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文 | 劉文元
2013年，在「鋼鐵俠」埃隆·馬斯克的號召下，超級高鐵的概念（一種在真空管道中運行的交通工具）廣為人知，近幾年迅速成為許多國家科研和社會討論的熱點。但其實，類似的設想早在兩百年前就已經有人提出。
本文將對真空管道運輸的演進歷史進行簡要梳理，一窺超級高鐵的前世與今生。
01 壓力差即動力
真空技術的發端，歷史上有確切記載的就是1643年的託裡拆利實驗：在密封的長管中注滿水銀並倒置在水銀槽裡即可發現，大氣與真空之間的壓力差，能夠頂起760毫米水銀柱。而真空技術應用的第一個案例，則是1654年的馬德堡半球實驗：將兩個半球合成為直徑119釐米的球體，並用真空泵抽空內部氣體，之後在兩側各用8匹馬都無法拉開。
馬德堡半球實驗
可以說，這兩個著名的實驗都利用了大氣與真空[1]之間有巨大壓力差的原理，同時也是這種壓力差能夠產生機械作用力的證明。後人也從中得到了輸運物品的啟發。
1799年，一位名叫喬治·梅德赫斯特的英國機械工程師和發明家，申請了一項通過壓縮空氣獲取動力的風機泵專利。次年，他又申請了利用壓縮空氣驅動汽車的「風驅」發動機專利，與此同時，他提出風驅汽車服務計劃，並建議在行車路線上設置泵站為其持續補充動力，可以理解為類似於電動汽車和充電樁之間的關係。
大氣鐵路
大氣鐵路
基於此前的構想，梅德赫斯特於1810年提出真空郵遞線的設想，並認為這種利用氣壓差在管道中傳送信件和貨品的方法，比郵遞員挨家挨戶運送要更加快捷、高效。進一步地，他開始想像用規模更大的管道運輸列車的可能性。
1812年，他首次發表了一篇關於大氣鐵路的理論計算文章，論證了在鐵軌上方架設直徑數米的管道，通過氣壓差來快速運送貨物和乘客的可行性、效果和優勢。此外，他還構想了另一種大氣鐵路的形式，即在鐵軌下方鋪設一根長管，管道內有器件與列車相連，器件在氣壓差的驅動下運動，從而帶動列車行進，列車的動力源不是車頭，而是車體下方的管道。
在他去世前不久的1827年9月，出版了著作《新型內陸運輸系統》，對氣動推進推崇備至，認為這種方式即使沒有馬匹或其他動物提供動力，也能達到96公裡的時速。
大氣鐵路利用氣壓使車體沿軌道前進，而非用車頭作為動力。
然而，由於這樣那樣的原因，大氣鐵路並沒有成功實施，這一設想也就逐漸被束之高閣。直到2018年，一位89歲的美國工程師馬克斯·施力格把它變成現實：他在自家的葡萄園裡架設了一條軌道，鐵軌之間有一根直徑30釐米的聚氯乙烯管，管道外連一臺泵，用以抽出管中的空氣或將空氣注入管中。
馬克斯·施力格的大氣鐵路
在氣壓差的作用下，管道內的「推力車」便帶動與之通過磁鐵相連的列車行駛起來。這套只有標準鐵路系統六分之一大小的模型運行結果表明，它能夠輕易克服傳統列車無法逾越的陡峭坡度，而且運行噪音更小，不需要高架輸電線路，泵也能用可再生能源驅動。
馬克思·施力格用大氣鐵路的模型進行演示：在管道一端向內吹氣，列車模型就會在氣壓推動下行進。
2、從舊理論到科幻到新理論
在梅德赫斯特去世後的一個多世紀裡，真空管道運輸的理論研究逐步走向深入和完善。而且，此種運輸方式在剛剛興起的科幻文學中也大放異彩。那些作品中的設想看似超前，但其實從時間線上看，要滯後於科學家的理論研究，都有各自的理論原型。
