自从铁路发明以来，它在世界文明的进一步发展中发挥了巨大的作用。从古希腊到现代美国，铁路改变了人类的旅行和工作方式。

最早的铁路运输形式实际上可以追溯到公元前600年。希腊人在铺砌的石灰岩道路上开槽，以便与轮式车辆配合使用，从而简化了穿越科林斯地峡的船只运输。然而，当罗马人在公元前146年征服希腊人时，早期的铁路陷入了废墟，消失了1400多年。

直到16世纪，第一个现代铁路运输系统才回归。即便如此，蒸汽机车的发明还需要三百年才能在全球范围内改变轨道交通。

第一条现代铁路

15世纪50年代初，随着货车的引入，现代火车的前身在德国首次出现。这些原始的有轨道路由木轨组成，马拉的货车或手推车在木轨上比在土路上更容易移动。到17世纪70年代，木轨已被铁轨所取代。这些货车演变成了横跨欧洲的有轨电车。1789年，英国人威廉·杰瑟普（William Jessup）设计了第一辆带有带槽法兰车轮的货车，使车轮能够更好地抓住钢轨。这一重要的设计特点被后继机车所继承。

直到19世纪，铁路都是用铸铁建造的。不幸的是，铸铁容易生锈，而且很脆，经常在压力下失效。1820年，约翰·伯金肖发明了一种更耐用的材料，叫做熟铁。这一创新虽然在铸铁方面有所改进，但仍有缺陷，但直到19世纪60年代末贝塞默法的出现才成为标准，从而使钢铁生产更为廉价，不仅在美国，而且在全世界引发了铁路的快速扩张。最终，贝塞默法被平炉炉的使用所取代，这进一步降低了钢铁生产成本，并使火车能够在19世纪末连接美国大部分主要城市。

工业革命与蒸汽机

在为先进的铁路系统奠定基础之后，剩下要做的就是找到一种方法，在较短的时间内将更多的人和更多的货物运送到更远的距离。答案来自于工业革命中最重要的发明之一——蒸汽机，它对现代铁路和火车的发展至关重要。

1803年，一个名叫塞缪尔·霍姆弗莱的人决定资助开发一种蒸汽动力汽车，以取代电车上的马车。Richard Trevithick制造了这辆车，第一辆蒸汽机车电车。1804年2月22日，火车头将10吨铁、70人和5辆额外的货车从威尔士梅瑟提德菲尔镇Pen-y-Darron钢铁厂之间的9英里处拖到阿伯辛农谷底。这次旅行花了大约两个小时完成。

1812年，英国发明家乔治·斯蒂芬森成为斯托克顿和达林顿铁路线的煤矿工程师。到1814年，他为他们建造了第一辆火车头。不久之后，他说服车主试用蒸汽动力机车。第一次尝试被命名为移动。斯蒂芬森被认为是第一台铁路蒸汽机车的发明者，而特雷维希克的发明被认为是第一台有轨电车机车。

1821年，英国人朱利叶斯·格里菲斯成为第一个为公路客运机车申请专利的人。1825年9月，Stockton&Darlington铁路公司使用Stephenson的机车，开通了第一条定期载运货物和乘客的铁路。这些新火车可以在大约一小时内牵引6辆满载的煤车和21辆载客汽车，在9英里的范围内载客450人。

不久之后，斯蒂芬森开了自己的公司，罗伯特·斯蒂芬森和他的公司。他最著名的原型，史蒂芬森的火箭，是为Rainhill试验设计和制造的。Rainhill试验是1829年由利物浦和曼彻斯特铁路公司举办的一项活动，旨在选择最佳设计为他们的新机车提供动力。火箭，当时最先进的火车头，轻而易举地赢得了胜利，并为未来150年制造大多数蒸汽机设定了标准。

美国铁路系统

约翰·史蒂文斯上校被认为是美国铁路之父。1826年，史蒂文斯在他位于新泽西州霍博肯（Hoboken）的庄园建造了一条实验性的环形轨道，证明了蒸汽机车的可行性，三年后史蒂芬森在英国完善了一台实用的蒸汽机车。

史蒂文斯于1815年被授予北美第一份铁路包机，但其他人也开始获得拨款，并在不久后开始修建第一条运营的铁路。1930年，彼得·库珀（Peter Cooper）设计并建造了第一辆美国制造的蒸汽机车——汤姆·拇指（Tom Thumb），该机车将在一条普通的运输铁路上运行。

19世纪的另一项重大火车创新与推进或供电无关。相反，这一切都是为了乘客的舒适。乔治·普尔曼于1857年发明了普尔曼卧铺车。尽管卧铺车自19世纪30年代起就开始在美国铁路上使用，但普尔曼卧铺车是专门为过夜乘客设计的，被认为是对其前身的显著改进。

