管道运输历史
本文将简要梳理真空管道运输的演变历史，一窥超级高铁的前世今生。
真空技术的起源在托里拆利实验史1643中有确切的记载:将一个密封的长管装满水银，倒放在水银槽中，可以发现大气压和真空之间的压力差可以顶起一个760mm的水银柱。真空技术应用的第一个案例是1654年的马德堡半球实验:将两个半球合成一个直径为119 cm的球体，用真空泵将内部气体抽走，然后每边八匹马拉不开。
马格德堡哈尔布库恩
可以说，这两个著名的实验都是利用了大气和真空之间存在巨大压力差的原理[1]，也是这种压力差能够产生机械力的一个证明。后世也受到了运货的启发。
1799年，一位名叫乔治·梅赫斯特的英国机械工程师和发明家申请了一项以压缩空气为动力的风扇泵专利。第二年，他申请了利用压缩空气驱动汽车的“风力驱动”发动机的专利。同时，他提出了风动汽车的服务方案，建议在行驶路线上设立泵站，不断补充其电力，可以理解为类似于电动汽车与充电桩的关系。
大气铁路
大气铁路
基于之前的想法，梅德赫斯特在1810提出了真空邮路的设想，认为这种利用气压差在管道内运输信件和货物的方法比邮递员上门运输更快更有效率。更进一步，他开始设想用更大的管道运输火车的可能性。
1812年，他首次发表了《大气铁路理论计算》一文，论证了在铁路轨道上方架设直径数米的管道，通过气压差快速运送货物和旅客的可行性、效果和优势。此外，他还构想了另一种形式的大气铁路，即在铁轨下铺设一根长管。管道里有连接火车的装置，装置在压力差的作用下运动，从而带动火车运动。火车的动力源不是车头，而是车体下面的管道。
在他去世前不久，1827年9月，他出版了《新内陆运输系统》一书，高度赞扬气动推进，认为这种方法即使没有马或其他动物提供动力，也能达到每小时96公里的速度。
大气铁路是利用气压使车体沿轨道运动，而不是利用车头作为动力。
但由于这样或那样的原因，大气铁路并没有成功实施，这个想法也逐渐被搁置。直到2018年，一位89岁的美国工程师马克斯·施莱格尔(Max Schleger)才使之成为现实:他在自己的葡萄园里设置了一条轨道，轨道之间有一条直径为30厘米的PVC管，管外接一个泵，将管内的空气抽出，或将空气注入管内。
马克斯·施里格的大气铁路
在气压差的作用下，管道中的“推力车”会通过磁铁带动与之相连的火车运行。这种只有标准铁路系统六分之一大小的模型的运行结果表明，它可以轻松克服传统火车无法克服的陡坡，运行噪音更少，没有架空输电线路，泵也可以由可再生能源驱动。
马克思·施里格(Marx Schliger)用大气铁路的模型论证了火车模型在管道一端向内吹气时会受到气压的驱动。
在梅德赫斯特去世后的一个多世纪里，真空管道运输的理论研究逐渐深入和完善。而且，这种交通方式在新兴的科幻文学中也大放异彩。那些著作中的思想看似超前，实则在时间线上落后于科学家的理论研究，都有自己的理论原型。
65438年至0888年，儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的启发，发表了一篇超短故事《未来的快车》。小说中设想了一条铺设在大西洋海底的钢制管道，长4800多公里，直径约1.5米，重量超过1.3万吨，连接欧洲和北美。管道由三层铁网包裹，外表面涂有树脂，防止海水活动。
在强大气流的推动下，列车在管道中的速度高达每小时1800公里。从波士顿出发，它可以在两小时四十分钟内到达利物浦。这种系统的优点是显而易见的:管道内表面经过精细打磨，可以抑制乘客的紧张情绪；根据不同季节，气流可以调节和平衡管道内的温度；抛开重力和损耗的问题，系统的建设和运营成本低，所以票价低得不可思议。
由艺术家A. J .约翰逊为《未来快报》所作
而大气铁路需要克服空气阻力和轮轨摩擦，理论速度上限较低。另外，即使车辆能达到很高的速度，那时候的气动噪声和振动也会变得很大，能耗也会大大增加。所以随着科学的发展，理论研究也在逐渐向摆脱摩擦力和空气阻力的方向发展。
