首先，让我们来了解一下马斯克是一个什么样的人。实际上，马斯克在国际上的名声褒贬不一。认同他的人将他的话奉为圭臬，否认他的人将他视作白日做梦的疯子。相信很多人都看过复仇者联盟，其中就有一位英雄—钢铁侠，他利用自己的科学发明成为了在外星人袭击地球时力挽狂澜的大英雄。马斯克给自己的定位就是用科学技术解决人类未来可能面临的危机和推动未来人类的发展。比如未来可能面临能源短缺和环保问题，于是有了新能源电动车；未来地球可能会不再宜居，于是有了移民火星的计划；为了节省出行时间，有了超级高铁概念的出现。马斯克就像一个做着关于未来美梦的12岁小孩，并寻求着将梦里的场景现实化。
超级高铁有什么独到之处能够吸引这个做着未来梦的马斯克呢？主要有两点原因。第一是超高的速度。超级高铁的理论最高速度可以达到每小时5000公里，从美国洛杉矶到纽约只需要26分钟，纽约到北京只需要两个小时，绕地球一圈也只需要三个小时。第二个原因就是成本低。因为真空管道的造价便宜，只有公里的1/4，高铁的1/2，而成本降低将进一步带动票价降低，而马斯克是一个疯狂追求低成本的人。
那么，马斯克设想的超级高铁是怎么样的呢？2013年，马斯克提出超级高铁的设想，是一种以“真空钢管运输”为理论核心的交通工具。其外形酷似胶囊，也被称为胶囊高铁。采用磁悬浮加低真空模式。马斯克预想的超级高铁中，列车像胶囊，单体中183公斤，长约4.87米，只可以容纳四五名乘客。朋友们可以自行想象一下，在一段密闭的真空管道里，像发射子弹一样将高铁发射出去，速度将快得不可想象。而今年，马斯克发推文称其设计的超级高铁速度能够达到每小时1126公里。
那么，马斯克为什么声称未来落地实验的超级高铁能够达到时速1126公里呢？主要有两个原因。第一个原因是其运行的空间是真空的。想必朋友们体验过不同的车速带动迎面吹来的风的不同力度，速度小时，迎面而来的风比较温和；而速度比较大时，迎面而来的风就比较凌厉，快到一定程度还会让人感觉呼吸不过来，那就是人坐在车里感受到的空气阻力。因此，一般而言，运行器的速度越快，遭受的空气阻力就越大。基于这个，超级高铁采用了真空模式，具体为修建密闭管道，然后在管道内营造一个最大限度接近真空的环境，从而降低空气阻力，提升速度。第二个原因就是采用了磁悬浮的方式。通过磁悬浮这一技术，可以使得列车与轨道零接触，从而消除车规与车轮的摩擦力，大大提高速度。目前，世界上已经投入使用了配备磁悬浮技术的列车，我国上海也建设了磁悬浮列车，时速可达到每小时430公里，而普通高铁的时速最高为每小时350公里。
既然已经拥有成熟的理论，为何超级高铁迟迟不能落地生根呢？主要原因有四点。首先是现有技术的限制。前文也提到，提速的核心原因之一就是真空运行，并且是按公里计算的真空环境。而现有真空技术做不到将那么长的管道抽为真空。此外，目前磁悬浮技术也还需要继续提升，远没到达能够使高铁速度比飞机还快的地步。第二个原因就是高成本。虽然预想建造真空管道成本会很低，但实际却恰恰相反，根据Virgin Hyperloop 2016年的一份文件显示每英里的建设成本在8400万美元到1.21亿美元之间，而超级高铁要在真空管道运行，就需要搭建超长的运行管道，所耗费的成本十分巨大。第三点就是没有实用性方案。超级高铁时速1126公里，这就意味着站点与站点设置需要距离足够长，不然列车刚刚出发就需要开始刹车。但站点设置较远，辐射的群众就比较少，实用性就大打折扣。第四点就是安全性问题。物理学家詹姆士*鲍威尔曾表示，超级啊高铁轨道的细微差错就可能造成严重的灾难，比如管壁穿孔、管道移位等，中国工程院院士王梦恕也曾指出将轨道抽成真空对乘客存在不小的安全隐患。其实，后面三点都是基于技术成熟后的实际考量，但目前制约超级高铁落地生根的最主要原因还是在于技术的限制。
因此，可以看出，现阶段超级高铁在技术上不可行，安全上不可行，经济上不可行，实用性上也不可行。那是不是马斯克提出的超级高铁就是一场骗局呢？其实不尽然。虽然马斯克利用超级高铁的噱头不断“画饼”，为自己的美梦添砖加瓦，但其背后原理—真空加磁悬浮的确有研究的必要。而中国在超级高铁方面的研究也不逞多让，甚至将率先落地实验。我国航天科工集团2017年就公布了超级高铁的研究项目，运用真空管加磁悬浮技术逐步实现每小时1000-4000公里的最大运行速度。更值得一提的是，今年一月，世界首条高温超导高速磁浮工程化实验线将在西南交大启用，目前速度已经能够达到600km/h，这还仅是高速磁悬浮技术，未来搭配真空管道有望提升速度至每小时1000公里以上。中国工程院院士傅志寰也认为即便高铁存在争议，远没到落地的阶段，但也有研究必要性，因为未来交通的图景会有高铁的一席之地。
