如果你正在攒钱去火星，不妨分一份来体验一小时就能环游地球的真空管道列车。毕竟远行太空有太多危险因素，豁出去身家性命最后看到的说不定尽是黄土（土豆都没种好呢，还要什么美丽新世界），哪有全面考察风土人情极大丰富的地球合算。
今天，特别擅长What if问题的刘洋博士将为各位读者详细解读真空管道列车的设计、起源，以及独特的乘坐体验。
这种交通工具一定程度上与磁悬浮列车是“近亲”，但仔细查看其早在1933年的设计专利会发现，环游地球一小时的背后，还隐藏着多项里程碑式的含义。比如，所有乘客都将倒立着度过旅途，球形的车厢会串成太空中缓慢旋转的珍珠项链，车窗外不会是见惯的山水，而是抽象凝固的浮雕世界……
目前第一批列车员正在低调招募中，传闻有一项额外福利——根据相对论，在退休时他们会比地球上的同龄人年轻一些。
环游地球一小时
作者｜刘洋
1933年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔在柏林向专利局提交了一份专利申请。申请的内容是一个他已经潜心研究了十年的项目：一种基于磁性悬浮原理的、在铁栏中运行的单轨无轮车辆。第二年，他收到了专利申请成功的消息，同时得到了一个正式的专利号：643316。
在肯佩尔的那个年代，这项发明很难付诸实现，因为不管从材料还是工程技术上都面临了一系列难以克服的困难。不过这种大胆的技术仍然激发了大量的研究人员投入其中，直到现在——它成为了我们所熟知的磁悬浮列车。然而，严格地说，肯佩尔的设计其实仍未真正实现。在他的专利设计中，他构想的列车时速为1800千米，比迄今最快的磁悬浮列车还要快上两倍。为了减小空气摩擦，他提出，列车应该在真空隧道之中行驶。
在我们所在的时间线上，真空管道列车虽然已经有部分学者进行过一些关于空气动力学方面的研究，但是总体而言还处于理论构想阶段，离其投入建造和运营还有遥远的距离。然而，在临近的平行宇宙之中，不乏那些科技树和我们产生了微妙偏差的世界。在那些世界里，磁悬浮技术已经非常成熟，并且在轨道交通上得到了广泛的应用。它们替代了飞机，成为了人们出行的最便捷也最快速的方式。
在这些世界里，乘坐火车环游地球只需要一小时!
看到这里，你可能会“哇”一声，然后感叹说他们的火车跑得可真快。如果是这样，那就意味着你还根本没有意识到这个时间背后所隐藏的含义。
我说一个数据你就知道一小时环游地球有多难了。在我们的世界里，以第一宇宙速度在近地轨道（轨道半径约为地球半径）上环绕地球运行的人造卫星，其环绕周期为84分钟。也就是说，要用一小时环游地球的话，列车速度需要超过第一宇宙速度才行——准确地说，应该是第一宇宙速度的根号2倍。当然，超过第一宇宙速度乍看起来并不是什么不可能的事情——又不是超光速——然而与低速列车相比，它却彻底改变了整个轨道运输系统的构造和运营方式。
最直观的一个改变，就是在列车里，所有乘客都是头朝下，脚朝上乘坐着的——而且没人会感觉到任何异常。
What？乘客们都倒了过来！
为了理解这种状况，不妨让我们复习一下中学物理学过的向心力的知识。
地球的表面是一个巨大的弧形，当我们在地球上高速前行的时候，我们实际上是在作一个半径6400千米的圆周运动。当我们速度很低的时候，这个圆周运动所需的向心力极小，我们很难觉察到它。但是，当我们的速度增加到1千米/秒的量级时，向心力就已经达到了不可忽略的程度了。当列车速度达到近4千米/秒时，在列车上的人所感受到的重力就只有地表重力的3/4——其余的部分都用作向心力了。在这样的列车上，一个60公斤的人站在磅秤上称量体重，会发现自己只有约45公斤。再进一步把速度增加到7.9千米/秒——也就是第一宇宙速度——这时候物体的重力和向心力刚好相等，所有在列车上的人，包括列车本身，都进入了完全失重状态。
那么，继续增加速度会如何呢？如果列车是在无约束的空间中运行的话，这趟列车就将逐渐脱离地球的表面，变成一颗环绕地球运行的人造卫星。当然，我们的列车是在真空管道中运行的，这个管道会对列车施加一个向下的压力，将其约束在轨道中。在乘客的角度来看，他们所感受到的重力就发生了方向上的改变，现在他们只有头朝向地心，脚朝上，才能稳稳地站在列车上。如果列车的速度增加到第一宇宙速度的根号2倍，那么乘客感受到的反向重力就刚好是正常情况下的重力值——此时，他们不会有任何异样的感觉。
