相信大家在坐高鐵時會產生疑問：為什麼高鐵不會發出普通火車一樣“況且況且”的聲音？
這其實是因為中國在鐵軌技術上擁有一項看家本領——無縫鋼軌。有了無縫鋼軌的保障，高鐵才得以高速行駛。
那麼中國到底擁有什麼樣的技術？無縫鋼軌到底是怎樣建成的？
在說技術之前，我們要先講清楚當今鋼軌建設的問題在哪裡。其實問題就出自非常簡單的物理現象——熱脹冷縮，熱脹冷縮是由於物體溫度變化導致物體內部分子活性不同，從而影響分子之間的引力。最明顯的熱脹冷縮現象出自於分子間隔較大的氣體，在初中物理實驗時通常用氣體來詮釋明顯的熱脹冷縮現象。但是世界上任何物質都存在熱脹冷縮現象，只不過硬度較大的固體不會那麼明顯罷了。
根據鋼軌的材料計算，一條12.5米長鋼軌溫度每升高一攝氏度時，鋼軌會膨脹0.0128毫米，這看上去不會影響太多，但是如果在高緯度地區，晝夜溫差較大的情況下就會顯得特別明顯，這又要牽扯到另一個物理性質——比熱容。
鋼軌的比熱容是相對較低的，也就是說鋼軌在吸收或釋放相同熱量的時候會產生更大幅度的溫度變化，以中國東北地區為例，在深秋時白天最高溫度達到零上10度，而夜晚最低溫度可以達到零下20度左右，室溫的溫差達到30攝氏度，但是大氣的比熱容比鋼軌大，鋼軌的溫差就可以達到50至60攝氏度。這樣看似一攝氏度所造成的形變雖然不大，但是溫差一大就會顯得格外明顯，就會導致鐵軌之間的間隔擴大或者造成擠壓。間隔擴大與擠壓後果都是非常嚴重的，鋼軌間隔過大會增加火車的脫軌機率，而鋼軌擠壓會導致鋼軌形變，從中間凸起，讓列車行駛更加顛簸或出現脫軌的現象。
在不能改變室溫的情況下，人們只能改變單條鋼軌的長度來控制熱脹冷縮造成的影響。在經過漫長的實驗中人們發現，單條鋼軌在12.5米長時是最合適的，溫度降低時軌道間產生的縫隙不會影響列車正常行駛，而且溫度高時擠壓所造成的“熱應力”也會降到最低，不會發生軌道凸起的情況。
所以在傳統軌道的鋪設過程中，我們是無法做到鋼軌與鋼軌之間完全沒有縫隙的。這也是為什麼我們在坐火車的時候會聽見“況且況且”的聲音，這種聲音就是火車輪骨與鋼軌縫隙相碰撞的聲音。
然而縮短單條鋼軌長度並不能意味著所有火車都可以在這種鐵道上行駛，有縫鋼軌的承載能力是有天花板的，對於時速超過每小時200公里的火車而言，恐怕要直接“原地起飛”。因此中國如果想發展高鐵，首先就要解決鋼軌問題，只有做到完全無縫的鋼軌才能讓高鐵正常行駛。
這個問題卻難倒了世界科學家，因為我們之前提到過，如果鋼軌的長度過長，那麼溫差帶來的影響就越明顯。熱脹冷縮會增大整條鐵路結構的“熱應力”。熱應力是結構力學中的基礎概念，它的意思是在整個結構中如果發生熱脹冷縮的現象時，由於各部分之間緊密聯合，不會發生形變，但是在結構內部會產生極大的作用力，讓整合結構處於緊繃狀態，從而導致結構的承重能力減弱，外部破壞結構會更容易。如果將模型簡單化，你可以理解為一個身材豐滿的人穿一件比較小的衣服，他不敢隨意呼吸，稍有不慎就可能把衣服撐破。
鋼軌也是一樣的道理，如果整條鐵路只用兩條完整的鋼軌組成，那麼這兩條鋼軌產生的熱應力就會非常龐大，致使影響到包括螺絲、枕木等整個鐵路系統，所以各個國家都不敢那麼做，跟何況怎麼生產一條長度數十公里的無縫鋼軌呢？
第二個桎梏就來自於鋼軌的生產，要打造無縫鋼軌，就要建造一條長達幾公里甚至數十公里長的鋼軌，這對生產和運輸都會造成不小的挑戰，而普通的焊接也無法做到無縫銜接，因為在焊接點雖然表面看似接上了，但是內部卻沒有做到完全緊密，很容易被破壞。其次是在焊接過程中，不同環境的室溫也會影響鋼軌的長度，白天接上了鋼軌晚上就會收縮緊繃，由於焊接不完整導致仍然有熱應力的出現，風險是非常大的。
