙江大學校園地底深處，工程師已完成一項重新界定實驗物理界限的設備。CHIEF1900 離心機埋設於地下 15 公尺，以隔絕日常生活的震動，是史上建造的最強大超重力機器。這座設施的容量達 1,900 g·噸，能對重達一公噸的樣本施加相當於地球自然重力 1,900 倍的力。要理解這項成就，不妨想想一般家用洗衣機在最強力的脫水模式下，產生的力不超過 2 g·噸。CHIEF1900 的運轉強度將近是其一千倍，能在可控且可觀測的情況下，讓物理過程大幅加速。
這部地下機器於 2025 年 12 月底完工，打破了幾個月前由其姊妹機 CHIEF1300 創下的 1,300 g·噸世界紀錄。CHIEF1300 當時已取代長期保持紀錄的美國陸軍工兵團密西西比州維克斯堡設施，後者的容量約為 1,200 g·噸。這些突破接連出現，顯示全球研究基礎設施正迎來重大轉變；目前地球上兩座最強大的超重力設施都由中國運作。
CHIEF1900 的核心功能是壓縮空間與時間。透過產生極端離心力，這部機器讓研究人員得以在可管理的實驗室時程內，模擬數十年、數百年，甚至數千年的地質與結構變化。一座按比例縮小、僅 3 公尺高的水壩模型，在 100 g 的離心力下旋轉時，承受的結構應力等同於現實中一座 300 公尺高的全尺寸水壩，讓科學家能在數小時內觀察裂縫形成與地基沉陷，而非等待數十年。這項能力將改變工程師評估基礎設施安全、環境風險與材料科學的方式。
校園地底的工程奇蹟
CHIEF1900 由專精重型工程與核能系統的工業製造商上海電氣核電集團建造，並於 2025 年 12 月 22 日交付浙江大學。這部機器是「離心超重力與跨學科實驗設施」（簡稱 CHIEF）計畫的成果。計畫於 2021 年核准，預算為 20 億元人民幣，約合 2 億 8,500 萬美元。這項投資使 CHIEF 成為全球僅有的四座大型動態離心機綜合設施之一，能在極端重力條件下模擬地震發生時的狀況。
將設施設於地下 15 公尺，是為了達成關鍵的科學目的，而非出於美觀考量。要產生 1,900 g·噸，離心機必須以極高轉速運作，即使交通、施工或自然地震活動造成的微小振動，都可能破壞實驗數據。地下位置能提供必要的穩定性，讓研究人員在極端力道下測量微小變形，確保測量結果反映受測材料的行為，而非外部干擾。在研究地震時的土壤液化，或混凝土結構失效前出現的微裂縫等現象時，這種穩定性尤其重要。
CHIEF1900 與 2025 年 9 月啟用的前一代機型不同，它拓展了科學家能進行模擬的範圍。CHIEF1300 已展現出多項能力，例如重現深海海床承受的壓力，以及模擬 20 公尺高海嘯對海床的衝擊；新機器則將容量提高了 46%。這項提升意味著研究人員能使用更大型的比例模型、施加更嚴苛的負載條件，並在精密測量時取得更清晰的訊號。設施目前配備多座離心機及六間專用試驗艙，各自針對不同研究領域設計，涵蓋邊坡穩定到深海工程等主題。
極速旋轉的科學
超重力研究仰賴一項以愛因斯坦廣義相對論為基礎的基本物理原理：重力加速度與慣性加速度等效。CHIEF1900 的巨大轉臂高速旋轉時，固定在轉子上的樣本會受到向外的力，模擬極強的重力。科學家以 g·噸衡量這種能力，這個單位結合了重力加速度倍數與受測樣本的質量。離心機中的物體無法區分自己是身處強重力場，還是因旋轉而受加速，因此研究人員得以模擬地球表面自然界中不可能出現的條件。
這項技術的實際應用，改變了研究人員進行大型土木工程與環境研究的方式。科學家將比例模型放入離心機，以高 g 值旋轉，便能重現全尺寸基礎設施在數十年使用期間承受的結構應力。根據成熟的比例律，超重力環境能同時壓縮空間與時間，讓研究人員觀察原本會被漫長地質過程掩蓋的現象。
時間壓縮也適用於環境污染研究。研究人員能追蹤污染物如何在數千年的地質時間尺度中穿越土層，在數天內觀察化學污染羽流可能如何流經含水層，並在未來數十年威脅飲用水供應。設施也能檢視高速鐵路軌道經歷數百萬次負載循環後，與周圍地層的互動情形，協助處理影響乘客舒適度與長期維護時程的振動及沉陷問題。這些實驗能提供實證資料，傳統實地觀測無法取得；相較於單靠電腦模型，這些資料也能驗證長期風險。
模擬災難，防患未然
CHIEF 設施設有六間專用試驗艙，分別研究邊坡與水壩工程、地震地盤工程、深海工程、深地環境研究、地質過程及材料處理。每間試驗艙都能讓科學家模擬不同領域的災難情境；這些情境透過實地觀測可能具有危險性，或根本無法研究。工程師能評估水壩遇上強震時的反應、陡坡在極端降雨下如何崩塌，或地下結構如何承受地震波。這項能力將潛在災害轉化為可控的試驗，產出以往難以取得的失效機制與安全餘裕資料。
