本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
想象一下，如果可以的话，在纽约市街道下方居住着一个秘密社区，那里的居民永远不允许前往地面，也不允许以任何方式与可怕的“地面人”互动。这就是尼尔·舒斯特曼 1999 年获奖的青少年小说《地下世界》的前提，该小说探讨了一个名叫塔隆的 14 岁地下世界居民违抗禁令，最终爱上了一个名叫林赛的地面人的故事。他们一起揭开了地下世界居民的神秘起源：一位被遗忘的发明家阿尔弗雷德·伊利·比奇，他在一个多世纪前创建了隧道网络。
这是一个科幻小说与科学事实短暂碰撞的例子，因为舒斯特曼创作地下世界的灵感来自真实的人物。阿尔弗雷德·伊利·比奇最著名的事迹是发明了纽约市第一个地铁概念：比奇气动运输系统，该系统将通过压缩空气沿着长管道推动“车厢”，从而快速地将人们从一个地方移动到另一个地方。比奇还是 1845 年《大众科学》的出版商，当时他（年仅 20 岁）与一位合伙投资者一起购买了该杂志，因此这似乎是我在该杂志新兴博客网络上发表首篇文章的一个合适主题。（根据维基百科，发明家鲁弗斯·波特实际上创立了该杂志，但在仅仅 10 个月后就将其卖给了比奇。）
隧道和气动运输系统是经典科幻小说的主题，最早可以追溯到儒勒·凡尔纳的《二十世纪的巴黎》（1863 年），作者在其中设想了横跨海洋的管道列车。1882 年，阿尔伯特·罗比达在他的小说《二十世纪》中不仅描述了管道列车，还描述了气动邮政递送系统。这些作者非常有先见之明：此类系统的各种版本实际上已被建造出来，并且有些至今仍然存在。
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当我还是个孩子的时候，我记得我的妈妈使用银行的汽车通道柜员，通过使用金属罐的气动系统来存款、取款等。尽管自动取款机普及，但其中一些系统仍然存在。医院、工厂和大型商店使用内部气动运输系统来快速地将实物（药品、文件、现金，甚至备件）从一个地点移动到另一个地点。这一切都源于真空——具体来说，是真空物理学。
自然厌恶真空
关于真空存在的最早记录实验显然是由 9 世纪阿拉伯哲学家法拉比进行的，他使用了手持式柱塞在水中进行实验。那时他意识到空气的体积会膨胀以填充任何可用空间。后来的科学家们弄清楚了如何创造更好的人工真空，这要归功于他概述的原理。这非常简单：通过扩大给定容器的体积，压力会降低，从而产生部分真空。它是暂时的，很快就会被大气压力推入的空气填充，但是如果反复密封容器，抽出空气，再次膨胀并关闭，就有可能创建一个密封的真空室。
真空以压力单位衡量。从技术上讲，压力的标准单位是帕斯卡，但科学家们不可能让事情如此简单，因此他们为真空压力提出了一个新的单位，托，以 17 世纪意大利物理学家埃万杰利斯塔·托里切利的名字命名，他最著名的事迹是发明了气压计。他试图弄清楚如何在吸水泵中将水位提高到超过 32 英尺的高度——这是泵制造商使用简单的吸水泵能够达到的极限。似乎大自然可能真的厌恶真空，但伽利略·伽利莱厚颜无耻地暗示，这种厌恶可能只延伸到 32 英尺。伽利略对空气与其他物质的重量略知一二，并认为有可能使用比水更重的东西来克服这一障碍。
受伽利略的洞察力启发，1643 年，托里切利想到了在简单的实验中使用比水重 14 倍的汞：他将一根三英尺长的管子装满汞，在一端密封，然后将其垂直放入装有汞的盆中，开口端浸没在汞中。汞柱下降了约 28 英寸，在其液位上方留下了一个空的空间——这是早期版本的持续人造真空。托里切利进一步意识到，(a) 无论管子倾斜到什么程度，汞都会上升到相同的高度，因为汞的压力会平衡空气的重量，并且 (2) 汞柱的高度会根据变化的大气压力而上升和下降。瞧！第一个气压计。
七年后，一位名叫奥托·冯·格里克的德国科学家建造了一种被称为马德堡半球的装置——世界上第一个人造真空。他拿了两个大的铜半球，边缘紧密贴合，用油脂密封边缘，并抽出所有空气。为此，他不得不发明真空泵；他的版本使用了带有活瓣阀的活塞和气缸，由人们转动连接到泵的曲柄臂驱动。
