本文將簡要梳理真空管道運輸的演變歷史，壹窺超級高鐵的前世今生。
真空技術的起源在托裏拆利實驗史1643中有確切的記載:將壹個密封的長管裝滿水銀，倒放在水銀槽中，可以發現大氣壓和真空之間的壓力差可以頂起壹個760mm的水銀柱。真空技術應用的第壹個案例是1654年的馬德堡半球實驗:將兩個半球合成壹個直徑為119 cm的球體，用真空泵將內部氣體抽走，然後每邊八匹馬拉不開。
馬格德堡哈爾布庫恩
可以說，這兩個著名的實驗都是利用了大氣和真空之間存在巨大壓力差的原理[1]，也是這種壓力差能夠產生機械力的壹個證明。後世也受到了運貨的啟發。
1799年，壹位名叫喬治·梅赫斯特的英國機械工程師和發明家申請了壹項以壓縮空氣為動力的風扇泵專利。第二年，他申請了利用壓縮空氣驅動汽車的“風力驅動”發動機的專利。同時，他提出了風動汽車的服務方案，建議在行駛路線上設立泵站，不斷補充其電力，可以理解為類似於電動汽車與充電樁的關系。
大氣鐵路
大氣鐵路
基於之前的想法，梅德赫斯特在1810提出了真空郵路的設想，認為這種利用氣壓差在管道內運輸信件和貨物的方法比郵遞員上門運輸更快更有效率。更進壹步，他開始設想用更大的管道運輸火車的可能性。
1812年，他首次發表了《大氣鐵路理論計算》壹文，論證了在鐵路軌道上方架設直徑數米的管道，通過氣壓差快速運送貨物和旅客的可行性、效果和優勢。此外，他還構想了另壹種形式的大氣鐵路，即在鐵軌下鋪設壹根長管。管道裏有連接火車的裝置，裝置在壓力差的作用下運動，從而帶動火車運動。火車的動力源不是車頭，而是車體下面的管道。
在他去世前不久，1827年9月，他出版了《新內陸運輸系統》壹書，高度贊揚氣動推進，認為這種方法即使沒有馬或其他動物提供動力，也能達到每小時96公裏的速度。
大氣鐵路是利用氣壓使車體沿軌道運動，而不是利用車頭作為動力。
但由於這樣或那樣的原因，大氣鐵路並沒有成功實施，這個想法也逐漸被擱置。直到2018年，壹位89歲的美國工程師馬克斯·施萊格爾(Max Schleger)才使之成為現實:他在自己的葡萄園裏設置了壹條軌道，軌道之間有壹條直徑為30厘米的PVC管，管外接壹個泵，將管內的空氣抽出，或將空氣註入管內。
馬克斯·施裏格的大氣鐵路
在氣壓差的作用下，管道中的“推力車”會通過磁鐵帶動與之相連的火車運行。這種只有標準鐵路系統六分之壹大小的模型的運行結果表明，它可以輕松克服傳統火車無法克服的陡坡，運行噪音更少，沒有架空輸電線路，泵也可以由可再生能源驅動。
馬克思·施裏格(Marx Schliger)用大氣鐵路的模型論證了火車模型在管道壹端向內吹氣時會受到氣壓的驅動。
在梅德赫斯特去世後的壹個多世紀裏，真空管道運輸的理論研究逐漸深入和完善。而且，這種交通方式在新興的科幻文學中也大放異彩。那些著作中的思想看似超前，實則在時間線上落後於科學家的理論研究，都有自己的理論原型。
65438年至0888年，儒勒·凡爾納的兒子米歇爾·凡爾納受大氣鐵路的啟發，發表了壹篇超短故事《未來的快車》。小說中設想了壹條鋪設在大西洋海底的鋼制管道，長4800多公裏，直徑約1.5米，重量超過1.3萬噸，連接歐洲和北美。管道由三層鐵網包裹，外表面塗有樹脂，防止海水活動。
在強大氣流的推動下，列車在管道中的速度高達每小時1800公裏。從波士頓出發，它可以在兩小時四十分鐘內到達利物浦。這種系統的優點是顯而易見的:管道內表面經過精細打磨，可以抑制乘客的緊張情緒；根據不同季節，氣流可以調節和平衡管道內的溫度；拋開重力和損耗的問題，系統的建設和運營成本低，所以票價低得不可思議。
由藝術家A. J .約翰遜為《未來快報》所作
而大氣鐵路需要克服空氣阻力和輪軌摩擦，理論速度上限較低。另外，即使車輛能達到很高的速度，那時候的氣動噪聲和振動也會變得很大，能耗也會大大增加。所以隨著科學的發展，理論研究也在逐漸向擺脫摩擦力和空氣阻力的方向發展。