当今世界， 科技 快速发展，交通工具革新也越来越快，但都不是凭空想象就能成功的，而是经过长时间研发和测试。不可否认，马斯克很多设想很大胆，也很贴合未来的发展。但未来这个词本身就很遥远，需要一步一步脚踏实地地接近。超级高铁也一样，它本身是一种高 科技 而非骗局，但那需要无数人花费数十年一步一步去研究它。
2013年，在“钢铁侠”埃隆·马斯克的号召下，超级高铁的概念（一种在真空管道中运行的交通工具）广为人知，近几年迅速成为许多国家科研和 社会 讨论的热点。但其实，类似的设想早在两百年前就已经有人提出。
本文将对真空管道运输的演进 历史 进行简要梳理，一窥超级高铁的前世与今生。
真空技术的发端， 历史 上有确切记载的就是1643年的托里拆利实验：在密封的长管中注满水银并倒置在水银槽里即可发现，大气与真空之间的压力差，能够顶起760毫米水银柱。而真空技术应用的第一个案例，则是1654年的马德堡半球实验：将两个半球合成为直径119厘米的球体，并用真空泵抽空内部气体，之后在两侧各用8匹马都无法拉开。
马德堡半球实验
可以说，这两个著名的实验都利用了大气与真空[1]之间有巨大压力差的原理，同时也是这种压力差能够产生机械作用力的证明。后人也从中得到了输运物品的启发。
1799年，一位名叫乔治·梅德赫斯特的英国机械工程师和发明家，申请了一项通过压缩空气获取动力的风机泵专利。次年，他又申请了利用压缩空气驱动 汽车 的“风驱”发动机专利，与此同时，他提出风驱 汽车 服务计划，并建议在行车路线上设置泵站为其持续补充动力，可以理解为类似于电动 汽车 和充电桩之间的关系。
大气铁路
大气铁路
基于此前的构想，梅德赫斯特于1810年提出真空邮递线的设想，并认为这种利用气压差在管道中传送信件和货品的方法，比邮递员挨家挨户运送要更加快捷、高效。进一步地，他开始想象用规模更大的管道运输列车的可能性。
1812年，他首次发表了一篇关于大气铁路的理论计算文章，论证了在铁轨上方架设直径数米的管道，通过气压差来快速运送货物和乘客的可行性、效果和优势。此外，他还构想了另一种大气铁路的形式，即在铁轨下方铺设一根长管，管道内有器件与列车相连，器件在气压差的驱动下运动，从而带动列车行进，列车的动力源不是车头，而是车体下方的管道。
在他去世前不久的1827年9月，出版了著作《新型内陆运输系统》，对气动推进推崇备至，认为这种方式即使没有马匹或其他动物提供动力，也能达到96公里的时速。
大气铁路利用气压使车体沿轨道前进，而非用车头作为动力。
然而，由于这样那样的原因，大气铁路并没有成功实施，这一设想也就逐渐被束之高阁。直到2018年，一位89岁的美国工程师马克斯·施力格把它变成现实：他在自家的葡萄园里架设了一条轨道，铁轨之间有一根直径30厘米的聚氯乙烯管，管道外连一台泵，用以抽出管中的空气或将空气注入管中。
马克斯·施力格的大气铁路
在气压差的作用下，管道内的“推力车”便带动与之通过磁铁相连的列车行驶起来。这套只有标准铁路系统六分之一大小的模型运行结果表明，它能够轻易克服传统列车无法逾越的陡峭坡度，而且运行噪音更小，不需要高架输电线路，泵也能用可再生能源驱动。
马克思·施力格用大气铁路的模型进行演示：在管道一端向内吹气，列车模型就会在气压推动下行进。
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步走向深入和完善。而且，此种运输方式在刚刚兴起的科幻文学中也大放异彩。那些作品中的设想看似超前，但其实从时间线上看，要滞后于科学家的理论研究，都有各自的理论原型。
1888年，儒勒·凡尔纳的儿子米歇尔·凡尔纳受大气铁路的启发，发表了超短篇小说《未来快车》。小说中设想了一种铺设在大西洋海底的钢铁管道，长度超过4800公里，直径约1.5米，重量超过1300万吨，将欧洲和北美连接起来。管道被三层铁网包裹，外表面涂满树脂，以使其免受海水活动的侵害。
