Cỗ máy bẻ cong thời gian và trọng lực
Sâu bên dưới khuôn viên Đại học Chiết Giang ở Hàng Châu, các kỹ sư đã hoàn thành một công trình thiết lập lại giới hạn của vật lý thực nghiệm. Được chôn sâu 15 mét dưới lòng đất để cách ly khỏi những rung động thường nhật, máy ly tâm CHIEF1900 là cỗ máy siêu trọng lực mạnh nhất từng được chế tạo. Với công suất 1.900 g-tấn, cơ sở này có thể tạo ra lực mạnh gấp 1.900 lần trọng lực tự nhiên của Trái Đất lên các mẫu vật nặng tới một tấn. Để hình dung thành tựu này, hãy so sánh với máy giặt gia đình thông thường, vốn chỉ tạo ra tối đa 2 g-tấn trong chu trình vắt mạnh nhất. CHIEF1900 hoạt động ở cường độ gần gấp một nghìn lần mức đó, tạo ra môi trường trong đó các quá trình vật lý tăng tốc đáng kể nhưng vẫn được kiểm soát và quan sát.
Nội dung
Hoàn thành vào cuối tháng 12/2025, cỗ máy ngầm này phá kỷ lục thế giới trước đó là 1.300 g-tấn, do cỗ máy cùng hệ CHIEF1300 lập chỉ vài tháng trước. Thành tựu trước đó đã vượt qua kỷ lục tồn tại lâu năm của công trình do Công binh Lục quân Mỹ vận hành tại Vicksburg, bang Mississippi, với công suất khoảng 1.200 g-tấn. Những đột phá nối tiếp nhanh chóng này cho thấy hạ tầng nghiên cứu toàn cầu đang dịch chuyển đáng kể, khi Trung Quốc hiện vận hành hai cơ sở siêu trọng lực mạnh nhất Trái Đất.
Chức năng cốt lõi của CHIEF1900 là nén không gian và thời gian. Bằng cách tạo ra lực ly tâm cực lớn, cỗ máy cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng những quá trình địa chất và kết cấu diễn ra trong hàng thập kỷ, thế kỷ, thậm chí hàng thiên niên kỷ chỉ trong khoảng thời gian thí nghiệm phù hợp. Một mô hình thu nhỏ thành đập dài ba mét, quay ở mức 100 g, chịu ứng suất kết cấu tương đương một con đập cao 300 mét ngoài thực tế, cho phép các nhà khoa học quan sát sự hình thành vết nứt và độ lún nền móng trong vài giờ thay vì hàng thập kỷ. Khả năng này làm thay đổi cách các kỹ sư tiếp cận vấn đề an toàn hạ tầng, đánh giá rủi ro môi trường và khoa học vật liệu.
Kỳ tích kỹ thuật dưới khuôn viên trường
CHIEF1900 do Tập đoàn Điện lực Hạt nhân Thượng Hải chế tạo, một nhà sản xuất công nghiệp chuyên sâu có chuyên môn về kỹ thuật hạng nặng và hệ thống hạt nhân. Được bàn giao cho Đại học Chiết Giang ngày 22/12/2025, cỗ máy là thành quả của dự án được phê duyệt năm 2021 với ngân sách 2 tỷ nhân dân tệ, tương đương khoảng 285 triệu USD. Khoản đầu tư này xây dựng Cơ sở Thí nghiệm Siêu trọng lực Ly tâm và Liên ngành, gọi tắt là CHIEF, trở thành một trong chỉ bốn tổ hợp máy ly tâm động quy mô lớn trên thế giới có khả năng mô phỏng động đất đang diễn ra trong điều kiện trọng lực cực lớn.
Việc lắp đặt cơ sở ở độ sâu 15 mét dưới lòng đất nhằm phục vụ mục đích khoa học thiết yếu, chứ không phải vì yếu tố thẩm mỹ. Ở tốc độ quay cần thiết để tạo ra 1.900 g-tấn, ngay cả những rung động cực nhỏ từ giao thông, xây dựng hoặc hoạt động địa chấn tự nhiên cũng có thể làm sai lệch dữ liệu thí nghiệm. Vị trí dưới lòng đất tạo độ ổn định cần thiết để đo những biến dạng nhỏ dưới lực cực lớn, bảo đảm số liệu phản ánh đặc tính của vật liệu được thử nghiệm chứ không phải tác động bên ngoài. Sự ổn định này đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu các hiện tượng như hóa lỏng đất trong động đất hay những vết nứt vi mô xuất hiện trước khi kết cấu bê tông hư hỏng.