列车的车厢也与我们截然不同：它们都是球形的，而且由内外两层车壳组成，两层车壳之间可以作三百六十度的旋转。这样做的目的读者大概很容易就能猜到了。我们刚才说到在列车高速运行时，旅客乘坐的位置是上下颠倒的，而在车辆启动的时候，我们总不能倒着坐进去吧？事实上，车厢的内壳和内部装置是固定的，其可以在车辆加速的过程中逐渐旋转，随时适应当前的“重力”的方向。这里的“重力”实际上是由真实的重力、向心力和列车的加速带来的惯性力所合成的一个等效重力。我们可以通过调节列车的加速度，让列车上的等效重力随时保持1个g左右的大小。
当列车刚开始启动时，我们维持一个较小的加速度，这时候速度也很小，所以座椅保持正常的竖直方向。这个阶段和普通的列车一样。等到列车速度增大到需要很大的向心力，并对感官重力产生明显影响的时候，我们就通过增加列车的加速度，让惯性力来补足“缺失”的重力。当速度达到第一宇宙速度时，重力完全被向心力抵消，但是此时列车的加速度已经增加为9.8米/秒平方，座椅的方向也旋转到了水平方向，所有乘客感觉到的重力值仍然是正常的。继续加速，当速度增加到第一宇宙速度的根号2倍时，加速度减小为零，列车的等效重力为竖直向下的1个g——列车正式进入匀速运行状态。
也许你脑海中会出现一个有趣的画面：一辆列车从路边飞驰而过，透过列车的车窗，可以看到里面的乘客倒立着的身影；而乘客们也站在窗边，饶有兴致地看着外面那个倒立着的世界。可惜，这种情况是不会出现的。面对以如此高速行驶的列车，外面的人根本看不到车厢里面的情形。而乘客从车窗中看出去，看到的也是一幅像抽象派油画一样的景象：不同的颜色形成纷乱复杂的线条，相互交织混杂在一起，形成一幕灰蒙蒙的画面。它们缓慢的流动着，有时凝固成某个类似浮雕的东西，但是随即又变成了一幅毫无意义的图画。那画面看上去似乎在飞快的闪烁着，又似乎一直都没有什么变化。
在明亮的光线下，人眼的临界融合频率大概是75赫兹——也就是说，对于那些以小于1/75秒闪过眼前的视觉信号，人眼是无法分辨的。所以，在高速列车上的乘客们根本就看不见具体的可分辨的近景，而那些滞留在视网膜上的残留光影，便形成了我们刚才所述的那种古怪的景象。
除了在列车的构造上与我们截然不同，他们在真空轨道的铺设上也有诸多特别之处。首先，轨道必须极其笔直，因为在高速行驶中，任意一点轨道的弯曲都将带来巨大的离心力——即使是一个曲率半径达到一百公里的微小弧形，其产生的离心力也将瞬间杀死列车中的所有乘客。轨道建造时，必须借助激光来进行校准，让轨道不偏不离的沿着一个标准的圆形路径来运行。因为地球本身不是一个标准的球形，我们的轨道不得不时而深入到地下几公里处的隧道，时而穿越在广袤的大洋之中，或者飞跃在夸张的高架桥上。当然，严格来说，列车运行时，还必须考虑到地球的自转和地月间的引力所造成的潮汐作用，这些纷繁复杂的数据将由一个大型的中央控制系统自动处理，并将计算结果随时传送到世界各地。
其实，这个轨道系统和我们最大的不同之处，在于这个系统是一个开放的星际铁路系统，而不是只局限于在地球上。在轨道上的某些地方，留出了一些特别的“岔路”管道。这些分支管道都倾斜着伸出了大气层，进入到了与轨道内部具有相同真空度的近地宇宙空间之中。与那些在地球内部运行的短途列车不同，那些进行星际旅行的长途列车，在加速到倍第一宇宙速度后，会通过这些管道离开地球，前往另外的星球。列车的速度足够脱离地球的引力范围，无须额外的加速过程就可以在13个小时左右到达月球站，连卧铺都不用买。当然，去往火星或者更远的系内行星则需要通过喷射引擎加速到更高速度，以免经历长途奔波之苦。到达目的星球后，列车将被重新导入新的真空管道之中，其运行速度需要根据目标星球的重力值来重新确定。
在长途列车中，大部分时间乘客都将处于失重状态，为了避免长时间失重对乘客的健康造成影响，长途列车通常在进入星际旅行后，将列车的头尾连接起来，形成一个巨大的环形，再通过缓慢旋转产生的重力来应对失重的影响。之前提过，列车的车厢都是球状。所以，在列车变为环形后，从太空中看来，整个车体就像一串美丽的珍珠项链，缓慢地在太空中旋转，在太阳的光辉中反射着晶莹的光线。
最后，我们来谈谈那些在高速列车上工作的列车员吧。这是一项艰苦的工作——特别是那些跑长途的，其工作时间大部分都是在漫长的星际旅行之中，而且常常会经历不同的重力条件。有传闻说，这个工作会给他们带来一项额外的福利：在退休的时候，比起那些在地球上的同龄人，他们会更年轻一些。列车员招募的时候常常把这一点作为一个诱饵，吸引更多人报名。其实，这只是个华而不实的噱头：
——根据狭义相对论进行估算，即使你五十年里一直呆在列车上，到退休的时候，你也不过比别人年轻了1秒钟而已。
联系客服