1904年，现代火箭技术之父罗伯特·H·戈达德(Robert H Goddard)提出了真空列车(vactrain)的设想，这是第一个现代意义上的真空管道运输系统。那时，他是伍斯特理工学院的大一新生。他想象火车在真空管道中滑行。为了通过非磁性手段加速和减速列车并防止摩擦，有必要在相对可移动的部件(如车轮和轨道)之间施加流体压力。方法是用喷嘴喷出高压高温液体，喷出后立即变成高压蒸汽，从而将车体悬浮在轨道上。
本质上，火车可以看作是运行在高压液膜上。1906年，戈达德在短篇小说《高速往返》中完善了这一思想。三年后，《科学美国人》以《快速交通的极限》为题发表了这项工作的综述。
戈达德的真空列车专利中的示意图
戈达德的设想可以说是从大气铁路到超级高铁的过渡。与大气铁路相比，真空列车的管道处于真空状态，列车不再利用压力差提供动力。首次考虑减少空气阻力，防止列车与轨道摩擦。与超级高铁相比，vactrain的形式与它非常接近，但就悬浮和移动列车的手段而言，大多数超级高铁方案都采用了磁悬浮技术，vactrain使用的是高压气体。
1955年，波兰科幻大师斯坦尼斯拉夫·莱姆出版了《麦哲伦云》。这部小说以32世纪的共产主义乌托邦为背景。人类已经殖民了整个太阳系，并试图在恒星之间旅行。莱姆在小说中描述了一辆名为“Organowiec”的洲际真空列车，它可以在透明的真空管道中以超过1，666公里的时速行驶。这显然是受了vactrain的影响。
雇佣兵的掩护
1962年，美国科幻作家迈克·雷诺兹发表了他的短篇小说《唯利是图》，其中甚至把真空管道运输放在了至关重要的位置。
在小说中，和平已经实现。为了防止世界毁灭的可能性，政府规定战斗中只能使用20世纪以前设计的武器，所有战斗都将进行电视转播，以娱乐大众。各大公司利用雇佣军来解决商业纠纷。在运输业中，大陆气垫船公司处于垄断地位。新出现的真空管道运输公司可以大大降低运输成本，给消费者带来更好的服务，从而打破垄断，但首先，它要和前者开战。
当然，不仅仅是武器，小说中的交通工具都是20世纪以前就有的想法。气垫船的概念可以追溯到1716年，瑞典科学家艾曼纽·斯维登·伯格(Emmanuel Sviden Berg)在研究车辆的表面效应时，提到了“悬浮”这个词。到19世纪初，有人认识到向船底泵入压缩空气可以减少航行阻力，提高速度。真空管道运输的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特关于真空邮政线路的设想。所以，无论是小说里，还是现实历史中，真空管道运输确实比气垫船更新。
如果说以前的研究主要局限于理论计算，到了20世纪70年代，真空管道运输的拥趸罗伯特·m·索尔特(Robert M. Salter)开始考虑实际操作问题。当时，他设想了一个位于地下数百米的坚固岩层中的真空管道系统“Planetran”，该系统贯穿美国东北部的主要城市，在8个州设立了9个站点。
当时日本的新干线已经运营了近10年，世界各地都在如火如荼的开展磁悬浮列车的研究，但技术毕竟还不成熟。因此，他没有将磁悬浮技术应用到自己的想法中，而是提出使用钢制轮胎。列车通过电磁力加速，减速是通过挤压前方稀薄的空气，使列车在相邻管道内加速实现的。可以看作是大气铁路和真空列车的融合版。
这套系统最值得称道的是其惊人的节能能力。作为一个“高节能系统”，当列车减速时，它会将大部分能量返还给系统，供相邻管道的车辆加速时使用。此外，普通列车运行过程中空气阻力占总阻力的70%以上，但真空管内腔的空气阻力会大大减小，能耗自然会降低，这样每位乘客消耗的能源成本不到1美元，全程平均时速可达4800公里，从美国东海岸到西海岸只需21分钟。
索尔特认为，这一系统将有助于减少飞机和地面车辆对大气层的破坏，具有巨大的环境和经济效益。因此，他将Planetran称为美国“合乎逻辑的下一步”。但其建造成本预计高达1万亿美元，因此该计划未被政府采纳。
