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蒸汽火车是钢铁制造的巨龙，这头怪兽呼哧呼哧地喘着粗气，力气大得吓人。不到100年前，钢铁巨龙在大陆上飞驰，将工业产品和社会所需的其他物资运到诸多国家的各个地区，将旅客送往远方。蒸汽火车外表平平无奇，还会造成不可忽视的噪声和污染，但它们仍是工程学的杰作。就算这些巨龙已经过时，我们仍舍不得让它们彻底死去。志愿者和爱好者的热忱让一些蒸汽火车存留至今。我在英国北部长大，我的整个童年都沉浸在工业革命史中，对磨坊、运河、工厂，还有最重要的蒸汽机无比熟悉。现在我住在伦敦，这段过往渐渐淡去，但和妹妹一起乘坐蓝铃铁路蒸汽火车的旅程唤醒了我的记忆。
那是个寒冷的冬天，在这样的日子里，乘坐蒸汽火车奔向热茶和司康饼简直是最完美的旅程。出发前，我们没在站台上逗留太久，不过到达谢菲尔德公园后，我们离开火车，在外面待了一会儿。来来往往的人们动作迟缓，却井然有序。与庞大的钢铁巨兽相比，人类看起来是那么渺小。你很容易认出维护机车的工作人员，他们穿着蓝色制服，戴着有檐帽，举手投足间活力十足，有的工人留着胡子，不干活的时候，他们总喜欢在某个地方靠着。而且正如我妹妹所说，这些人里名叫“戴夫”的多得惊人。
蒸汽发动机的妙处在于，它背后的原理非常简单，产生的力量却是那么强大，我们需要去激发它、驯服它、培养它。蒸汽发动机和维护它的人类是密不可分的。
站在地面上仰望巨大的黑色发动机，你很难想象它其实就是一个带轮子的火炉，上面烧着一大壶水。一位戴夫邀请我们去驾驶室里看看。我们爬上发动机背面的梯子，发现眼前黑乎乎的房间里到处都是黄铜把手、表盘和管子，我还看到了两个白色搪瓷马克杯和塞在管子后面的三明治。不过驾驶室最有趣的地方在于，你可以直接看到这头钢铁怪兽肚子里面的东西。蒸汽发动机的中央是一座巨大的炉子，炉膛里炽烈燃烧的煤发出明亮的黄光。烧火工递给我一把铲子，让我给发动机“喂料”，我乖乖从后面的补给车里挖了一铲子煤，送进那张炽热的大嘴。发动机很饿。要跑完这条18千米的路线，它得烧掉500千克煤。这半吨固体黑金会转化成二氧化碳和水分子的混合气体，燃烧释放的巨大能量将它们变得滚烫。这是蒸汽火车能量转化过程的第一步。
蒸汽发动机最引人注目的部件无疑是机舱与炉子之间的长圆筒，它是发动机的主体。我从没认真想过圆筒里到底有什么东西，其实那里面填满了管子。火炉产生的热气通过这些管子传遍整个发动机，从本质上说，它是蒸汽火车的“水壶”。管子周围的大部分空间充满了水，吸收了管内气体的热量后，灼热的水分子蒸发成气体，在发动机顶部以极快的速度左冲右突。这就是蒸汽发动机的工作本质：用炉子和水壶制造出大量灼热的水蒸气。这头巨龙不会喷火，它喷出的是数以亿计携带能量的分子，但这些高速运动的分子却被困在发动机内部的狭小空间里。“水壶”顶部的气体温度约为180℃，产生的压强高达10个标准大气压。这些分子狂暴地敲打着发动机壁，但只有在人类需要它们干活的时候，它们才能出去。
我们离开驾驶室，走到机车前方。高耸的发动机、半吨煤、巨型水壶和所有维护人员——我们刚才看到的一切都服务于眼前这个东西：两个带活塞的圆筒，每个直径约50厘米，长约70厘米。它位于机车前方，和整个钢铁巨龙比起来是那么渺小，但却是真正的核心所在。灼热的高压蒸汽进入其中一个圆筒，活塞另一面的普通空气无法抵御巨龙喷出的10倍气压，分子的撞击力推动活塞沿着圆筒移动，伴着令人心满意足的“哐哧”声，灼热的气体最终会释放到外面的大气之中。蒸汽发动机熟悉的“哐哧”声正是源于这里，这是完成任务的水蒸气释放到大气中时发出的声音。活塞推动车轮沿铁轨前进，车头拖着车厢开动了。我们知道，维持蒸汽发动机运转需要消耗大量煤，但很少有人关心蒸汽火车跑一趟需要多少水。500千克燃煤会将4500升水转化成蒸汽，这些蒸汽推动活塞，然后伴随着每一次的“哐哧”声散逸到大气中。