Khác với cỗ máy tiền nhiệm đi vào hoạt động hồi tháng 9/2025, CHIEF1900 mở rộng giới hạn của những gì giới khoa học có thể mô hình hóa. CHIEF1300 đã chứng minh khả năng tái tạo áp suất đáy biển ở độ sâu đáng kể và mô phỏng tác động của sóng thần cao 20 mét lên đáy đại dương; máy mới tăng công suất thêm 46%. Mức tăng này cho phép nghiên cứu các mô hình lớn hơn, áp dụng điều kiện tải khắc nghiệt hơn và đạt tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn khi tiến hành các phép đo nhạy. Cơ sở hiện có nhiều máy ly tâm cùng sáu buồng thử nghiệm chuyên dụng, mỗi buồng được thiết kế cho một lĩnh vực nghiên cứu cụ thể, từ độ ổn định của mái dốc đến kỹ thuật biển sâu.
Khoa học về chuyển động quay cực đại
Nghiên cứu siêu trọng lực dựa trên một nguyên lý vật lý cơ bản trong thuyết tương đối rộng của Einstein: sự tương đương giữa gia tốc trọng trường và gia tốc quán tính. Khi các cánh tay khổng lồ của CHIEF1900 quay với tốc độ cao, mẫu vật gắn trên rôto chịu lực hướng ra ngoài mô phỏng trọng lực cực mạnh. Khả năng này được đo bằng g-tấn, đơn vị kết hợp hệ số gia tốc trọng trường với khối lượng mẫu vật đang thử nghiệm. Một vật thể bên trong máy ly tâm không thể phân biệt giữa việc ở trong trường hấp dẫn mạnh và bị gia tốc do chuyển động quay, nhờ đó các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng những điều kiện không thể tìm thấy trong tự nhiên trên bề mặt Trái Đất.
Ứng dụng thực tế của công nghệ này làm thay đổi cách giới nghiên cứu tiếp cận các công trình dân dụng quy mô lớn và nghiên cứu môi trường. Bằng cách đặt mô hình thu nhỏ vào máy ly tâm và quay ở mức gia tốc trọng trường cao, các nhà khoa học có thể tái tạo ứng suất kết cấu mà công trình nguyên kích thước sẽ phải chịu sau hàng chục năm sử dụng. Môi trường siêu trọng lực nén cả không gian lẫn thời gian theo các quy luật tỷ lệ đã được xác lập, giúp các nhà nghiên cứu quan sát những hiện tượng vốn bị che khuất bởi tiến trình địa chất chậm chạp.
Việc nén thời gian cũng được áp dụng trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Các nhà nghiên cứu có thể theo dõi chất ô nhiễm di chuyển qua các lớp đất trong khoảng thời gian địa chất kéo dài hàng nghìn năm, quan sát chỉ trong vài ngày cách các đám ô nhiễm hóa học có thể lan qua tầng chứa nước và đe dọa nguồn nước uống trong những thập kỷ tới. Cơ sở này cũng có thể khảo sát tương tác giữa đường ray tàu cao tốc với nền đất xung quanh sau hàng triệu chu kỳ tải, qua đó tìm hiểu các vấn đề rung động và lún ảnh hưởng đến sự thoải mái của hành khách cũng như kế hoạch bảo trì dài hạn. Những thí nghiệm này cung cấp dữ liệu thực nghiệm mà các phương pháp quan sát thực địa thông thường không thể thu thập được, đồng thời hé lộ các rủi ro lâu dài mà riêng mô hình máy tính không thể kiểm chứng.
Mô phỏng thảm họa để ngăn chặn
Cơ sở CHIEF có sáu buồng thử nghiệm chuyên dụng cho các lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt: kỹ thuật mái dốc và đập, địa kỹ thuật động đất, kỹ thuật biển sâu, nghiên cứu môi trường dưới lòng đất sâu, các quá trình địa chất và xử lý vật liệu. Mỗi buồng cho phép các nhà khoa học mô hình hóa những kịch bản thảm họa nguy hiểm hoặc không thể nghiên cứu bằng quan sát ngoài thực tế. Các kỹ sư có thể đánh giá phản ứng của đập trước một trận động đất lớn, sự sụp đổ của mái dốc trong những đợt mưa cực đoan hoặc phản ứng của công trình ngầm trước sóng địa chấn. Khả năng này biến các thảm họa tiềm tàng thành thử nghiệm có kiểm soát, tạo ra dữ liệu trước đây không thể tiếp cận về cơ chế hư hỏng và giới hạn an toàn.