在强大的气流吹动下，管道内列车的时速高达1800公里，从波士顿出发，两小时四十分钟内就能抵达利物浦。这种系统的优点显而易见：管道的内表面经过精细抛光，有抑制乘客紧张不安情绪的作用；根据季节的不同，气流可以调节、均衡管道内的温度；抛开重力和损耗等问题，该系统的建造和运营费用低廉，所以票价也难以置信地低。
艺术家A. J. Johnson为《未来快车》绘的插图
不过，大气铁路需克服空气阻力，以及车轮与铁轨间的摩擦力，理论速度天花板较低。另外，即便车辆能够达到很高的速度，那时的气动噪声和气动振动也会变得很大，能量消耗也随之大幅提高。因此，随着科学的发展，理论研究逐渐朝着摆脱摩擦力和空气阻力的方向前进。
1904年，现代火箭技术之父罗伯特·H.戈达德提出vactrain的设想，这是首个现代意义上的真空管道运输系统。其时，他还是美国伍斯特理工学院的大一新生。他设想列车在保持真空状态的管道中滑动，为了通过非磁性手段使列车加速、减速，以及防止摩擦，需要在相对可移动部件，比如车轮与车轨之间施加流体压力，方法是用喷嘴喷出高压高温液体，液体被喷出后立刻就会变成高压蒸汽，从而使车体悬浮于轨道上。
实质上，列车可以看成是在一层高压液膜上行驶。1906年，戈达德在短篇小说《高速往返》中完善了这一设想。三年后，《科学美国人》以《快速交通的极限》为题发表了该作品的概述。
戈达德vactrain专利中的示意图
戈达德的设想可以说是大气铁路向超级高铁的过渡。与大气铁路相比，vactrain的管道处于真空状态，列车不再利用气压差提供动力，并且首次考虑到降低空气阻力，杜绝列车与轨道间产生摩擦。与超级高铁相比，vactrain的形式已经与之非常接近，只不过在使列车悬浮和行进的手段方面，绝大多数超级高铁方案均采用磁悬浮技术，vactrain利用的是高压气体。
1955年，波兰科幻大师斯坦尼斯拉夫·莱姆出版了《麦哲伦星云》。这部小说以32世纪的共产主义乌托邦为背景，人类已经完成整个太阳系的殖民，正在尝试星际旅行。在小说中，莱姆描写了一种名为“Organowiec”的洲际真空列车，这种列车在透明的真空管道中能够以超过1666公里的时速行驶。这显然受到了vactrain的影响。
《雇佣兵》封面
1962年，美国科幻作家麦克·雷诺兹发表在《类比》上的短篇《雇佣兵》，更是将真空管道运输提到至关重要的位置。
在小说中，和平已经实现，为防止出现世界毁灭的可能，政府规定战斗仅能使用20世纪以前设计的武器，并且，所有的战斗都会进行电视转播以 娱乐 大众。各大公司利用雇佣兵部队解决商业纠纷。在运输行业，大陆气垫船公司处于垄断地位。而新近兴起的真空管道运输公司则能大幅降低运输成本，并给消费者带来更好的服务，从而打破垄断，但首先，它不得不与前者进行战争。
当然，不仅是武器，就连小说中的交通工具也都是20世纪之前就存在的设想。气垫船的概念最早可以追溯到1716年，瑞典科学家伊曼纽尔·斯维登伯格在研究交通工具表面效应时提到的“悬浮”一词。到了19世纪初，有人认识到将压缩空气打入船底，可以减少航行阻力，提高航速。真空管道运输的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特的真空邮递线构想。因此，无论是小说中，还是在真实的 历史 上，真空管道运输的确都比气垫船更新一些。
如果说以前的研究主要限于理论计算方面，那么到20世纪70年代，真空管道运输的拥趸罗伯特·M.萨尔特则开始考虑实际的运营问题。其时，他设想了一种位于地下数百米的坚固岩层中的真空管道系统“Planetran”，贯穿美国东北部的各大都市，并在8个州设立9座车站。
当时，日本新干线已经运营了近10年，磁悬浮列车的研究也正在世界各国如火如荼地开展，但技术终归不甚成熟。所以，他并未将磁悬浮技术应用于自己的设想，而是提议使用钢铁轮胎。列车利用电磁力加速，减速则依靠挤压前方稀薄的空气，以及相邻管道内列车的加速来实现。它可以看做大气铁路与vactrain的融合版本。
该系统最值得称道的，当属其惊人的节能能力。作为“高能量守恒系统”，列车在减速时，会将大部分能量返回系统，以供相邻管道内的车辆加速时使用。此外，普通列车行驶过程中，空气阻力所占总阻力的比例超过70%，而真空管道内腔的空气阻力则会极大地降低，能耗自然随之降低，使得每位乘客消耗的能源成本还不足1美元，而且整段路程的平均时速能达到4800公里，从美国东海岸到西海岸只需21分钟。
