对于实现任何一种速度，我们都需要付出代价，因为所有具备质量的物体都具有惯性，所以物体本身不会自己产生运动加速。航天器也是如此，要想获得速度提升，就必须利用外界能量为其提供推进的动力，航天器获得多大飞行速度，取决于为其提供多少推进能量。
现在的航天器所使用的能源大部分来自于从石油中提取的高能化学燃料，比如肼基燃烧剂、煤油和氢等。其中氢是燃烧值最高的一种燃料，其比冲高达4500m/s （N s/kg）。
航天器的速度要想运行得更快，自身就必须携带更多的燃料来提供能量。而一个很矛盾的问题是，燃料本身也有质量，携带更多的燃料只会使航天器的自重增加，一部分燃料燃烧转化的能量，要为没有转化成能量的燃料提供克服惯性的动力，并不是单纯为航天器本身提供动力。随着燃料的增加，其所占整个航天器总质量的比例同时增加，虽然提高了航天器自身的速度，但是也意味着更多的燃料为了克服燃料自身的惯性而被消耗掉。
距离地球最近的恒星为半人马座α星，两者之间相隔了4.5光年的尺度。钱学森在《星际航行概论》中提出，航天器的速度要想达到光速的0.8倍，其总质量应当为34.8×108千克，而我们不可能造出那么巨大的一艘飞船。因为我们必须地清楚地认识到这一点：能量总是凝聚在物质之中，与质量相互结合，提高能量的含量，必须要为携带能量的物质所具有的质量而付出代价。
能量密度
既然能量离不开物质，为什么不考虑一下如何让单位物质携带更多的能量。这里我们开始引入一个“能量密度”的概念，即：
①单位空间（或质量）所储存的能量，叫做空间能量密度也叫做静态能量密度；
②单位时间所转化的能量，叫做时间能量密度也叫做动态能量密度；
③单位空间（或质量）所存储的能够被以一定单位时间所转化能量的速度去消耗的能量，叫做复合能量密度。
针对这三种概念，可以举例来说明。
有的时候，我们只考虑一定空间（或质量）所含有能量，而不考虑这些能量的输出功率，这就是空间能量密度。例如手机电池，我们希望手机在尽可能小巧的前提下待机时间更长，那么这种手机电池的空间能量密度就越高。2011年11月，美国麦克密克工程应用科学院的研究小组，利用只有原子大小一般厚度的碳硅混合层（石墨烯）研制成功了一种新型锂电池，这种锂电池容纳的电量是传统锂电池的10倍。由于碳硅混合层充满了孔隙，不但可盛装更多的离子，而且使离子在电池中移动的速度加快，因此这种电池可以储存更多电能，充电时间缩短。预计这项新技术将在3年内进入商业领域，届时手机产业会面临一场革命。所以空间能量密度衡量的是能量存储装置具备的能量密度指标。
有时候，我们只考虑能量输出功率，而不需考虑为提高功率所使用的设备占据多大空间。例如建造一座粒子加速器，为了研究更高的能级时粒子具有的状态，就必须增加粒子加速器的功率，那么它的时间能量密度越高，当然粒子加速器的体积也越庞大，此时它不再是能量存储装置，而是能量转换装置，所以时间能量密度衡量的是能量转换装置具备的能量密度指标。
有时候，我们还要考虑空间方面，即当能量存储装置和能量转换装置融为一体时，就是第三种情况。人类所创造出来的交通工具，大多归属于这类，比如汽车、轮船、航空器和航天器等，人们希望它们不但拥有持久的动力，还要具备强大而多样的功能，因此要保证这种机械装置的空间能量密度和时间能量密度同时获得提高。
2011年11月26日，NASA发射的“好奇”号火星车拥有迄今为止最为专业、最为全面和先进的探测仪器。强大的功能意为着拥有强劲的输出功率，“好奇”号采用的是钚元素作为燃料的核能源装置，虽然仅有4.8千克的钚238，但足可以为整个火星车提供长达5年之久的充足动力。
能量密度是衡量一个文明发展的程度，与这个文明对宇宙认识的程度是一致的。现在科学家借助粒子加速对撞机来认识和了解宇宙，只有提高了加速器的输出功率，更微小的粒子才能被我们发现。位于法国和瑞士交界处的欧洲大型强子对撞机是目前能级最高的粒子探测器，它的全功率输出时量级达到14万亿电子伏。这相当于在一个电子上施加14万亿伏电压时该电子所具备的能量，这是目前人类所掌握的最高量级的电子伏能量密度。