然而在2008年，在中國江蘇就建立了一條完整的無縫鋼軌生產線，這條生產線長度達到一公里，一次可以伸進16條12.5米長的鋼軌，在每個縫隙處都設立無縫焊接點，無縫焊接點和普通的焊接器械不同，你可以理解為一個“微型鍛爐”，兩條鋼軌會進入一個密閉空間內，經過1000攝氏度的高溫融化後實現融合，然後在這裡冷卻並重新塑形，一套下來行雲流水，沒有半點差錯，銜接後的鋼軌如同新的一般，肉眼根本看不見銜接處在哪裡。不光肉眼看不見，內部的鋼軌也會融為了一體，這樣在出現熱漲冷縮的現象時，就會讓整條鋼軌一起伸縮，不會產生熱應力。
然而生產線的長度也是有限的，也不能做到生產一整條鐵軌，接下來就是將每根長為1公里的鋼軌進行銜接，這就需要在鐵路鋪設現場的築路機械了。築路機械會將鋼軌在體內穿過，體內擁有高溫鍛造點，進去的時候是分開的，出來的時候就是完整的。新鮮出爐的鋼軌經過特別的冷卻技術讓鋼軌的溫度變成最適合鋪設的溫度，然後鋪到鐵軌上進行固定。中國“基建狂魔”的稱號也可以在這個地方得以體現。有了築路機械的加持，無縫鋼軌的鋪設速度大幅度加快。
擁有了這些技術還不算完，雖然鐵道兩邊的鋼軌變成無縫的了，但是整條鐵路畢竟是一個結構，由於鋼軌整體變長，熱脹冷縮造成的影響會更大，雖然鋼軌內部的熱應力有所減少，但是整條鐵路的熱應力並沒有完全解決。這就要思考如何解決熱應力的問題了。
事實上熱應力不可能完全解決，因為只要有結構存在，熱應力就會存在，除非整條鐵路都是一種物質建成，不然根本不可能實現0熱應力。減少熱應力需要多方面相互配合，首先是不斷研發新的鐵路零件，這裡包括枕木的材料、鉚釘的材料和螺絲的材料。如果材料的抗寒、抗熱性更好，那麼單位溫度變化下的形變也會更少，所產生的熱應力也會更少。目前就鐵路材料方面還有很長的路要走，這需要新一代材料學學子加倍努力了。
其次是對高鐵鐵路的加固，這是一個簡單粗暴的方法，本意為只要加強結構的複雜性，那麼抗熱應力的能力就會更大。目前高鐵鐵路的加固等級是中國鐵路最高的，每公里長的鐵路需要更多的加固設施。但是加固的方法有一個致命的弱點，那就是不能適用於彎道，且未來修改鐵道的成本會更大。
首先說彎道，在列車過彎時，彎道外側的鋼軌受力遠遠大於彎道內側鋼軌的受力，這種受力不均衡會影響整個彎道鐵軌，如果加固太深，會造成更大的破壞。
其次是鐵路變更的問題，中國的鐵路也不是一勞永逸的，經常需要改變道路，如果加固過多，鐵道的拆卸會更加麻煩，並且會對地面造成不可逆的傷害。考慮到成本問題，加固設施只會在高鐵的直線路段進行深度加固，彎道和經常變更的路段就不會採用深度加固了，在整條高鐵路段上被稱為“加固區”。
接下來是一個比較萬金油的方法，就是應力釋放。
應力釋放工作只會在溫差極大的情況下進行，比如高緯度地區春秋季節晝夜溫差大的時候還有極端氣候的情況下。在中國的高鐵鐵路中會出現短距離的“釋放區”，釋放區的鋼軌很短，且便於拆卸，每到晝夜溫差大的時候，鐵路工人會定期進入釋放區拆下鋼軌進行釋放，釋放出積累已久的熱應力，在釋放過後，會發現鋼軌有明顯的伸縮現象，從能量的角度來說，就是結構內部所產生的勢能可以釋放在大氣中。等到溫度穩定了就可以把鋼軌重新裝回，這樣做的好處是簡單方便，同時還能增加整條鋼軌的使用壽命，讓鋼軌經常“放鬆放鬆”。
以上三種方法是目前中國解決熱應力問題的主要方法，但是中國的高鐵發展並沒有停止，我們的技術也需要不斷革新進步。也許未來還會有更好的生產鋼軌的方法，會有更先進的鐵路鋪設機械，會有更好的解決熱應力的方法，這可能需要幾代人的努力才能完成。
不過令人驕傲的是，中國目前所有高鐵鐵路都已經做到無縫銜接，面對熱脹冷縮的問題也有較強的抵抗力，可以放心乘坐了。
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