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》】
文|凯风最近，“新四大发明”的说法不胫而走，搅动不少人的神经。所谓“新四大发明”，指的是高铁、网购、支付宝和共享单车，说法来自某高校发起的留学生民间调查，
先不说这四大产品的票选有多少科学含量，“新四大发明”这种说法本身就有一种讨巧的味道。既然是“发明”，它很容易让人联想起原创和首位；而“四大发明”，又隐隐然完成了与古代灿烂历史的衔接，让人不自觉升腾起一股自豪感。
不过，说是“新四大发明”，显然是不准确的。
1
无论是网购和支付宝等典型的阿里系产品，还是高铁、共享单车等新型交通模式，其原创技术都不属于中国。
互联网电商的先驱是美国亚马逊，互联网支付的先行者是PayPal，高铁的技术原型是日本新干线，共享单车的理论基础是来自于美国的共享经济，共享单车严格来说只是分时租赁，这一模式在国外也早有尝试。
所以，与其说是“新四大发明”，不如说是“新四大产品”。这四种模式都不是为中国所发明，只不过在中国得到最成熟的运用。这才是值得思考的地方。
相比于发达国家，中国有自己独特的优势。一方面，拥有其他国家难以企及的庞大市场，人口在这里不再是负担，而是摊薄市场成本的基本保障；另一方面，又拥有对于新技术打破传统垄断的期待，譬如互联网支付对于传统银行体系的挑战，网约车、共享单车对于出租车体系、传统单车模式的挑战。
比如高铁，对比美国，美国拥有一流的技术，拥有世界上最早的普通铁路网络，为何却没发展出庞大的高铁体系？奥巴马曾提出建设横贯美国高铁网络的梦想，但迄今为止只有加州高铁一条动工，而开通日期要到遥远的2029年。
这背后的原因其实并不复杂，因为发不发展高铁不仅是个技术问题，更是个成本效益问题。人口密度越大，线路上支点城市越多，高铁的上座率就越高，单位成本就越低。反观美国，除了东西海岸尚有条件之外，其他地区并不具备修建高铁的基础。再加上航空业廉价且发达，私家车更是蔚然成风，所以缺乏推广高铁的动力。
再比如网购，数据显示，2016年中国消费者网购支出为人民币51710亿元——超过美国和英国之和。电商为何在中国更发达？
一个原因是在中国，实体店铺的物流成本和铺租成本高居不下，去掉这些中间环节之后，线上价格远远低于线下价格。再考虑到消费水准还在逐步升级，对于商品廉价的需求超过对于其他方面的需要，电商能够迅速崛起也就不令人意外。
换句话说，在发达国家，电商更像是实体零售业的补充，那么在中国，电商更像是一场革命。
2
在这所谓的新四大发明里，最有可能实现产品和技术输出的只有高铁。无论是网购、支付宝还是共享单车，支撑的都是商业模式和市场广度，而非技术，且在国外都有同类产品，想要渗透并不容易。
从战略层面而言，其他三个产品与高铁也不在一个重量级。高铁出海，表面上看是抢占市场谋取标准制定话语权，实际上却有超出技术之外的意义。
在泛亚区域，高铁网络的联通有助于提升中国对于亚洲的辐射力和影响力，而在第三世界国家，高铁出海则有点重复当年欧美借基础设施建设打造政治影响力和经济影响力的套路，最近被频繁提及的“高铁外交”就是这种思维的反应。
不过，高铁出海虽然被寄予厚望，但在现实中，却遭遇不小的困难。从泰国到美国，从墨西哥到委内瑞拉，高铁出海“雷声大，雨点小”。
在泰国，中泰高铁由于日本搅局，一波三折；在美国，西部快线公司宣布中止与中铁国际的项目合作，美中双方本已签署协议的西部快线项目搁浅。在墨西哥，当地先是撤销中国企业中标结果，最终更是宣布无限期搁置高铁项目；在委内瑞拉，由中国企业承建的委内瑞拉高铁彻底停摆，工程项目现场杂草丛生。
如果说美国等地的高铁项目中国出局，东南亚的高铁项目一波三折，原因还是来自欧美、日本激烈的竞争所致，那么委内瑞拉的“赔本赚吆喝”模式同样难以为续，又是为何？
需要指出的是，不是每一个国家都有能力建设高铁，也不是每一个国家都有必要建造高铁。比如委内瑞拉，既没有人口密度，也没有财力支撑，就是电力供应也捉襟见肘，这样的国家根本没有必要也没能力建设高铁，更不用说当地经济摇摇欲坠，任何国外投资都无法回避这一点。
所以，无论是高铁还是其他产品，国货走出去，虽然应该有基于经济之上的政治全局性衡量，但基本的商业常识还是应该摆在第一位。最糟糕的一种可能是，赔了本，还没能赚到吆喝。
3
每一个革命者都会面临传统利益的阻扰，“新四大产品”也不例外。
抛开高铁，来看网购、支付宝和共享单车。互联网电商及其衍生品快递业，革的是传统实体零售业和邮政业务的命，所以诸如“淘宝不死，中国不富”的言论一直都甚嚣尘上。
以支付宝为代表的第三方支付，革的是银行和传统金融的命，从二维码支付和余额宝的遭遇就能看出传统利益的牢不可破。
以共享单车为代表的共享经济，对于传统行业更是颠覆性的。网约车一度让出租车行业吓破了胆，然而最终在体制的庇护之下，出租车起死回生，网约车一蹶不振。共享单车则让摩托客、短途的士和依赖财政补贴的传统公共自行车企业失去市场，尤其是传统公共自行车背后都有政府的参与，所以地方政府也有动力对于共享单车的发展做出限制。
面临这些现实掣肘，与其继续自豪于“新四大发明”的声势，不如反思创新的基因该如何呵护。虽然网购、支付宝和共享单车依靠技术优势杀出重围，但网约车的失利，则让创新蒙上一层灰。
“新四大产品”，远非值得自豪或骄傲的理由。尤其是这四大产品中，只有高铁触及到核心技术的门槛，其他的互联网信息时代的产品，不仅容易被既得利益绞杀，也会很快被技术创新所取代。不进则退，这是颠覆不破的道理。