1888年，儒勒·凡爾納的兒子米歇爾·凡爾納受大氣鐵路的啟發，發表了超短篇小說《未來快車》。小說中設想了一種鋪設在大西洋海底的鋼鐵管道，長度超過4800公裡，直徑約1.5米，重量超過1300萬噸，將歐洲和北美連接起來。管道被三層鐵網包裹，外表面塗滿樹脂，以使其免受海水活動的侵害。
在強大的氣流吹動下，管道內列車的時速高達1800公裡，從波士頓出發，兩小時四十分鐘內就能抵達利物浦。這種系統的優點顯而易見：管道的內表面經過精細拋光，有抑制乘客緊張不安情緒的作用；根據季節的不同，氣流可以調節、均衡管道內的溫度；拋開重力和損耗等問題，該系統的建造和運營費用低廉，所以票價也難以置信地低。
藝術家A. J. Johnson為《未來快車》繪的插圖
不過，大氣鐵路需克服空氣阻力，以及車輪與鐵軌間的摩擦力，理論速度天花板較低。另外，即便車輛能夠達到很高的速度，那時的氣動噪聲和氣動振動也會變得很大，能量消耗也隨之大幅提高。因此，隨著科學的發展，理論研究逐漸朝著擺脫摩擦力和空氣阻力的方向前進。
1904年，現代火箭技術之父羅伯特·H.戈達德提出vactrain的設想，這是首個現代意義上的真空管道運輸系統。其時，他還是美國伍斯特理工學院的大一新生。他設想列車在保持真空狀態的管道中滑動，為了通過非磁性手段使列車加速、減速，以及防止摩擦，需要在相對可移動部件，比如車輪與車軌之間施加流體壓力，方法是用噴嘴噴出高壓高溫液體，液體被噴出後立刻就會變成高壓蒸汽，從而使車體懸浮於軌道上。
實質上，列車可以看成是在一層高壓液膜上行駛。1906年，戈達德在短篇小說《高速往返》中完善了這一設想。三年後，《科學美國人》以《快速交通的極限》為題發表了該作品的概述。
戈達德vactrain專利中的示意圖
戈達德的設想可以說是大氣鐵路向超級高鐵的過渡。與大氣鐵路相比，vactrain的管道處於真空狀態，列車不再利用氣壓差提供動力，並且首次考慮到降低空氣阻力，杜絕列車與軌道間產生摩擦。與超級高鐵相比，vactrain的形式已經與之非常接近，只不過在使列車懸浮和行進的手段方面，絕大多數超級高鐵方案均採用磁懸浮技術，vactrain利用的是高壓氣體。
1955年，波蘭科幻大師斯坦尼斯拉夫·萊姆出版了《麥哲倫星雲》。這部小說以32世紀的共產主義烏託邦為背景，人類已經完成整個太陽系的殖民，正在嘗試星際旅行。在小說中，萊姆描寫了一種名為「Organowiec」的洲際真空列車，這種列車在透明的真空管道中能夠以超過1666公裡的時速行駛。這顯然受到了vactrain的影響。
《僱傭兵》封面
1962年，美國科幻作家麥克·雷諾茲發表在《類比》上的短篇《僱傭兵》，更是將真空管道運輸提到至關重要的位置。
在小說中，和平已經實現，為防止出現世界毀滅的可能，政府規定戰鬥僅能使用20世紀以前設計的武器，並且，所有的戰鬥都會進行電視轉播以娛樂大眾。各大公司利用僱傭兵部隊解決商業糾紛。在運輸行業，大陸氣墊船公司處於壟斷地位。而新近興起的真空管道運輸公司則能大幅降低運輸成本，並給消費者帶來更好的服務，從而打破壟斷，但首先，它不得不與前者進行戰爭。
當然，不僅是武器，就連小說中的交通工具也都是20世紀之前就存在的設想。氣墊船的概念最早可以追溯到1716年，瑞典科學家伊曼紐爾·斯維登伯格在研究交通工具表面效應時提到的「懸浮」一詞。到了19世紀初，有人認識到將壓縮空氣打入船底，可以減少航行阻力，提高航速。真空管道運輸的概念可以追溯到1810年梅德赫斯特的真空郵遞線構想。因此，無論是小說中，還是在真實的歷史上，真空管道運輸的確都比氣墊船更新一些。