一旦所有空气从半球内部抽出，它们仍然被周围大气压压在一起，因为内部的人造真空没有提供相反的压力来平衡事物。这是一种非常强大的保持力：冯·格里克用八匹马组成的团队拴住大铜球体的一个半球，用另外八匹马拴住另一个半球，然后让马匹朝相反方向拉动，试图将两个半球拉开——但徒劳无功。
实验的消息迅速传遍欧洲，最终传到英国现代化学创始人罗伯特·波义耳的耳朵里。很少有科学家能够复制冯·格里克的壮举，因为这是一种昂贵的装置。但波义耳拥有 17 世纪相当于信托基金的东西，他是科克伯爵的儿子，因此他兴高采烈地着手建造自己的“气动发动机”，不惜成本。为此，他争取到了《显微图谱》的作者罗伯特·胡克的帮助，当时胡克是波义耳的谦卑助手。胡克在仪器仪表方面很有天赋，这是一件好事，因为波义耳的设计笨拙，难以操作，有时胡克是唯一能让这东西正常工作的人。
波义耳进行了许多不同的实验，以确定空气的特性，特别是“稀薄空气”如何影响燃烧、磁性、声音、气压计和各种物质。他在一本非常厚的书中仔细地详细描述了他的观察结果，该书的书名冗长乏味，名为《关于空气的弹力和其影响的新物理-机械实验（大部分是在一种新的气动发动机中进行的）》。
他显然缺乏起引人注目的标题的天赋。珍-吕克·皮康特会给它起一个更戏剧性的名字，比如《窒息！凝视新气动发动机的虚空》。
吸气和吹气
科学家和工程师弄清楚如何在他们的发明中利用真空技术只是时间问题，最值得注意的是气动管道运输系统，用于在各个枢纽之间传递消息或小包裹。一位名叫威廉·默多克的苏格兰工程师在 19 世纪初首次提出了这个概念，随着世纪末的临近，大多数主要城市都使用某种气动管道运输系统。
最早的系统之一将伦敦证券交易所连接到该市的主要电报站，建于 1853 年，随后是伦敦气动速递公司，该公司将尤斯顿火车站连接到该市的主要邮局。柏林、巴黎、维也纳、布拉格、芝加哥和纽约市都建立了类似的 сети，其中许多一直运营到 20 世纪 50 年代。巴黎的系统一直运营到 1984 年，显然英国下议院仍然有一个气动管道系统用于其电话和计算机交换。您可以在纽约的旧办公楼中找到内部气动邮件系统的遗迹。
布拉格的气动邮政可能是世界上最后一个幸存的此类系统，位于该市中央邮局的附属建筑中。它于 1899 年竣工，是一个复杂的网络，气动管道蜿蜒穿过城市的地下约 34 英里。最初，它主要用于将电报局的电报转发到邮局，但后来该网络扩展到包括政府和其他办公楼。这在臭名昭著的布拉格起义期间派上了用场，当时该市的气动邮政系统帮助为被围困的捷克广播总部运送物资。
在 20 世纪 70 年代的鼎盛时期，该系统每年递送超过一百万件邮件，尽管到 2000 年，这个数字已降至可怜的每年约 6000 件——几乎不是一项有利可图的业务，但它是捷克历史上如此不寻常的一部分，我很高兴他们努力保持其完好无损。唉，2002 年 8 月欧洲的大规模洪水破坏了该系统；它尚未恢复联机。部分问题在于，由于机械系统从未现代化，因此很难找到维修所需的零部件。（曾经供应这些零件的柏林工厂早在 60 年前就关闭了。）
现代气动运输系统的复杂程度可能各不相同，但从根本上讲，概念非常简单。您有一个“发送站”——例如，收银员的收银台——通过管道连接到接收站——可能是商店经理办公室的锁箱。在接收端连接到管道有一个空气压缩机泵，它有两种基本操作模式：“吸气”和“吹气”。
如果您想将现金从发送站发送到接收站，您只需将其装入金属罐中，放入管道中，然后关上门，有效地密封管道。空气压缩机将设置为“吸气”模式，就像您的普通真空吸尘器一样，沿着管道吸入空气，在罐的前面产生部分真空。然后可以清空罐，并通过“吹气”模式将其返回到发送站——空气压缩机通过向罐后吹气来字面意思地将罐推过管道。
如今，我们有更有效的方式来传递消息（电子邮件、推特、短信等），但有些人仍然认为气动管道系统可能对例如通过管道输送食物有用。这就是Foodtubes，一个英国项目背后的概念，该项目建议创建连接英国每个主要城市的高速气动管道。食品将被放入罐中，并沿着近 2000 英里的气动管道快速发送。当然，这将是一项重大的资本投资，但可能会减少目前堵塞伦敦道路的送货卡车的数量。
