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今书网 -> 其他类型 -> 猫头鹰的万花筒 第116夜 能源就是一切
- 一切都是能源。
全球各地，我们都在大量使用能源，大约每年150万亿千瓦时。这只是诸多天文数字中的一个，就像美国的年度预算一样，我们大多数人很难理解其量级和意义，当我们听到它时，只会两眼放光。
1959—1969年担任参议院共和党领袖的埃弗里特·德克森（Everett Dirksen）在谈到美国的预算时，据称曾说过这样的话：“这里10亿，那里10亿，很快你就会真正谈到钱。”
他说这句话时，美国的预算只有目前3.5万亿美元的1/30——相当于美国的每个男人、每个女人和每名儿童都有1万美元（美国人口约3.30亿 【截至2019年1月】 ），这能够帮助我们更好地了解其规模。
为了让大家能够同样了解全球能源消费规模意味着什么，并把这一庞大的量级转换成某种容易让人理解的概念，以下列举的这些对比或许会有所帮助。
我在开篇章节中便已指出，为了保持身体运转，人们每天需要2 000卡路里的能量，这差不多相当于代谢率为100瓦特，一只灯泡的能量。
与其他任何人造的事物相比，人类自身对于能量的利用都是十分高效的。
例如，洗碗机每秒钟的能耗是人们手工洗碗的10倍，而用汽车使人移动的能耗则是人们自己步行的1 000多倍。
如果把现代生活必不可少的地球上所有机械、手工制品、基础设施的能耗相加，将是自然能耗的30倍。
换句话说，我们用于维持生活标准的能量处理率数十万年来一直维持在几百瓦特，直至大约1万年前我们开始组成集体城市社区。
这标志着人类世的开端，我们的代谢率开始稳步增长至今天3 000多瓦特的水平。
但这只是全球的平均值。发达国家的能量利用率要高得多。在美国，代谢率几乎是平均水平的4倍，达到1.1万瓦特，这比自然生物的代谢率要高出100多倍。
这一数值并不比**的代谢率小多少，而**的体重是我们的1 000多倍。如果把人类想象成使用了30倍于自身体重所应消耗能量的动物，地球上人口的总能耗值就会远远超过73亿人口实际的总能耗值。
从某种意义上说，我们在进行日常活动时相当于把人口放大了至少30倍，相当于全球人口总量超过2 000亿。
如果最乐观的思想家是正确的，全球人口将于21世纪末达到100亿，所有人的生活标准将与美国相当，由此一来，有效人口将超过1万亿。
这不仅让人们感受到了人类使用能量的规模，而且还表明，与“自
然世界”的其他物种相比，我们人类的生态失衡已经达到了何种地步。
同样重要的是，能耗的大幅度增长是在按照进化标准而言非常短的时间内发生的，因此，任何系统的调整或对其影响的适应都无法实现。
例如，有人曾预计，当我们还是自然世界不可或缺的一部分时，那时的代谢率只有几百瓦特，而且农业尚未发明，当时的全球总人口仅约为1000万。
而现在，在很短的时间内，有效人口规模便增长了2万倍，这导致自然界的进化平衡遭到破坏，而且可能带来灾难性的生态和环境后果。
这很不乐观，但如果我们注意到人类使用能源时不可避免的低效率以及由此产生的熵、污染、低热和环境破坏的话，情况就更加不乐观了。
在目前全球每年的总能耗（几乎是1980年的两倍）中，有大约1/3被浪费了。
例如，汽油中只有大约20%的能量被用于推动汽车前进。创新的重要作用之一，便是通过改进现有的科技、发明新的科技或者找到新的方式组织科技的应用，以减少这一低效率。
我们发现，公众和企业越来越意识到能耗、浪费和低效带来的挑战，政府推出的项目和税务政策也鼓励思考并解决这些问题的新方式。毫无疑问，人们已经取得了显著的进展，而且还将继续取得进展，但问题在于，这是否足够？
即使存在政府干预、刺激和监管，适应开放式增长的自由市场体系也能在赚取大量利润和解决可持续性问题之间找到稳定的平衡。毕竟，企业的主要功能并不是提高效率，而是赚取利润。
