在现实的生活里，我们也许没法穿越时空笑看沧海桑田，不过在实验室里，模拟一眼万年、一步千里的时空压缩倒并非不可能。浙江大学建筑工程学院陈云敏院士牵头的国家重大科技基础设施项目——超重力离心模拟与实验装置，就是一个构建从瞬态到万年时间尺度、从原子级到千米级空间尺度、从常温常压到高温高压等多相介质运动的实验环境的“大家伙”。
这个总投入超20亿元人民币的设施是“十三五”时期优先建设的10项国家重大科技基础设施项目之一，也是在浙江省建设的首个国家重大科技基础设施项目。
近日，国家发展和改革委员会批复了这个大科学装置的可行性研究报告。从项目建议书批复至今的一年多里，浙大的科学家团队在忙什么？这个大装置进展如何？最近记者采访了陈云敏院士。
“山中一日，世上千年”的神奇效应
地球表面的任何物体都受到地球重力的作用，即受到地球的引力和地球自转引起的惯性离心力的合力的作用。从被牛顿关注的那个苹果落地开始，人类对重力的研究就没有停止过。科学家们把地球上重力场叫常重力场，1g≈9.8m/s2，大于1个g的叫作超重力。
超重力是怎样一种体验呢？神舟十一号航天员陈冬这样描述：“飞船上升时，重力加速度在5.5个g，返回时在4个g左右，而我们训练时要达到8个g。像我70公斤，就是8个70公斤压在我身上，要能顶得住。普通成年人能承受4个g已经很不错了，如果是8个g，会压得胸痛，无法呼吸。”
显然，在超重力环境下，会发生我们平常看不到的神奇效应。首先，超重力增大了物质的体积力，能产生缩尺作用。举个例子，想知道100层楼高的房子对地基的影响，那么我们只需要造一层楼高的模型，在100个g的超重力作用下，就能模拟100层楼的效果。其次，超重力场加速了不同物质之间的相对运动的驱动力，从而产生缩时作用。比如超重力场下的爆气试验，超重力增大了气泡的运动速度，加速了相分离。
营造超重力场模拟常重力多相介质的物质运动过程，具有时空压缩、能量强化和加速相分离三种基本科学效应，能够提升人类观测常重力大时空尺度多相介质运动过程能力，并且提供加速多相介质相间分离的极端物理条件。正是因为功能强大，超重力离心机被誉为地球上营造超重力环境的“革命性工具”。目前世界上离心机最大容量为1200g•t（重力加速度×吨）。
此次浙江大学牵头建设的超重力离心模拟与实验装置，是综合集成超重力离心机与力学激励、高压、高温等机载装置，将超重力场与极端环境叠加一体的大型复杂科学实验设施。团队用设施英文名称（Centrifugal Hypergravity and Interdisciplinary Experiment Facility）的首字母给它取了个名字，叫CHIEF，寓意着该项目成为超重力离心模拟与实验装置方面的翘楚，引领全球科学家深耕重大基础设施建设、深地深海资源开发与高性能材料研发。设施主要建设内容包括超重力离心机主机、超重力实验舱、超重力试验保障系统和配套设施。其中，两台超重力离心机主机，最大容量1900 g•t，最大离心加速度1500g，最大负载32t；另外还有边坡与高坝、岩土地震工程、深海工程、深地工程与环境、地质过程、材料制备共六座超重力实验舱。项目建设周期为5年，建成后，将填补我国超大容量超重力装置的空白，成为世界领先、应用范围最广的超重力多学科综合实验平台。
“CHIEF可以为研究岩土体和地球深部物质的时空演变、加速物质相分离提供必不可少的实验手段，为国家重大科技任务开展、重大工程新技术研发和验证、物质前沿科学发展，提供先进的试验平台和基础条件支撑，显著提升我国相关多学科领域的研究水平和国际竞争力。”陈云敏院士打了个比方，如果在超重力离心机上搭载污染物土中迁移实验装置，我们就可以看到污染物在地下大尺度、长历时的运移，可谓“山中方一日，世上已千年”。
总体而言，CHIEF将超重力离心机能力从国内400g•t级、国际最大1200g•t突破至1900g•t，具备单次实验再现岩土体千米尺度演变与灾变、污染物万年历时迁移及获取千种材料成分的实验能力。
针对CHIEF的建设与运行，陈云敏院士希望全球顶级的研究力量一道参与。他说，实验装置将面向多用户、多领域开放，开展科学研究和国内外交流，“国家重大科技基础设施理应为我国乃至全球超重力前沿科学研究和相关领域技术发展提供有力保障。”
六座超重力实验舱各显神通
科学目标达成的第一步就是要在地球上产生一个超重力场。这也是CHIEF的第一部分超重力离心模拟装置的使命。超重力离心机通过转臂高速旋转在实验舱内产生离心加速度，舱内的物质就会受到离心力的影响。“当然也还是会受到重力加速度的作用，但是1g与离心加速度相比非常小，可以忽略。”陈云敏院士解释。