Với các kỹ sư xây dựng, máy ly tâm tạo môi trường có kiểm soát để thử nghiệm khả năng chống chịu của hạ tầng trước khi khởi công. Mô hình đường hầm, đường cao tốc trên núi và công trình bảo vệ bờ biển được thử tải để mô phỏng hàng chục năm sử dụng kết hợp với thời tiết cực đoan hoặc hoạt động địa chấn. Cơ sở có thể khảo sát trạng thái của hydrat khí tự nhiên dưới áp suất biển sâu, hoặc khả năng vận hành của các hang ngầm được dùng làm nơi lưu trữ chất thải hạt nhân trong hàng thiên niên kỷ. Những ứng dụng này giải quyết các thách thức hạ tầng trọng yếu, nơi sự cố có thể gây thiệt hại thảm khốc về người và môi trường.
Các ứng dụng môi trường cũng có ý nghĩa không kém. Trong điều kiện siêu trọng lực, quá trình phân tách chất lỏng và chất rắn diễn ra nhanh hơn, giúp các nhà khoa học nghiên cứu cách chất ô nhiễm chôn vùi lan truyền qua các loại đất khác nhau và hiệu quả của các phương án xử lý sau hàng thế kỷ. Khả năng này hỗ trợ các quyết định quản lý và chiến lược khắc phục ô nhiễm bằng dữ liệu thực nghiệm về sự dịch chuyển của đám ô nhiễm, thay vì chỉ dựa vào mô hình lý thuyết. Trong nghiên cứu năng lượng, cơ sở có thể đánh giá phương pháp khai thác hydrat methane và độ ổn định của các địa điểm lưu trữ carbon trong địa chất, phục vụ những công nghệ thiết yếu cho chuyển dịch năng lượng và giảm thiểu biến đổi khí hậu.
Vượt qua thách thức kỹ thuật
Chế tạo một cỗ máy có thể quay các mẫu vật nặng nhiều tấn ở tốc độ tạo ra 1.900 g-tấn đặt ra những thách thức kỹ thuật lớn, đòi hỏi giải pháp riêng ở nhiều lĩnh vực. Dự án cần đến chuyên môn về kỹ thuật dân dụng, tự động hóa, nhiệt động lực học và khoa học môi trường; Đại học Chiết Giang đã tập hợp một đội ngũ chuyên biệt để đáp ứng những yêu cầu riêng của hệ thống quay cực tốc. Nhiều phương pháp kỹ thuật tiêu chuẩn không đáp ứng được quy mô này, buộc nhóm chế tạo phải thiết kế những bộ phận mới có khả năng chịu chuyển động tốc độ cao và điều kiện vận hành phức tạp.
Thách thức chính là kiểm soát nhiệt. Ở tốc độ vận hành tối đa, ma sát và sức cản không khí tạo ra lượng nhiệt lớn, có thể làm mất ổn định hệ thống hoặc thay đổi đặc tính mẫu vật. Các kỹ sư đã phát triển hệ thống kiểm soát nhiệt độ tinh vi dựa trên môi trường chân không, kết hợp tuần hoàn chất làm mát dạng lỏng với thông gió cưỡng bức. Hệ thống sử dụng mặt bích có đường kính lớn nhất từng được dùng cho ứng dụng này, cùng các chất làm lạnh chuyên dụng ở nhiệt độ cực thấp, để duy trì nhiệt độ vận hành ổn định khi quay tốc độ cao. Nếu không có năng lực làm mát này, lượng nhiệt phát sinh sẽ ảnh hưởng đến cả độ bền cơ học của máy ly tâm lẫn tính xác thực của kết quả thí nghiệm.
Việc kiểm soát rung động cũng đòi hỏi những giải pháp sáng tạo tương tự. Ngoài vị trí lắp đặt dưới lòng đất, thiết kế máy ly tâm còn tích hợp cơ chế cân bằng chính xác để bảo đảm những bất đối xứng nhỏ trong mẫu vật không gây ra dao động nguy hiểm. Các hệ thống này bảo vệ tính toàn vẹn của thí nghiệm và an toàn vật lý của cơ sở, bởi tình trạng mất cân bằng ở tốc độ quay cao như vậy có thể dẫn đến hỏng hóc cơ học thảm khốc. Nỗ lực liên ngành đóng vai trò thiết yếu trong quá trình phát triển và đưa cơ sở vào hoạt động thành công, đánh dấu một thành tựu thực sự trong lĩnh vực kỹ thuật chính xác quy mô lớn.
Hợp tác toàn cầu và khát vọng khoa học
Chen Yunmin, nhà khoa học trưởng của dự án CHIEF và giáo sư tại Đại học Chiết Giang, đã vạch ra tầm nhìn đầy tham vọng về phạm vi khoa học của cơ sở. Trong những phát biểu với truyền thông, ông mô tả mục tiêu của nhóm bằng những lời lẽ bao quát.