这种概念远非史无前例：直到今年，明尼苏达州埃迪纳市的一家麦当劳还以成为“世界上唯一的气动空中汽车餐厅”而自豪。顾客会在位于停车场中间的汽车餐厅下单，然后他们的巨无霸、薯条和麦乐鸡会通过气动管道送达。（有人认为苏打水和奶昔也是这样送达的，但溢出的风险似乎相当高。）我敢打赌，财团成员是爱德华·贝拉米的 1888 年小说《回顾》的粉丝，该小说预测到 2000 年将出现一个庞大的互联系统，通过气动管道输送货物。
地下地铁
1812 年，一位名叫乔治·梅德赫斯特的人推测，有可能将装满乘客的车厢吹入隧道，但他从未着手建造任何东西。他缺少一个功率足够大的泵来产生所需的气压。在 1850 年代中期，爱尔兰、伦敦和巴黎出现了几个简陋的“大气铁路”，虽然伦敦气动速递系统的目的是运输包裹，但它足够大，可以容纳人。事实上，白金汉公爵和公司董事会的几位成员于 1865 年 10 月 10 日通过气动系统运输，以纪念一个新车站的开放。1864 年，在水晶宫展出了一个气动铁路原型，计划建造一个连接滑铁卢和查令十字的铁路版本，该版本将在泰晤士河下运行。
早期的这些努力启发了回到美国的比奇。他在 1849 年的《大众科学》上发表了一篇文章，建议沿着曼哈顿的百老汇建造一条地下地铁，使用马拉车厢运送乘客。然后他发现了气动技术：“管道、车厢、旋转风扇！仅此而已！”他热情地惊呼道。这比老式的蒸汽机好多了。这个想法是将人们放在车厢中，并使用巨型风扇产生的气压通过地下管道推动他们。
他首先建造了一个地上原型模型，该模型在 1867 年美国学院展览会上首次亮相。它只不过是一个大型木制管道（直径约 6 英尺，长 100 英尺），能够容纳一辆可容纳 10 人的小型车辆，两端都有一个巨大的风扇。但他无法获得该市的许可来建造地下系统。（关于是“老板”特威德还是富裕居民阻止了他的努力，在 19 世纪版本的“邻避效应”——“不要在我家后院”——中，说法不一。）
比奇是否感到气馁？他没有。他偷偷地建造了地下气动地铁，假装他真的在建造一个气动邮件递送系统，他就在市政厅的眼皮底下，在街对面租来的店面下方完成了这项工作。
1870 年 2 月，比奇揭开了他的杰作，它立即成为公众的新奇景点，特别是考虑到车站的豪华：它拥有三角钢琴、枝形吊灯和一个装满金鱼的完全可操作的喷泉。在接下来的三年里，他为获得将线路向上延伸到中央公园的建筑许可证而奋斗。唉，虽然他最终在这方面取得了成功，但股市崩盘（“1873 年恐慌”）彻底粉碎了他的梦想。
比奇的失败并没有阻止其他人推测所谓的“真空列车”（真空管道列车）。美国政府在 20 世纪 60 年代考虑了在费城和纽约市之间运行真空列车（将气动管道与磁悬浮技术相结合）的可能性，但该项目被认为成本过高而被取消。
洛克希德公司的一位名叫 L.K. 爱德华兹的工程师在 1967 年为加利福尼亚州提出了海湾地区重力-真空运输系统，旨在与当时正在建设中的旧金山 BART 系统并排运行。它也从未建成。兰德公司的罗伯特·M·索尔特在 20 世纪 70 年代构想的沿我们现在称之为东北走廊运行的地下超高速运输系统也没有建成。
比奇可能没有活着看到他的气动地铁系统建成——他感染了肺炎，于 1896 年 1 月 1 日去世——但他的愿景仍在影响着 21 世纪的工程师，最值得注意的是中国科学院和中国工程院的研究人员。显然，通过这些真空管道网络旅行可以实现超音速速度，而不会产生困扰超音速飞机的音爆，从而使从伦敦到纽约的旅程不到一个小时。（对于我们这些越来越不满航空公司的人来说，当我们等待物理学家们在人体瞬间移动方面取得进展时，我们可能会欢迎这种替代方案。）
比奇的梦想已被加拿大前卫摇滚乐队 Klaatu 的一首名为“地下地铁”的歌曲永垂不朽（歌词在此）。在曲调接近三分钟时，您可以在背景中听到一点摩尔斯电码，一位乐队成员后来为他们的歌迷热心地翻译了这段电码：“来自阿尔弗雷德，注意你敏锐的耳朵——我们带来了信息——星舰出现在我们的球体上——春天穿过伦敦的天空而来。”