参观结束后，我们依依不舍地离开发动机，回到车厢里，让蒸汽火车把我们送回家。返程途中，一切似乎都变得不一样了。看到窗外白茫茫的一片，我不由得想起水蒸气为我们的旅途做出的贡献；想到刚才在驾驶室里看到的景象，发动机巨大的轰隆声似乎也不那么吵了。要是有人能用玻璃做一台蒸汽机车该有多好，这样所有人都能看到这头巨兽是怎么工作的。
利用气体分子的推力是19世纪早期蒸汽革命的核心。你只需让某个表面两侧的气体产生压力差，这样的推力能顶起厨房里的锅盖，也能用来运送食物、燃料和旅客，两种现象的基本原理完全相同。现在，蒸汽发动机已经过时，但我们仍在利用气压差带来的推力。从技术角度来说，蒸汽发动机属于“外燃机”，因为炉子和水壶彼此独立，互不相干。而在汽车发动机里，燃烧发生在圆筒内部，汽油就在活塞旁边燃烧，产生的高温气体直接推动活塞。这类发动机被称为“内燃机”。开车或坐公交车的时候，请你记得，推动你的是气体分子。
气压和体积的关系非常容易演示，你只需要一个广口瓶和一个剥了壳的熟鸡蛋。瓶口的直径要比鸡蛋小一点点，让鸡蛋能够安稳地放在瓶口上，不会掉进去。请点燃几张纸扔进瓶子，让燃烧持续几秒，然后把鸡蛋放在瓶口。片刻之后，你会看到鸡蛋慢慢地挤进了瓶子里。这下麻烦了，该怎么把瓶子里的鸡蛋弄出来呢？把瓶子倒过来，让鸡蛋从里面堵住瓶口，然后用热水冲一会儿瓶子，鸡蛋自然就会掉下来。
这个游戏的奥秘在于，瓶内气体的质量是固定的，通过鸡蛋你可以看出是瓶子里的气压更高还是外面的气压更高。鸡蛋在瓶口，那么瓶内气体的体积是固定的。这时候如果用火加热瓶子，那么瓶内气压就会升高，会有空气从鸡蛋周围冒出来。等到气体冷却下来，瓶内气压也会随之降低，所以鸡蛋会挤进瓶子。这时候，外部气压大于瓶内气压。容器还是这个容器，你可以反复冷却、加热空气，让鸡蛋钻进钻出。
蒸汽发动机制造的高压是稳定可控的，它能为活塞和车轮提供理想的动力。但事情并未到此为止。为何不简化从气体到轮子的过程，以此节约能量呢？为何不用高温高压的气体直接驱动车辆？枪炮和烟花就是这类思路的产物。众所周知，在发明之初，这些东西的稳定性都很差，到了20世纪初，人类的技术和追求都有了长足的进步，火箭才终于被发明出来，它采取的正是最直接的推进方式。
第一次世界大战之前，火箭技术还不够可靠，在20世纪30年代，发射出去的火箭很可能飞往正确的方向，却不大可能炸死人，至少多数情况是这样。和很多新技术一样，火箭刚刚发明的时候，人们根本不知道它能用来干什么。在热情的驱使下，富有创造力的人类为它想出了一个听起来很时髦却破坏力十足的新用途：送信。
在欧洲，人们真的试过用火箭送信，这完全是因为格哈德·楚克尔（Gerhard Zucker）的努力。当时捣鼓火箭的发明家有好几位，但面对接踵而来的挫折与失败，只有楚克尔以近乎偏执的坚持和绝不放弃的乐观走在了所有人的前面。这位德国的年轻人痴迷于火箭，可是军方对他的发明毫无兴趣，所以他转而在民用领域探索前景。在他看来，用火箭送信正是全世界人民翘首以盼的，因为火箭速度够快，可以跨越大洋，而且闪烁着创造力的光辉。德国人受够了他失败的早期试验，于是楚克尔来到了英国。在这里，他获得了集邮爱好者的友谊和支持，集邮者们欢迎新邮戳和新的邮递系统。在汉普郡进行了一次小规模试验后，1934年7月，楚克尔动身前往苏格兰，试图在斯卡普岛和哈里斯岛进行火箭送信试验。