Chúng tôi hướng tới việc tạo ra các môi trường thí nghiệm trải dài từ mili giây đến hàng chục nghìn năm, từ quy mô nguyên tử đến kilômét, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường hoặc cực đoan. Cơ sở này cho chúng tôi cơ hội khám phá những hiện tượng hoặc lý thuyết hoàn toàn mới.
Cơ sở hoạt động theo mô hình mở cửa tiếp cận, mời các nhà nghiên cứu từ các trường đại học, viện nghiên cứu và ngành công nghiệp trong nước lẫn quốc tế đến tiến hành thí nghiệm. Cách tiếp cận hợp tác này đưa tổ hợp CHIEF trở thành một trung tâm nghiên cứu siêu trọng lực toàn cầu, tương tự vai trò của kính thiên văn lớn hay máy gia tốc hạt đối với cộng đồng vật lý quốc tế. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc tích cực khuyến khích hợp tác quốc tế, kỳ vọng rằng nghiên cứu siêu trọng lực có thể thay đổi cách cộng đồng kỹ thuật toàn cầu thử nghiệm hạ tầng và quản lý rủi ro.
Tuy nhiên, quá trình chuyển từ hoàn thành kỹ thuật sang kiểm chứng khoa học vẫn đang tiếp diễn. Dù máy đã được lắp đặt và được mô tả là đang vận hành, các kết quả thí nghiệm về CHIEF1900 qua bình duyệt vẫn chưa được công bố. Cộng đồng khoa học đang chờ dữ liệu thực nghiệm chứng minh cỗ máy phát huy được các khả năng lý thuyết như thế nào. Có sự khác biệt quan trọng giữa việc chế tạo một cỗ máy phi thường và chứng minh bằng nghiên cứu đã công bố mọi điều mà nó hứa hẹn. Ở giai đoạn này, thành tựu kỹ thuật đã rõ ràng, nhưng tác động khoa học đầy đủ còn phụ thuộc vào những gì các thí nghiệm trong tương lai hé lộ về ứng dụng thực tế và độ chính xác của các dự đoán từ mô hình thu nhỏ.
Điểm chính
- Máy ly tâm CHIEF1900 tại Đại học Chiết Giang tạo ra lực 1.900 g-tấn, trở thành cỗ máy nghiên cứu siêu trọng lực mạnh nhất thế giới, vượt kỷ lục 1.300 g-tấn do máy cùng hệ lập hồi đầu năm 2025
- Được Tập đoàn Điện lực Hạt nhân Thượng Hải chế tạo và chôn sâu 15 mét dưới lòng đất để giảm rung động, cơ sở có kinh phí khoảng 285 triệu USD và mất năm năm hoàn thành kể từ khi được phê duyệt năm 2021
- Cỗ máy có thể tạo lực hấp dẫn mạnh gấp 1.900 lần trọng lực tự nhiên của Trái Đất lên mẫu vật nặng một tấn; để so sánh, máy giặt gia đình tạo ra khoảng 2 g-tấn
- Ứng dụng gồm mô hình hóa sự cố đập, thiệt hại do động đất, sạt lở đất, sự dịch chuyển của chất ô nhiễm trong đất qua hàng thiên niên kỷ, trạng thái lưu trữ chất thải hạt nhân và cộng hưởng đường ray tàu cao tốc
- Sáu buồng thử nghiệm chuyên dụng phục vụ các lĩnh vực nghiên cứu như kỹ thuật mái dốc, địa kỹ thuật động đất, kỹ thuật biển sâu và nghiên cứu môi trường dưới lòng đất sâu
- Hệ thống làm mát dựa trên môi trường chân không, sử dụng chất làm mát chuyên dụng và mặt bích có đường kính lớn nhất từng được chế tạo cho các ứng dụng này, giúp kiểm soát nhiệt cực lớn phát sinh khi quay tốc độ cao
- Cơ sở mở cửa cho các nhà nghiên cứu quốc tế từ các trường đại học, viện nghiên cứu và ngành công nghiệp trên toàn thế giới, hoạt động như một nền tảng dùng chung tương tự các máy gia tốc hạt hoặc kính thiên văn lớn
- Dù công trình đã hoàn thành và máy đang vận hành, các kết quả khoa học về CHIEF1900 qua bình duyệt vẫn chưa được công bố; việc kiểm chứng đầy đủ năng lực của máy còn chờ các thí nghiệm trong tương lai