随着磁悬浮技术的突破，真空管道列车的倡导者也意识到这可能是其成功的关键因素之一。1991年11月，杰拉德·K·奥尼尔(Gerard K O 'Neill)提出了专利申请，提出了“磁力飞行”的想法:管道中的列车运行在单轨上，而不是传统的双轨。轨道上安装永久磁铁，装有可变磁铁的列车在电磁力的作用下悬浮在轨道上。他计算过，如果从管道中抽出空气，火车的速度可以达到每小时4000公里。
21世纪，获得真空的技术已经成熟，高速磁悬浮列车已经在中国、上海、山梨投入使用。看起来超级高铁已经万事俱备了。2013年，感觉加州北部的高速铁路项目进展缓慢，特斯拉和太空探索技术公司的创始人埃隆·马斯克(elon musk)发表了一份57页的白皮书，提出了在洛杉机和三藩市之间修建一条560公里长的hyperloop的想法。
在该系统中，运输舱以1220 km/h的速度在真空管道中运行，悬浮舱的能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是，马斯克设想了一种类似于戈达德提出的气动悬挂方法。可见，超级高铁几乎完全脱胎于前人科学家的理论构想。
此后，多家公司和科研机构相继进入超级高铁R&D阵营，包括中国航天科技、西南交通大学牵引动力国家重点实验室、北交大、西京学院等国内机构。不过都是用磁悬浮。在大家最关心的最高时速上，也有机构给出6500公里的数据。至于能不能实现，还是个未知数。
诚然，超级高铁看似已经非常接近人类目前的科技水平，但实际上还有很多关键问题需要研究和解决——
正是因为以上以及更多没有提到的问题，超级高铁还处于模型试验阶段，远没有达到载人试验的地步。好在理论上完全可行，全世界攻关的科学家也比以前多了，还是有希望成为现实的。
值得一提的是，在研究真空管道列车的过程中，科学家们也曾设想过通过这种方式加速飞行器的可能性。因为传统火箭如果增加载荷，就要做得更大，要塞更多的化学推进剂。真空管道运输不仅快捷，而且节能。如果用来给飞机加速，飞机的体积可以更小或者载荷可以提高。
2001上世纪60年代超导磁悬浮(现代磁悬浮列车的基础技术)发明人之一、美国布鲁克海文国家实验室研究员詹姆斯·鲍威尔(James Powell)提出了一个雄心勃勃的星际列车(StarTram)计划，即磁悬浮空间发射系统。
顾名思义，该系统需要将磁悬浮飞船放入一个伸向天空的弯曲真空管中。第一代系统管道长度为130 km，出口高度为3~7 km。最好的地方是智利的安第斯山脉或者新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。飞船加速后可以冲出管道，以14300~31500 km/h的速度逃离地球大气层，这已经非常接近第二宇宙的速度了。
明星列车每1小时一趟，每次发射可运载70多吨货物。从每公斤的发射成本来看，该系统只需要20~50美元。要知道，就连太空探索技术公司也只敢说从原来的4600~20000美元降到了1400美元。从建造成本来看，第一代系统需要200-400亿美元，远低于航天飞机30年周期花费的6543.8+096亿美元，甚至低于美国2065.438+08年的6430亿美元军费。
研究团队计划第一代星际列车将主要运输卫星等货物，并将于本世纪20年代完成。二代系统管道长1，000 ~ 1，500公里，出口高度22公里。它每年运送一百万太空游客，每张票只需5000美元。计划在20世纪30年代完工。
当然，明星列车除了面临超级高铁现有的问题，还增加了很多工程难题，比如管道的架设，飞机在管道中的悬浮控制等等。但星星列车一提出，就被桑迪亚国家实验室从可行性方面进行了验证。目前也有相关的理论研究和模型试验。如果星际列车能够实现，可能会把人类带入一个全新的太空时代。
【1】绝对真空是人类技术手段无法获得的。学术界定义的真空是一种相对状态，低于大气压就可以称为真空，涵盖了从一个大气压(约105Pa)到虚无绝对真空(0Pa)的很大范围。
[2]气体稀薄度的测量。
这篇文章最早发表在2020年第二期《科幻世界》杂志上，原题是《从地下到太空——真空管道运输进化史》。