蒸汽动力的缺点

尽管蒸汽动力机车在19世纪对交通运输和经济扩张产生了不可否认的影响，但这项技术并非没有缺点。其中一个最大的问题是燃烧煤炭和其他燃料产生的烟雾。

尽管这些有毒副产品在开阔的乡村是可以忍受的，但即使在早期，随着铁路侵占人口更多的地区，燃料废气造成的危害也变得更加明显，这反过来又需要越来越多的地下隧道来容纳前往城市目的地的火车。在隧道中，烟雾可能会致命，特别是当火车陷在地下时。电力驱动的火车似乎是一种明显的替代方案，但早期的电力火车技术根本无法在长途运输中跟上蒸汽。

电力机车起动缓慢

1837年，苏格兰化学家罗伯特·戴维森（Robert Davidson）建造了第一台电力机车原型，由原电池供电。戴维森的下一个机车，一个更大的版本命名为加瓦尼，首次在皇家苏格兰艺术协会展览于1841年。它重达7吨，有两个直接驱动的磁阻电机，使用固定电磁铁作用于铁棒上，铁棒连接在每个轴上的木制圆筒上。1841年9月，当它在爱丁堡和格拉斯哥铁路上进行测试时，电池的有限功率使该项目失败。加瓦尼号后来被铁路工人摧毁，他们认为替代技术是对他们生计的潜在威胁。

沃纳·冯·西门子（Werner von Siemens）的创意，第一辆由一个机车和三节车厢组成的电动客车于1879年在柏林首次运行。这列火车的最高时速刚刚超过每小时8英里（13公里）。在四个月的时间里，它在984英尺（300米）的环形轨道上运送了90000名乘客。列车的150伏直流电通过绝缘的第三根轨道提供。

有轨电车线路开始流行起来，首先在欧洲，后来在美国，第一条线路于1881年出现在德国柏林郊外的利希特菲尔德。到1883年，英国布莱顿开始运营一辆电动有轨电车，奥地利维也纳附近开始运营的有轨电车，同年是第一辆由架空线路供电的常规运营电车。五年后，弗兰克·J·斯普拉格（曾为托马斯·爱迪生工作的发明家）设计的电动手推车进入里士满联合客运铁路的轨道。

蒸汽到电的转变

1890年，伦敦城和南部铁路开通了第一条地下电气铁路线。五年后，斯普拉格发明了一种改变游戏规则的列车多单元牵引力控制系统（MU）。每辆车都配备了牵引电机和电机控制继电器。所有的车厢都从列车前部获得动力，牵引电机协调工作。1897年，MUs为南边高架铁路（现在是芝加哥L铁路的一部分）安装了第一个实际装置。随着斯普拉格发明的成功，电力很快成为地铁的首选电源。

1895年，连接纽约的巴尔的摩和俄亥俄铁路（B&O）的巴尔的摩带状铁路（Baltimore Belt Line）的四英里长成为美国第一条电气化的主要铁路线。蒸汽机车停在电气化线路的南端，然后与电力火车相连，穿过环绕巴尔的摩的隧道。

纽约市是最早禁止火车隧道使用蒸汽机的城市之一。1902年公园大道隧道相撞后，在哈莱姆河以南禁止使用发烟机车。纽约中央铁路从1904年开始使用电力机车。从1915年开始，芝加哥、密尔沃基、圣保罗和太平洋铁路的电气化服务横跨落基山脉和西海岸。到了20世纪30年代，宾夕法尼亚铁路已经在宾夕法尼亚州哈里斯堡以东的整个地区实现了电气化。

随着20世纪30年代和随后几十年柴油动力列车的出现，电力动力列车基础设施的扩展速度放缓。然而，最终，柴油和电力将结合起来，创造出几代电动柴油机和混合动力车，它们将采用这两种技术中的最佳技术，并将继续成为许多铁路线的标准。

先进的列车技术

在20世纪60年代和70年代初，人们对建造比传统列车运行速度快得多的客运列车的可能性产生了极大的兴趣。从20世纪70年代开始，人们对另一种高速技术的兴趣集中在磁悬浮（maglev）上，即汽车乘坐在气垫上，气垫是由车载设备与其导轨中嵌入的另一个设备之间的电磁反应产生的。

第一条高速铁路在日本东京和大阪之间运行，并于1964年开通。从那时起，世界各地建立了更多这样的系统，包括西班牙、法国、德国、意大利、斯堪的纳维亚、比利时、韩国、中国、英国和台湾。美国还讨论了在旧金山和洛杉矶之间以及波士顿和华盛顿之间的东海岸安装一条高速铁路，D.C.。

从那时起，电动发动机和火车运输技术的进步使人类能够以高达320英里/小时的速度旅行。这些机器的更多进步都处于开发阶段，包括Hyperloop地铁列车，预计将达到接近700英里/小时的速度，该列车于2017年完成了首次成功的原型试运行。