地球上的生命在不断进化，通过将太阳能转化为生物代谢能量为生命组织提供能量。
这个令人惊叹的过程在过去20多亿年间一直很成功，我们可以很有信心地说，它是可持续的，尽管源自自然选择的、能够代表新的创新生命形式的主角不断发生改变。
生命可持续的一个重要因素是能量来源，即太阳，是外在的、可依赖的、相对永恒的。
太阳每天都会照耀大地，其输出的任何变化都会发生在足够长的时间段内，足以让生物适应改变。
随着火的发明，这一持续进行的、不断进化的、准稳定的状态开始缓慢地发生变化。
燃烧是释放木头中储存的太阳能的化学过程。再加上农业的发明，向人类世的转变开始进行，我们从纯粹的生物体发展为目前的城市化社会经济生物，不再与自然世界保持内在均衡。
在近30亿年的可持续状态中发生巨大的、革命性的变化只是过去这200年的事情，我们的发明以及对煤炭和石油中储存的太阳能的利用宣告了“城市世”的到来。
化石燃料直到现在依然被看作像太阳一样的无限能量，而正是这种能量引发了工业革命。
从科学角度而言，工业革命的真正革命性特点是从开放系统到封闭系统的巨大转变，前者主要由太阳在外部提供能量，而后者则是由化石燃料在内部提供能量。
这是一个根本性的系统改变，带来了重要的热力学结果，因为在一个封闭的系统内，热力学第二定律所要求的熵的持续增长严格适用。
我们实现了从一个外部的、可靠的、可持续的能量来源向一个内部的、不可靠的、变化无常的能量来源的“升级”。
此外，由于我们目前主要的能量来源成为它所支撑的体系的不可或缺的一部分，能量的供应便受到了持续变化的内部市场力量的限制。
依靠化石燃料提供的能量，我们这200年来的社会经济成就在短时间内便超过了由太阳直接提供能量的自然选择的生物作用。
然而，将化石能量的妖魔从瓶中释放出来，可能会让人类付出沉重的代价，我们要么学会适应，要么就把它收回瓶中。
热力学第二定律带来的一个后果便是，地下化石燃料所蕴藏的能量释放到地球表面导致大气变暖。
燃烧这些燃料所产生的熵副产品——二氧化碳和甲烷等气体则进一步加剧了大气变暖的趋势，并导致了众所周知的温室效应，即热量被困在大气中。
我不会详细讨论物理和化学进程的速度如何随温度变化，而是会再次重申，它们的规模会按照指数级变化，而非幂律。
由此一来，控制天气和地球动植物历史的进程便会因为它们所处温度的微小变化而产生指数级变化。
我想要提醒的是，平均气温上升2℃，这些进程的速度便会加快20%。
由此可见，环境温度在我们尚不足以完全适应的较短时间内的微小变化都会带来巨大的生态和气候影响。
有些影响或许是积极的，但许多都将是灾难性的。然而，无论这些影响有什么迹象，巨大的改变都已经离我们很近了，我们亟须了解它们的来源和后果，并找到适应和缓解的策略。
重要的问题不是这些影响是否源自人类活动——因为这几乎是肯定的——而是这些影响可以在何种程度上被最小化，同时又不会导致我们所处物理环境和经济环境的迅速变化，并由此使得全球社会经济结构陷入崩溃。
因此，包括政治领袖和企业领袖在内的普通大众不认同科学家、环境学家和其他专家的警告，这让我感到非常不解，他们的不作为也让我感到困难重重。
的确，我们都应该高兴地宣扬自由市场体系的巨大成功和成果以及人类独创性和创新的重要性，但同时我们也应该意识到能源和熵的重要角色，并一同采取战略性举措，找出针对它们所导致的有害后果的全球性解决方案。
尽管能源在将我们带到目前的历史阶段，尤其在促进现代人类社会的社会经济发展时扮演了显而易见的中心角色，但你很难在任何经典经济学教科书上找到一两句有关能源的话。
值得注意的是，能源和熵、新陈代谢、承载能力等概念并没有跻身主流经济学界。