對土木工程師而言，離心機提供了可控的測試環境，讓他們能在施工前檢驗基礎設施的韌性。隧道、山區公路與海岸防護工程模型，會接受模擬數十年使用狀況，並結合極端天氣或地震活動的壓力測試。設施也能檢視天然氣水合物在深海壓力下的行為，或地下洞室作為核廢料儲存設施時，數千年內可能呈現的狀況。這些應用回應了關鍵的基礎設施挑戰；一旦設施失效，將造成災難性的人員傷亡與環境損失。
環境方面的應用同樣重要。在超重力條件下，液體與固體的分離過程會加快，使科學家得以研究埋藏污染物如何在不同土壤中擴散，以及整治策略在數百年時間尺度下可能有何成效。這項能力能提供污染羽流遷移的實證資料，而非僅依賴理論模型，為法規決策與清理策略提供依據。在能源研究方面，設施能評估甲烷水合物開採方法及地質碳封存場址的穩定性，為能源轉型與氣候減緩所需的關鍵技術提供研究支援。
克服工程挑戰
要建造一部能讓數公噸樣本以產生 1,900 g·噸力道的速度旋轉的機器，工程師面臨重大技術挑戰，必須跨領域研發客製化解決方案。此計畫需要土木工程、自動化、熱力學與環境科學等專業，浙江大學也組成專門團隊，因應極端旋轉系統的獨特需求。在這種規模下，許多標準工程方法都不敷使用，因此必須設計能承受高速運動與複雜運作條件的新型組件。
首要挑戰是熱管理。在最高運轉速度下，摩擦與空氣阻力會產生大量熱能，可能使系統不穩定，或改變樣本特性。工程師研發出精密的真空式溫控系統，結合液態冷卻劑循環與強制空氣通風。系統採用同類應用中最大的法蘭直徑，並搭配特殊冰川冷媒，以便在高速旋轉期間維持穩定的運作溫度。若沒有足夠的冷卻能力，產生的熱量將損害離心機的機械完整性，也會影響實驗結果的可靠性。
振動控制同樣需要創新解決方案。除了將設施設於地下，離心機也採用精密平衡機制，確保樣本些微不對稱時不會引發破壞性震盪。這些系統能維護實驗的可靠性及設施的實體安全，因為在如此高的轉速下，失衡可能導致嚴重的機械故障。跨領域團隊的努力，對設施成功研發與啟用至關重要，也是大型精密工程的一項實質成就。
全球合作與科學抱負
浙江大學教授、CHIEF 計畫首席科學家陳雲敏，為設施的研究範圍描繪了雄心勃勃的願景。他在接受媒體訪問時，以宏大的尺度說明團隊的目標。
我們的目標是打造能涵蓋毫秒至數萬年、原子至公里尺度的實驗環境，並能在常態或極端的溫度與壓力條件下進行實驗。這讓我們有機會發現全新的現象或理論。
設施採取開放共享模式，邀請國內外大學、研究機構及產業界研究人員進行實驗。這種合作方式使 CHIEF 綜合設施成為全球超重力研究中心，有如大型望遠鏡或粒子加速器服務國際物理學界。中國團隊積極鼓勵國際合作，期盼超重力研究能改變全球工程界測試基礎設施與管理風險的方式。
然而，從工程完工到科學驗證的過程仍在進行中。雖然機器已安裝完成，並被描述為投入運作，CHIEF1900 的同儕審查實驗結果尚未發表。科學界正等待實證資料，確認這部機器能否實現其理論能力。建造一部非凡機器，與透過已發表研究證明它能實現承諾的所有功能，兩者之間有重要差異。現階段，工程成就已相當明確，但其完整的科學影響，仍取決於未來實驗對實際應用及比例模型預測準確度的揭示。
重點整理
- 浙江大學的 CHIEF1900 離心機可產生 1,900 g·噸的力，是全球最強大的超重力研究機器，超越其姊妹機於 2025 年稍早創下的 1,300 g·噸紀錄
- 設施由上海電氣核電集團建造，埋設於地下 15 公尺以降低振動；工程於 2021 年核准，耗資約 2 億 8,500 萬美元，歷時五年完工
- 這部機器能對一公噸樣本施加相當於地球自然重力 1,900 倍的力；家用洗衣機產生的力則約為 2 g·噸
- 應用包括模擬水壩潰決、地震損害、山崩、污染物在土壤中歷經數千年的遷移、核廢料儲存行為，以及高速鐵路軌道共振
- 六間專用試驗艙涵蓋邊坡工程、地震地盤工程、深海工程及深地環境研究等領域
- 真空式冷卻系統採用特殊冷卻劑，並使用同類應用中最大的法蘭，管理高速旋轉時產生的極端熱量
- 設施開放全球大學、研究機構及產業界的國際研究人員使用，是共享研究平台，類似大型粒子加速器或望遠鏡
- 設施已完工，機器也已投入運作，但 CHIEF1900 的同儕審查科學成果尚未發表；其完整能力仍待未來實驗驗證