如果說以前的研究主要限於理論計算方面，那麼到20世紀70年代，真空管道運輸的擁躉羅伯特·M.薩爾特則開始考慮實際的運營問題。其時，他設想了一種位於地下數百米的堅固巖層中的真空管道系統「Planetran」，貫穿美國東北部的各大都市，並在8個州設立9座車站。
當時，日本新幹線已經運營了近10年，磁懸浮列車的研究也正在世界各國如火如荼地開展，但技術終歸不甚成熟。所以，他並未將磁懸浮技術應用於自己的設想，而是提議使用鋼鐵輪胎。列車利用電磁力加速，減速則依靠擠壓前方稀薄的空氣，以及相鄰管道內列車的加速來實現。它可以看做大氣鐵路與vactrain的融合版本。
該系統最值得稱道的，當屬其驚人的節能能力。作為「高能量守恆系統」，列車在減速時，會將大部分能量返回系統，以供相鄰管道內的車輛加速時使用。此外，普通列車行駛過程中，空氣阻力所佔總阻力的比例超過70%，而真空管道內腔的空氣阻力則會極大地降低，能耗自然隨之降低，使得每位乘客消耗的能源成本還不足1美元，而且整段路程的平均時速能達到4800公裡，從美國東海岸到西海岸只需21分鐘。
薩爾特認為，這套系統將有助於減少飛機和地面交通工具對大氣造成的破壞，有巨大的環境和經濟效益。因此，他稱Planetran是美國「合乎邏輯的下一步計劃」。然而其建造成本預計高達1萬億美元，所以該計劃並未被政府採納。
3、超級高鐵應時而生
隨著磁懸浮技術不斷取得突破性成果，真空管道列車的倡導者們也意識到，這可能是其能否成功的關鍵因素之一。1991年11月，傑拉德·K.奧尼爾提交了一項專利申請，提出「磁飛行」的設想：位於管道內的列車是在單軌上行駛，而非傳統的兩條鐵軌。在軌道上裝有永磁體，裝配可變磁體的列車在電磁力的作用下懸浮於軌道上。他推算，如果將空氣從管道內抽出，那麼列車的時速就能達到4000公裡。
時間進入21世紀，獲得真空的技術已經成熟，高速磁懸浮列車也先後在中國上海、日本山梨等地投入使用。看起來，超級高鐵萬事俱備了。2013年，有感於北加州高速鐵路工程緩慢，特斯拉及SpaceX公司創始人埃隆·馬斯克公布了長達57頁的白皮書，提出在洛杉磯與舊金山之間修建560公裡超級高鐵（hyperloop）的想法。
在這套系統中，運輸艙在真空管道內以1220公裡的時速運行，使艙體懸浮的能量來自太陽能或其他可再生能源。有趣的是，馬斯克設想的是類似於戈達德提出的氣動懸浮方式。可以看出，超級高鐵幾乎完全脫胎於以前科學家的理論構想。
此後，又有多家公司和科研機構相繼進入超級高鐵的研發陣營當中，其中就包括中國航天科工、西南交通大學牽引動力國家重點實驗室、北京交通大學、西京學院等國內機構。不過，它們均採用磁懸浮的方式。在大家最關心的最高時速上，有的機構也給出了6500公裡的數據。至於能否達到，現在尚屬未知。
誠然，超級高鐵看似非常貼近人類當前的科技水平，但實際上仍有許多關鍵問題有待研究解決——