对于这样一个装置，或许可以从童年记忆中找到意象——旋转飞机，一种绕垂直轴中心旋转的飞机类游乐设备。当旋转速度超过一定值就产生了离心力，反映到人身上就是呼吸困难等。
有了超重力场，科学家就能在里面开展各类实验了，而具体的实验场所就是CHIEF的6座超重力实验舱及18台机载装置。根据设计，科学家们可以全过程观测超重力环境下岩土体、地球深部物质、合金熔体等多相介质的物质运动；揭示岩土体大时空演变与成灾、地质过程演变与成岩成矿、合金熔体超重力凝固的机制，为重大基础设施建设、深地深海资源开发、高性能材料研发等提供基础支撑。
●验证重大工程服役性能
我国正在形成越来越多的特大城市，正在规划建设一批大型水电站和核电站，重大工程建设规模居世界之首，许多新建重大工程在全球范围内未有先例，其服役性能与设计方案亟需实验验证。
○边坡与高坝实验舱
我国滑坡灾害频发，目前世界上仍没有公认的理论能够解释滑坡的高速、远程滑动过程。我国水力资源居世界第一，已建、在建和拟建高度超过200米的高坝占世界的50%。而梯级高坝是我国黄河、金沙江、雅砻江等水力资源开发的主要形式，他们的总落差达一二千米，总库容超过数百亿立方米，一旦一座大坝溃坝将造成多米诺效应的连溃，后果不堪设想。
我国一些重大工程尺度大且服役时间长，传统手段难以准确验证其有效性。因此，通过CHIEF，利用“时空压缩”效应开展超重力试验，突破滑坡预警和治理技术的发展，验证百米级高坝服役性能，为高烈度地震区的城市群规划及重大工程建设提供支撑。
○岩土地震工程实验舱
我国还是地震最活跃和地震灾害最严重的国家之一，场地岩土体是基岩地震向地面建筑物传播的媒介，地震动的场地效应、场地液化大变形和地震诱发滑坡等决定了建筑的震害程度。
CHIEF中的岩土地震工程实验舱提供了大负载单向振动台、世界上首座超重力三向振动台，将为研究复杂场地地震动演变规律和岩土体致灾效应提供国际一流的研究平台。
●增强我国地球科学和材料科学研究的原始创新能力
相分离是地球深部物质和合金熔体等多相介质物质运动的基本过程，超重力的“相分离加速”效应有助于发现其中的新现象和新规律。
○地质过程实验舱
地球内部物质的运移和演变是人类的科学难题之一，CHIEF为研究地球深部岩浆房中结晶率、地幔中矿物的重力分异作用、板块俯冲脱水过程等问题提供新的研究思路和方法，进一步加深人类对地球内部多圈层形成演化过程的认识。
地质过程实验舱负责人、中国科学院院士、浙江大学地球科学学院教授杨树锋表示，长期以来，科研人员对于地球深部的研究缺少有效手段。地质演化有两个特点：时间跨度可长达百万年，空间范围变化大到千公里。要想在地球深部进一步寻找矿产和油气资源，就必须深入地下。CHIEF正好具有时空压缩效应，这为我们研究大时空跨度地质过程演变、寻找勘探矿产和油气资源提供了非常重要的手段。
○材料制备实验舱
新材料是高端制造业的基础，关系产业发展和国家安全。高通量材料制备技术是当今研究的重点。利用超重力相分离加速效应，我们能够制备不同微区成分、相结构和组织的大尺寸块体高通量样品，从而发现高性能材料。
材料制备实验舱负责人、中国科学院院士、浙江大学材料科学与工程学院张泽教授表示，由于没有离心力机载高温装置，我们无法在原子尺度研究体积力对元素和缺陷的扩散行为。有了CHIEF之后，虽然原子之间的化学键很强，但材料中仍存在微观缺陷，加载离心力之后，重量或大小不同的原子在这些缺陷处可能呈现不同的扩散行为，导致不同的固态相变，帮助我们得到一些在现今面积力实验条件下得不到的性能数据。这个项目营造的高温-离心载荷动态耦合加载极端条件，对于材料学中液-固相变、固-固相变等基础科学问题的研究以及依赖材料发展的其他学科都有很大的促进作用。
●支撑我国能源和矿产资源开发向国际先进水平迈进
资源是全球经济社会发展面临的共同难题和挑战，目前千米深度以内浅层资源的勘探开发已逐步趋于极限，地球深部的资源勘探开发亟待发展。
○深海工程实验舱
深海天然气水合物资源被认为是一种储量巨大、21世纪最有潜力的替代能源。但是深海高压环境和复杂海床条件使得深海天然气水合物开采极为困难。超重力可以再现深海储层中天然气水合物的开采过程，模拟不同天然气水合物开采方法，为天然气水合物高效开采和灾害控制提供重要科学依据与实验支撑。
○深地工程与环境实验舱
深部资源开发、油气深地储存、二氧化碳地质封存和高放射性物质地质处置等成为我国能源地下开采、储备、放射性废物深地处置研究设施的建设过程中重要的科学研究方向。
“这些实验舱都是根据国内外现状及发展需求来确定的，特别是针对国家重大战略需求，我们召开了10余次专家论证会，经过了24位院士、上百位专家学者的论证。”陈云敏院士说。