楚克尔的火箭还不太成熟。它的主体是一个长约1米的巨大金属圆筒，圆筒内有一根装满了炸药粉的细铜管，喷嘴位于圆筒底部。信件就塞在铜管外壁和圆筒内壁之间。火箭顶端是个带弹簧的尖顶，楚克尔希望它能缓冲火箭着陆的冲击力。更可爱的是，考虑到炸药可能引燃信件，楚克尔还在铜管外添加了保护层，他在草图上是这样标注的：“用石棉包裹火药筒，以防毁坏邮件。”这枚火箭被安放在一台支架上，斜斜指向天空。发射的时候，电池会引燃炸药，产生大量高压热气。高速运动的气体分子猛烈撞击火箭顶端，推动它向前飞行，但火箭尾端不存在等量的推力，废气只是通过喷嘴直接排放到大气中。推力的失衡使火箭疾速向前飞行，炸药会持续燃烧几秒，足以将火箭推到高空，让它飞越两座岛之间的海峡。至于火箭的落点和着陆方式，他似乎没怎么考虑，不过楚克尔之所以会在苏格兰四面环海的偏远地区进行这次试验，应该也有这方面的原因。
为了完成试验，楚克尔征集了1200封信件，每封信上都盖了特制的邮戳，上面写着“西部群岛火箭邮政”。他把塞得满满当当的火箭放到支架上，围观的人群屏息静待，英国广播公司的摄像机开拍，激动人心的时刻来了。
发射键被按下的瞬间，电池点燃了炸药。剧烈的燃烧在铜管内制造出灼热的混合气体，载满能量的分子撞击火箭顶壁，推动火箭离开支架高速升空。不过短短几秒钟后，伴随着一声巨大的闷响，火箭消失在一团浓烟中。烟雾散尽后，数以百计的信件从半空中飘落。石棉层圆满地完成了任务，火箭却彻底被毁。高压热气很难控制，携带大量能量的分子炸掉了火箭的外壳。楚克尔觉得是炸药筒不够好，他开始回收信件，准备进行第二次试验。
几天后，从上次事故中抢救回来的793封信和142封新邮件被塞进了第二枚火箭。这次楚克尔选择在哈里斯岛发射，终点是斯卡普岛。不过他还是差了点运气。第二枚火箭直接在发射台上爆炸了，这次的声音更加响亮。残存的信件再次被收集起来，由常规邮政系统送往收件人手中，只有烧焦的毛边暗示着它们不同寻常的历程。火箭试验遭到了公众的抛弃。但接下来的几年里，楚克尔仍锲而不舍，他总是相信下次一定会成功，但成功始终没有到来——至少他从未用火箭成功送出过信件。
楚克尔是个执着于探索的人。我们可以说他没有在正确的时间和地点想出正确的主意。要是天时地利人和俱全，人们就会将他尊为天才。小型火箭可靠性低、精度不高，要说送信，它的确比不上机动化运输系统和电报。从某种角度来说，楚克尔是对的：以高压热气为推进剂，完成A点到B点的运输任务，这个想法潜力无限。可最后是其他人为这个原理找到了真正的舞台，解决了实际问题，最后大获成功。德国的V1和V2火箭在第二次世界大战中崭露头角，火箭研发纳入军方项目，民用太空项目也逐渐兴起。
现在，我们早已熟悉了巨大的火箭搭载设备和人员飞往国际空间站或者将卫星送上太空的画面。火箭的确非常强大，现代的控制系统让它们变得安全可靠，这是人类了不起的成就。但是，无论是“土星5号”（Saturn V）、“联盟号”（Soyuz）、“阿丽亚娜系列”（Ariane）还是“猎鹰9号”（Falcon 9），所有火箭背后的基本原理都和楚克尔简陋的邮政火箭一模一样。只要能在足够短的时间内制造出足够多的高压热气，你就可以利用数以亿计的分子累积起来的强大撞击力。“联盟号”火箭第一级的飞行气压大约是标准大气压的60倍，所以它产生的推力也是普通空气推力的60倍。不过，这两种推力本质上完全相同，都是由分子撞击物体而产生的。只要分子够多，速度够快，撞击频率够高，这样的推力就能把人类送上月球。永远不要低估那些小得看不见的东西！