能量密度的概念却不是偶然产生的，它决定于人类应用什么样的能量来源和是否创造出能量存储装置及能量转化装置。人类文明发展过程，其实就是掌握的能量密度逐渐获得提升的过程。能源伴随着人类进步的始终，人类无时无刻不在利用能源来使自己的文明获得前进。
能源与革命
在第一次技术革命之前，人类单纯地利用自然界的能源，并没有对这种能源进行人为转化和升华，因为当时并未创造出能量转换和存储装置。能代替人的体力劳动的只有牛、马等家畜，而这些家畜算得上是天然的能量存储和转换装置。但是人类却无法对它们进行升级和改造，比如通过某种方式让家畜的体能提升数倍，这不仅是在以前，就是现代的生物科技也无法通过基因突变来实现，即人类无法改变它们的能量密度。
随着技术革命的到来，人类真正进入到了一个崭新的时代，这种进步意义不仅体现在那些改变我们生活的发明上，更重要的是，它预示着人类开始真正学会如何主动利用能量，并且逐渐提高能量密度。从那以后，人类文明的进步就和能量息息相关，每一次技术革命其本质都是人类在利用能量上的飞跃。
超临界（超超临界）：温度在374.15℃，压力在22.11MPa时，为水的超临界点，此时水和水蒸气的密度是相同的；温度不低于593℃，工程上压力不低于27MPa时，为水的超超临界点，此时密度如同水蒸气的水将全部变成水蒸气（由湿蒸气变成饱和蒸气）。水的温度和压力介于临界点和超临界点之间称为超临界状态；水的温度和压力高于超临界点称为超超临界状态。
（1）第一次技术革命
为了改变原有的畜力、水力和风力等天然能量来源无法为日益增多的机械化生产提供充足能量的现状。1769年，瓦特发明了蒸汽机，这是第一次技术革命最本质的标志。人类有始以来第一次利用了从自然界不可直接利用的能源，人类社会从此进入了“蒸汽时代”。
在以后的文明发展中，人类逐渐提高了蒸汽能源的效率和功率，从而提高了这种能源的能量密度。目前的火力发电站都是用蒸汽作为工质推动叶轮转子转动，将机械能转化为电能输出。但是这种蒸汽产生的条件都不是处在常压环境下，一般要达到超临界和超超临界状态。因为蒸汽的温度和压力越高，它的做功能力就越强，从微观上说，每个水分子所具备的能量越多，其能量密度就越大，通过带动蒸汽涡轮高速旋转，输出更多的电能。
（2）第二次技术革命
在19世纪，英国科学家法拉第发现电磁感应现象，从而提出电磁感应定律，表明机械能可转化为电能，为发电机的问世提供了理论基础。1820年，丹麦物理学家奥特斯发现电流导线可以使磁针偏转，这就是电流磁效应，揭示了电能向机械能的转化的原理。1873年，英国物理学家麦克斯韦发表了《电磁学通论》，提出了电磁场的理论：变化的磁场可产生电场，变化的电场同样也能够产生磁场。从此电和磁被完整地统一。
电磁学的发展，促进了电能的应用，从19世纪70年代起，发电机和电动机相继问世，1866年德国工程师发明了第一台自激式直流发电机；1873年比利时工程师莫克拉姆发明了电动机，它们标志着人类利用电能的开始。无论是电动机还是发电机都是一种能量转化装置，可将电能和其他形式能之间相互转变。
电能的发现和应用，是第二次技术革命的核心标志。电能为其他形式能源之间相互转化和利用构建起了桥梁和纽带的作用，同时也大幅度地促进了人类文明的进步，彻底地改变了人类生活方式和观念。电能不仅仅为我们的生产提供机械动力；电灯还可以为我们带来光明；电车为我们出行提供便利；电话、电报方便我们之间的交流通信；电视、电影又丰富了我们的生活，给我们带来了欢乐。总之电能的问世，使我们的生活变得更加丰富多彩。
2012年3月30日，美国罗斯阿拉莫斯国家实验室创造出强度高达100特斯拉的非破坏性极强磁场，这个100.75特斯拉的磁场是地球磁场强度的200万倍，是世界上强度最高的人造磁场。它由一个重达8.165吨的脉冲磁体在1200MJ的发动机驱动下产生。科学家利用此种磁场发现了物质的两种新磁序状态，精确地测量了高温超导体中的磁量子振荡现象。这些都是在电能问世前我们所不可实现的创举。