1904年，現代火箭技術之父羅伯特·H·戈達德(Robert H Goddard)提出了真空列車(vactrain)的設想，這是第壹個現代意義上的真空管道運輸系統。那時，他是伍斯特理工學院的大壹新生。他想象火車在真空管道中滑行。為了通過非磁性手段加速和減速列車並防止摩擦，有必要在相對可移動的部件(如車輪和軌道)之間施加流體壓力。方法是用噴嘴噴出高壓高溫液體，噴出後立即變成高壓蒸汽，從而將車體懸浮在軌道上。
本質上，火車可以看作是運行在高壓液膜上。1906年，戈達德在短篇小說《高速往返》中完善了這壹思想。三年後，《科學美國人》以《快速交通的極限》為題發表了這項工作的綜述。
戈達德的真空列車專利中的示意圖
戈達德的設想可以說是從大氣鐵路到超級高鐵的過渡。與大氣鐵路相比，真空列車的管道處於真空狀態，列車不再利用壓力差提供動力。首次考慮減少空氣阻力，防止列車與軌道摩擦。與超級高鐵相比，vactrain的形式與它非常接近，但就懸浮和移動列車的手段而言，大多數超級高鐵方案都采用了磁懸浮技術，vactrain使用的是高壓氣體。
1955年，波蘭科幻大師斯坦尼斯拉夫·萊姆出版了《麥哲倫雲》。這部小說以32世紀的* * *資本主義烏托邦為背景，人類已經殖民了整個太陽系，正在嘗試星際旅行。萊姆在小說中描述了壹輛名為“Organowiec”的洲際真空列車，它可以在透明的真空管道中以超過1，666公裏的時速行駛。這顯然是受了vactrain的影響。
雇傭兵的掩護
1962年，美國科幻作家邁克·雷諾茲發表了他的短篇小說《唯利是圖》，其中甚至把真空管道運輸放在了至關重要的位置。
在小說中，和平已經實現。為了防止世界毀滅的可能性，政府規定戰鬥中只能使用20世紀以前設計的武器，所有戰鬥都將進行電視轉播，以娛樂大眾。各大公司利用雇傭軍來解決商業糾紛。在運輸業中，大陸氣墊船公司處於壟斷地位。新出現的真空管道運輸公司可以大大降低運輸成本，給消費者帶來更好的服務，從而打破壟斷，但首先，它要和前者開戰。
當然，不僅僅是武器，小說中的交通工具都是20世紀以前就有的想法。氣墊船的概念可以追溯到1716年，瑞典科學家艾曼紐·斯維登·伯格(Emmanuel Sviden Berg)在研究車輛的表面效應時，提到了“懸浮”這個詞。到19世紀初，有人認識到向船底泵入壓縮空氣可以減少航行阻力，提高速度。真空管道運輸的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特關於真空郵政線路的設想。所以，無論是小說裏，還是現實歷史中，真空管道運輸確實比氣墊船更新。
如果說以前的研究主要局限於理論計算，到了20世紀70年代，真空管道運輸的擁躉羅伯特·m·索爾特(Robert M. Salter)開始考慮實際操作問題。當時，他設想了壹個位於地下數百米的堅固巖層中的真空管道系統“Planetran”，該系統貫穿美國東北部的主要城市，在8個州設立了9個站點。
當時日本的新幹線已經運營了近10年，世界各地都在如火如荼的開展磁懸浮列車的研究，但技術畢竟還不成熟。因此，他沒有將磁懸浮技術應用到自己的想法中，而是提出使用鋼制輪胎。列車通過電磁力加速，減速是通過擠壓前方稀薄的空氣，使列車在相鄰管道內加速實現的。可以看作是大氣鐵路和真空列車的融合版。
這套系統最值得稱道的是其驚人的節能能力。作為壹個“高節能系統”，當列車減速時，它會將大部分能量返還給系統，供相鄰管道的車輛加速時使用。此外，普通列車運行過程中空氣阻力占總阻力的70%以上，但真空管內腔的空氣阻力會大大減小，能耗自然會降低，這樣每位乘客消耗的能源成本不到1美元，全程平均時速可達4800公裏，從美國東海岸到西海岸只需21分鐘。
索爾特認為，這壹系統將有助於減少飛機和地面車輛對大氣層的破壞，具有巨大的環境和經濟效益。因此，他將Planetran稱為美國“合乎邏輯的下壹步”。但其建造成本預計高達1萬億美元，因此該計劃未被政府采納。
