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 超重力离心模拟与实验装置启动的首台离心机主机“CHIEF1300”。浙江大学供图

2025年9月29日，由我国完全自主研发的国家重大科技基础设施——超重力离心模拟与实验装置（CHIEF1300）在浙江杭州启动首台离心机主机。该设施将模拟出百倍、千倍于地球重力的“人造重力场”，使科研人员能在实验室中以很小的尺寸、极短的时间再现真实世界中的重大灾难、演化现象、极端环境等，为重大工程防灾减灾、深地深海资源开发、地下空间利用、新材料研制和地质过程研究等领域研究提供关键支撑。

那么，超重力究竟是什么？它与通常所说的重力有何关联？在超重力场中进行实验能取得怎样的效果？

实现“一步千里”与“一眼万年”

超重力从哪里来？想要探究这一问题，首先需要理解什么是重力。

重力这一物理学概念，对大多数人来说并不陌生。早在古希腊时期，亚里士多德就曾对重力进行过思考，但人类对重力的深入认知，直至17世纪才逐渐清晰——为什么苹果会落向地面，而不是飞向天空？英国物理学家艾萨克·牛顿逐步揭开了重力与万有引力的奥秘。

众所周知，地球表面的任何物体都会受到重力作用。人们在地球上承受的常规重力称为常重力，而当物体处于加速度环境中所受的力，则称为超重力。

超重力作用于人体时，最直观的感受就如飞机起飞时，我们感到的那种压迫感。航天员乘坐火箭升空时所承受的超重力更为强烈，他们甚至可能伴随胸闷、晕厥等症状。

在地球上研究超重力时，科学家们常通过高速旋转产生的离心力，来等效替代重力，以模拟不同的超重力环境。这也解释了为什么超重力离心模拟与实验装置需要高速旋转：转速越快，离心加速度越大；当离心加速度超过一定限度，便形成了超重力场。目前我们所启用的CHIEF1300装置，其实验舱内可产生高达常重力300倍的超重力场，是目前世界上容量最大的离心机主机。

那么，为什么要创设超重力环境开展实验呢？最根本的原因在于，超重力场能够同时实现空间尺度的压缩与时间进程的加速，即产生所谓的“缩尺效应”和“缩时效应”。俗语“一步千里”与“一眼万年”，即可用来形容这一现象。

借助这种时空压缩效应，真实世界中的100米可在实验舱中缩小为1米，使得高山、海洋、建筑等庞然大物得以在舱内模拟；而真实世界中的100年也可缩短为实验舱中的3.65天，让污染物扩散、深海演变等长周期过程得以全程观测。显然，超重力场的缩尺与缩时效应，能高效、全面地辅助科学家研究大尺寸、长周期对象的运行规律。

应用场景和价值“超级加倍”

超重力场压缩时空的特性叠加高压、低温等极端条件，有利于推进多领域的科研成果产出。

在防灾减灾领域，超重力场可用于模拟海洋及陆地重大自然灾害，通过分析模拟结果来制定有效的防灾减灾措施。

针对海洋灾害，典型的研究方式是在实验室中模拟海啸。通过按比例缩小波浪高度并增大重力，可使模型中的海啸冲击力与真实情况一致，从而观测分析海啸的危害过程，为沿海城市的海岸防护结构设计提供更科学的依据。

针对陆地灾害，超重力场可模拟特殊地层变形、泥石流和山体滑坡等灾害现象。例如，在研究软土、冻土等特殊地层的长期变形问题时，可利用离心机通过提高重力来模拟地层应力场的演化过程，基于演化规律指导工程建筑设计，减少误差、保障民生。

在能源开发领域，超重力技术同样具有重要应用价值。

以可燃冰开采为例。可燃冰主要分布于深海，是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰结晶物质。开采过程中，一旦原有的高压低温环境被破坏，可燃冰会迅速分解，甚至可能引发海底沉降、滑坡等地质灾害，开采难度极大。

如今，科学家已能在实验室中复刻千米深海的低温高压环境，直观研究可燃冰在开采过程中的分解规律，推动开采方案朝着更安全、更有效的方向发展。

据《浙江日报》报道，某科研团队曾利用100倍重力加速度模拟2000米深海水压及可燃冰储层的力学场，仅用1小时就还原了现场416天的开采演变过程，并以此不断优化采集方法。可以预见，CHIEF1300装置的投入使用，将为探索可燃冰安全开采新途径提供更加有力的支撑。

除能源领域外，超重力场在材料科学方面也具有广泛研究价值。例如，有材料科学团队在超重力环境下成功制备出高强度的铜锆合金，以及强度与塑性兼备的铜镍锡合金等性能优异的材料。这类材料的出现，有望解决高铁面临的高强导电材料、高强高弹性轴承材料等关键零部件性能不足的难题。

我们看到，超重力技术打破时空限制，使传统条件下难以实现的“大尺寸、长周期”研究成为可能，通过模拟深海、深地、深空等人类难以抵达的极端环境，为科技发展注入了“超级加倍”的强劲动力。

让“咆哮的巨兽”推动科技突破

超重力技术的核心目标，是超越或模拟我们熟悉的重力环境，以窥探物质在极端条件下的奥秘。

如果了解了科学家建成超重力场要解决的问题，就能深刻感受到，想要稳定驾驭这种力量，到底有多难。

首先，在地球上创造出一个稳定可控的超重力场本身，就是一场与物理力量的较量。想象一下，让一台巨型离心机的转臂末端产生相当于约地球重力几百倍甚至上千倍的加速度，其旋转速度引发的风压可能比17级台风还要猛烈。科学家们克服重重困难，让这样一个“咆哮的巨兽”长期稳定运行。

同时，在极端物理条件下，多场极端的物理条件被同时压缩叠加在一个装置中，这对实验装置的材料、密封和测量技术都提出了近乎残酷的要求。

实现超重力的征途上，遍布从理论到实践的层层险峰，实验装置的每一次加速轰鸣，都是人类勇敢发起的一次冲锋。

当前，全球面临资源短缺、环境压力加剧、极端环境探测等多重挑战。超重力技术凭借其“压缩时空”与“模拟极端环境”的独特优势，正迎来新的发展机遇。

从国家与地区战略需求来看，超重力技术未来有助于深海、深地等极端环境下，提高现有材料性能。比如，通过模拟极端海洋环境，可以优化舰艇结构与性能；借助模拟航空航天条件，能够提升装备的抗过载能力；等等。

从资源循环利用的角度看，超重力技术通过集成传感器与实时调控，提升运行稳定性，可用于废气、废水处理，助力碳减排与资源循环利用，开发高效低成本的污染治理设备，满足日益严格的环保要求。

从技术融合角度看，超重力技术不仅能作为独立单元发挥作用，还能与人工智能等其他技术协同耦合，显著提升模拟实验的精准度，推动技术突破与多领域交叉研究，形成创新合力。例如，超重力技术与微波、等离子体、超声波等技术结合，可产生协同效应，突破单一技术局限。

总体来看，凭借高效、节能、环保等优势，超重力技术正在多个领域展现出重要价值，推动产业升级与技术创新。

展望未来，超重力技术的潜在价值或将进一步释放，有望成为现代工业和科学研究中不可或缺的关键技术之一，持续赋能行业进步与科学发展。

编辑：郭寿权