（3）第三次技术革命
随着对电学的认识，人们发现了一种材料可随着电流的方向变化产生导电与不导电的两种性质，后来把这种材料叫做半导体，当半导体接入电路后，使得电路之间出现了某种“逻辑”，这种逻辑似乎可以代表或传达某种信息，这也预示着第三次技术革命的即将到来。
20世纪50年代初期，人类迎来了以信息技术为核心，以电子计算机、原子能、空间技术和生物工程等为主要标志的第三次技术革命。这次技术革命不仅极大地推动了人类社会、经济、政治和文化领域的变革，而且也影响了人类文明向更高的境界发展。
与前两次技术革命一样，第三次技术革命实质上也是一次能源革命。作为第三次技术革命核心的信息技术，其具体有两大功能——处理和运算，这就是可以集中体现出信息技术优势特征的电子计算机所拥有的本领，它可以帮助我们在短时间内完成大量纷繁复杂的运算，使工作效率成几十倍、几百倍的提高。
因此信息是这样一种能源，它不同于蒸气能和电能解放了人的体力劳动，而是解放了人的脑力劳动，我们可以称之为信息能源。
在20世纪末，随着互联网的应用和普及，信息能源的另一个功能显现出来，这就是沟通和交流。其实这也应当属于第三次技术革命的一部分，因为它还是围绕信息能源本身特点而开展的，只不过是时间推后了一些。
随着科学技术的发展，计算机的运算速度以量级的速度逐年提高。
1946年，世界上第一台计算机由美国宾夕法尼亚大学研制成功，取名为“埃尼阿克”号。这台计算机当时所创造的运算速度为5000次／秒，它采用了电子管作为基本元件，体积庞大、功率高，但可靠性低。
1956年，晶体管在计算机技术上投入了使用，代替了体积庞大的电子管，第二代晶体管计算机由此诞生。与第一代计算机相比，晶体管计算机体积更小、速度更快，运算速度可达每秒十几万到几十万次，而且消耗功率低，性能更稳定。
1965年，第三代集成电路电子计算机问世，这种计算机的处理运算速度更快，达到每秒几百万次，而且存储容量更大、体积更小，也拥有更稳定的性能。在此之后集成电路的规模逐渐扩大，由大规模集成电路发展到超大规模集成电路，到目前为止我们所使用的计算机其主体结构仍然是集成电路。
2012年6月20日，在第39届世界超级计算机TOP500排行榜发布会上，位于美国能源部下属劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的“红杉”超级计算机以每秒1.632万万亿次的实测运算速度荣登榜首，超过了2011年11月17日由日本富士通公司和日本理化研究所联合研制的超级计算机——“京”每秒1.051万万亿次的运算速度，成为迄今世界上运算速度最快的计算机，这也是全球第二款运算速度超过1万万亿次数值的计算机。在测试中，“红杉”使用了1572864个处理核心，处理性能比日本的“京”快了55%，而且能效更高。
只有在这种速度下，处在世界最前沿的科学研究才得以实现，这也是信息能源提高能量密度的根本体现。如今的电脑不但运算速度快，而且体积越来越小，一只小小的智能手机，也正逐渐具备了电脑所有的功能。
第四代计算机将脱离传统的集成电路模式，采用革命性的计算元件。2009年11月15日，世界上首台试验型量子计算机在美国国家标准技术研究院诞生。与集成电路中电子元件只能记录1和0不同，作为计算元件的量子可以表示多种状态，因此一次可以处理多种不同的情况，可存储更多的信息，所以量子计算机的运算性能将大大超越传统的集成电路计算机。2012年3月1日，IBM研究院的科学家宣布：他们采用硅细微加工技术制造的3D超导量子比特（量子计算机携带信息的基本单位），实现了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性的完整，这将使量子计算机的性能在2009年基础上提高10倍，距离科学界确定的真正意义的量子计算机满足的最低性能要求已非常接近，量子计算机投入使用已为期不远。
（4）新技术革命