超高速運行條件下的車軌作用：高速列車車軌的作用機理是車輛系統動力學的核心，但目前高溫超導磁懸浮車的實驗研究，主要集中在準靜態或低速範圍，實驗數據難以支撐更高速度（超過600公裡/小時）下磁懸浮車懸浮與導向穩定性的研究。空氣動力學問題：真空管道內稀薄空氣產生的氣動阻力，是列車運行的主要阻力。對於此種低壓高速氣流，現有的仿真很難準確模擬。管道可靠密封與高效抽真空問題：一方面，保持直徑數米、長度上百公裡的管道內長時間的真空度[2]，對管道的結構和密封性要求極高。另一方面，快速抽除如此大空間內的空氣，並且精準維持其中的真空度，對真空設備也提出更高挑戰。散熱問題：在低氣壓環境下，地面上起重要作用的對流傳熱方式幾乎不起作用，傳導和輻射將成為主要散熱方式。研究低氣壓下列車表面的升溫特性以及電氣設備的散熱機理，保證系統內的熱平衡，是不容忽視的課題。封閉管道內的通信與救援問題：首先，真空環境下的無線電信號傳播尚待研究。其次，管道內為真空狀態，且密封效果好，不易被外界破壞，如果出現突發事故，如何快速救援，也是一個值得思考和亟待解決的問題。
正是因為以上及更多未被提及的問題，超級高鐵還停留在模型試驗階段，遠未達到載人測試的地步。好在理論上完全可行，再加上全世界攻關的科學家較之以前也更多，所以成為現實還是有希望的。
4、飛向太空
值得一提的是，在研究真空管道列車的過程中，科學家們也曾暢想用這種手段加速飛行器的可能。因為傳統火箭如果增大載荷，就要將體積造得更大，也要塞進更多的化學推進劑。而真空管道運輸不僅速度快，還節約能源，倘若用來加速飛行器，那麼飛行器的體積就可以更小，或是載荷得以提高。
2001年，六十年代超導磁懸浮（現代磁懸浮列車的基礎技術）的發明者之一、美國布魯克海文國家實驗室研究員詹姆斯·鮑威爾，提出了野心勃勃的星際列車（StarTram）計劃，即磁懸浮太空發射系統。
顧名思義，該系統需將磁懸浮太空船置入一條伸向天空的彎曲的真空管道內。第一代系統的管道長度130公裡，出口高度3~7公裡。最佳地點是智利的安第斯山脈或新墨西哥州南部的白沙飛彈靶場。加速後，太空船能以14300~31500公裡的時速衝出管道，逃離地球大氣層。這已經非常接近第二宇宙速度。
星際列車每隔1小時發射一次，每次發射可攜帶超過70噸重的貨物。從每公斤發射成本來說，該系統僅需20~50美元。要知道，就連SpaceX也只敢說從原來的4600~20000美元降至1400美元。從建設費用上來說，第一代系統需要200~400億美元，遠低於太空梭30年周期中花掉的1960億美元，與美國2018年的6430億美元軍費開支相比更是微不足道。
研究團隊規劃，第一代星際列車主要運送衛星等貨物，將於本世紀二十年代完成。第二代系統管道的長度為1000~1500公裡，出口高度22公裡，每年運送一百萬名太空遊客，每張船票只需5000美元，計劃於本世紀三十年代建造完成。
當然，星際列車不僅要面臨超級高鐵既有的問題，還增加了很多難度超大的工程難題，比如，管道的架設、飛行器在管道中的懸浮控制，等等。不過，星際列車甫一提出，就得到了桑迪亞國家實驗室在可行性方面的驗證，目前也有相關的理論研究和模型試驗。如果星際列車能夠成真，它或許能將人類帶入一個全新的航天時代。
[1]人類的技術手段無法獲得絕對真空。學術界定義的真空是一個相對狀態，比大氣壓低即可稱為真空，涵蓋了從一個大氣壓（約105Pa）到虛無的絕對真空（0Pa）之間的寬廣範圍。
[2] 對氣體稀薄程度的量度。
【本文首發於《科幻世界》雜誌2020年第2期，原標題《從地底到太空——真空管道運輸演進史》】