隨著磁懸浮技術的突破，真空管道列車的倡導者也意識到這可能是其成功的關鍵因素之壹。1991年11月，傑拉德·K·奧尼爾(Gerard K O 'Neill)提出了專利申請，提出了“磁力飛行”的想法:管道中的列車運行在單軌上，而不是傳統的雙軌。軌道上安裝永久磁鐵，裝有可變磁鐵的列車在電磁力的作用下懸浮在軌道上。他計算過，如果從管道中抽出空氣，火車的速度可以達到每小時4000公裏。
21世紀，獲得真空的技術已經成熟，高速磁懸浮列車已經在中國、上海、山梨投入使用。看起來超級高鐵已經萬事俱備了。2013年，感覺加州北部的高速鐵路項目進展緩慢，特斯拉和太空探索技術公司的創始人埃隆·馬斯克(elon musk)發表了壹份57頁的白皮書，提出了在洛杉機和三藩市之間修建壹條560公裏長的hyperloop的想法。
在該系統中，運輸艙以1220 km/h的速度在真空管道中運行，懸浮艙的能量來自太陽能或其他可再生能源。有趣的是，馬斯克設想了壹種類似於戈達德提出的氣動懸掛方法。可見，超級高鐵幾乎完全脫胎於前人科學家的理論構想。
此後，多家公司和科研機構相繼進入超級高鐵R&D陣營，包括中國航天科技、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室、北交大、西京學院等國內機構。不過都是用磁懸浮。在大家最關心的最高時速上，也有機構給出6500公裏的數據。至於能不能實現，還是個未知數。
誠然，超級高鐵看似已經非常接近人類目前的科技水平，但實際上還有很多關鍵問題需要研究和解決——
正是因為以上以及更多沒有提到的問題，超級高鐵還處於模型試驗階段，遠沒有達到載人試驗的地步。好在理論上完全可行，全世界攻關的科學家也比以前多了，還是有希望成為現實的。
值得壹提的是，在研究真空管道列車的過程中，科學家們也曾設想過通過這種方式加速飛行器的可能性。因為傳統火箭如果增加載荷，就要做得更大，要塞更多的化學推進劑。真空管道運輸不僅快捷，而且節能。如果用來給飛機加速，飛機的體積可以更小或者載荷可以提高。
2001上世紀60年代超導磁懸浮(現代磁懸浮列車的基礎技術)發明人之壹、美國布魯克海文國家實驗室研究員詹姆斯·鮑威爾(James Powell)提出了壹個雄心勃勃的星際列車(StarTram)計劃，即磁懸浮空間發射系統。
顧名思義，該系統需要將磁懸浮飛船放入壹個伸向天空的彎曲真空管中。第壹代系統管道長度為130 km，出口高度為3~7 km。最好的地方是智利的安第斯山脈或者新墨西哥州南部的白沙導彈靶場。飛船加速後可以沖出管道，以14300~31500 km/h的速度逃離地球大氣層，這已經非常接近第二宇宙的速度了。
明星列車每1小時壹趟，每次發射可運載70多噸貨物。從每公斤的發射成本來看，該系統只需要20~50美元。要知道，就連太空探索技術公司也只敢說從原來的4600~20000美元降到了1400美元。從建造成本來看，第壹代系統需要200-400億美元，遠低於航天飛機30年周期花費的6543.8+096億美元，甚至低於美國2065.438+08年的6430億美元軍費。
研究團隊計劃第壹代星際列車將主要運輸衛星等貨物，並將於本世紀20年代完成。二代系統管道長1，000 ~ 1，500公裏，出口高度22公裏。它每年運送壹百萬太空遊客，每張票只需5000美元。計劃在20世紀30年代完工。
當然，明星列車除了面臨超級高鐵現有的問題，還增加了很多工程難題，比如管道的架設，飛機在管道中的懸浮控制等等。但星星列車壹提出，就被桑迪亞國家實驗室從可行性方面進行了驗證。目前也有相關的理論研究和模型試驗。如果星際列車能夠實現，可能會把人類帶入壹個全新的太空時代。
【1】絕對真空是人類技術手段無法獲得的。學術界定義的真空是壹種相對狀態，低於大氣壓就可以稱為真空，涵蓋了從壹個大氣壓(約105Pa)到虛無絕對真空(0Pa)的很大範圍。
[2]氣體稀薄度的測量。
這篇文章最早發表在2020年第二期《科幻世界》雜誌上，原題是《從地下到太空——真空管道運輸進化史》。