萨尔特认为，这套系统将有助于减少飞机和地面交通工具对大气造成的破坏，有巨大的环境和经济效益。因此，他称Planetran是美国“合乎逻辑的下一步计划”。然而其建造成本预计高达1万亿美元，所以该计划并未被政府采纳。
随着磁悬浮技术不断取得突破性成果，真空管道列车的倡导者们也意识到，这可能是其能否成功的关键因素之一。1991年11月，杰拉德·K.奥尼尔提交了一项专利申请，提出“磁飞行”的设想：位于管道内的列车是在单轨上行驶，而非传统的两条铁轨。在轨道上装有永磁体，装配可变磁体的列车在电磁力的作用下悬浮于轨道上。他推算，如果将空气从管道内抽出，那么列车的时速就能达到4000公里。
时间进入21世纪，获得真空的技术已经成熟，高速磁悬浮列车也先后在中国上海、日本山梨等地投入使用。看起来，超级高铁万事俱备了。2013年，有感于北加州高速铁路工程缓慢，特斯拉及SpaceX公司创始人埃隆·马斯克公布了长达57页的白皮书，提出在洛杉矶与旧金山之间修建560公里超级高铁（hyperloop）的想法。
在这套系统中，运输舱在真空管道内以1220公里的时速运行，使舱体悬浮的能量来自太阳能或其他可再生能源。有趣的是，马斯克设想的是类似于戈达德提出的气动悬浮方式。可以看出，超级高铁几乎完全脱胎于以前科学家的理论构想。
此后，又有多家公司和科研机构相继进入超级高铁的研发阵营当中，其中就包括中国航天科工、西南交通大学牵引动力国家重点实验室、北京交通大学、西京学院等国内机构。不过，它们均采用磁悬浮的方式。在大家最关心的最高时速上，有的机构也给出了6500公里的数据。至于能否达到，现在尚属未知。
诚然，超级高铁看似非常贴近人类当前的 科技 水平，但实际上仍有许多关键问题有待研究解决——
正是因为以上及更多未被提及的问题，超级高铁还停留在模型试验阶段，远未达到载人测试的地步。好在理论上完全可行，再加上全世界攻关的科学家较之以前也更多，所以成为现实还是有希望的。
值得一提的是，在研究真空管道列车的过程中，科学家们也曾畅想用这种手段加速飞行器的可能。因为传统火箭如果增大载荷，就要将体积造得更大，也要塞进更多的化学推进剂。而真空管道运输不仅速度快，还节约能源，倘若用来加速飞行器，那么飞行器的体积就可以更小，或是载荷得以提高。
2001年，六十年代超导磁悬浮（现代磁悬浮列车的基础技术）的发明者之一、美国布鲁克海文国家实验室研究员詹姆斯·鲍威尔，提出了野心勃勃的星际列车（StarTram）计划，即磁悬浮太空发射系统。
顾名思义，该系统需将磁悬浮太空船置入一条伸向天空的弯曲的真空管道内。第一代系统的管道长度130公里，出口高度3~7公里。最佳地点是智利的安第斯山脉或新墨西哥州南部的白沙导弹靶场。加速后，太空船能以14300~31500公里的时速冲出管道，逃离地球大气层。这已经非常接近第二宇宙速度。
星际列车每隔1小时发射一次，每次发射可携带超过70吨重的货物。从每公斤发射成本来说，该系统仅需20~50美元。要知道，就连SpaceX也只敢说从原来的4600~20000美元降至1400美元。从建设费用上来说，第一代系统需要200~400亿美元，远低于航天飞机30年周期中花掉的1960亿美元，与美国2018年的6430亿美元军费开支相比更是微不足道。
研究团队规划，第一代星际列车主要运送卫星等货物，将于本世纪二十年代完成。第二代系统管道的长度为1000~1500公里，出口高度22公里，每年运送一百万名太空游客，每张船票只需5000美元，计划于本世纪三十年代建造完成。
当然，星际列车不仅要面临超级高铁既有的问题，还增加了很多难度超大的工程难题，比如，管道的架设、飞行器在管道中的悬浮控制，等等。不过，星际列车甫一提出，就得到了桑迪亚国家实验室在可行性方面的验证，目前也有相关的理论研究和模型试验。如果星际列车能够成真，它或许能将人类带入一个全新的航天时代。
[1]人类的技术手段无法获得绝对真空。学术界定义的真空是一个相对状态，比大气压低即可称为真空，涵盖了从一个大气压（约105Pa）到虚无的绝对真空（0Pa）之间的宽广范围。
[2] 对气体稀薄程度的量度。
【本文首发于《科幻世界》杂志2020年第2期，原标题《从地底到太空——真空管道运输演进史》】