过去200年间，经济、市场和人口的持续增长，以及生活水平的同步提升，被视作经典经济学理论的成功证据，并被当作否认新马尔萨斯主义观点的论据。
没有人认为我们需要认真思考能源作为经济成功或人口增长的基础性驱动力所发挥的作用，更不用说考虑作为增长不可避免的后果的熵了。
同样，没有人能认真对待资源有限这种可能性，更不用说那些可能使人们质疑开放式增长的物理限制了。
直到现在局面仍然如此。从概念上说，由于人类的创新和智慧扮演着近乎魔法一般的角色，这些问题似乎就都迎刃而解了。
而且我们还假设通过引入一些自由市场的刺激，这些因素会始终扮演类似角色，使整个世界完好地运行下去。
就像用神秘暗物质的概念解释物理空间为何会持续指数级增长一样，创新思想的无限供给也被用来解释社会经济空间为何会持续扩大，并在这一过程中克服重重障碍。
此外，似乎还有一个未曾言说的假设，即观念、创新种子不会有任何成本。毕竟它们只是人类大脑中的神经进程，我们可以在自己的脑袋中生产出接近于无限的创新观念。
但同其他事物一样，观念和创新都需要能量，而且是很多能量，用以支持聪明的个体将他们的思考和经验提供给大学、实验室、议会、咖啡馆、音乐厅、会议室等。
能量使用最核心的部分体现在城市和城市生活上。著名人类学家玛格丽特·米德（Margaret Mead）表示：“城市作为中心，在一年中的任何时刻都有可能诞生新的人才、敏捷的思维或天才的专业技能——这对于一国的生存而言至关重要。”
的确，城市已经成为我们为了提升和促进社会互动从而刺激观念的创造而进行发明创新的驱动器。
聪明、有野心的人都被吸引到城市，我们的新观念在城市孕育，企业家精神在这里繁荣生长，财富在这里被创造。支撑这一切的成本是很高昂的，因此将观念与能量的联系切断是天真的做法，它们彼此不可或缺。
在数万亿个观念、思想、猜测和新机器、新产品、新理论的提案中，只有极少数会存在重大意义。
几乎所有都会半途而废，即使它们都为新的、有创造性的现象的出现和繁荣发展贡献了必要的背景噪声和世界观。所有这些都需要大量能量，无中不能生有。
一种可能的可持续性科学需要理解的是，全球动力学是一个复杂的进化适应系统，它由众多相互联系、相互作用的子系统构成，而这些子系统本身又是复杂适应系统，所有这些系统都在能量、资源和信息的限制下共同进化。
我们需要理解创新、技术进步、城市化、金融市场、社交网络和人口动力学如何相互连接，它们彼此之间不断进化的相互关系如何带来增长和社会改变，同时作为人类自身努力的证明，它们如何融入一个整体的互动系统框架，以及这一动态的进化体系是否最终可持续。
太阳传送到地球上的能源总量大约为每年1018千瓦时，而我们所有人每年的需求只有不到150万亿即1.5×1014千瓦时。
因此，在地球从太阳接收到的能源中，我们使用的能源只占原则上能够使用的能源的0.015%。
换句话说，太阳每小时向地球输送的能源超过整个世界1年的用量。
太阳能的规模很大，每年的总能量是地球上的煤炭、石油、天然气和核能等不可替代能源总量的两倍。
因此，从这个角度来说，不存在能源问题，至少原则上如此。
由此，保证全球能源可持续性的长期战略便十分明确了：我们需要回到生物范式上来，大多数能源需求由太阳直接供给，于是我们要做的就是保持并扩大目前所能获得的太阳能总量。
我们亟须开发能够让我们从太阳能中获得负担得起的大量能源的技术，它们主要来自太阳的直接辐射，同时也间接地来自风、潮汐等自然界中的波动。
对于我们声称的独创性和创新能力而言，这将是巨大的挑战，也是有魅力的政治和企业领导人基于企业家精神、自由市场机制和政府激励措施找到全球能源可持续发展未来的重要机会。
对于拥有蒸汽机、电话、笔记本电脑、互联网、量子力学、相对论等伟大发明的我们而言，这应该是小菜一碟。
然而，21世纪的一个更加诡异的现象，便是那些最积极发声宣扬创新和自由市场经济是可持续发展引擎的人似乎不愿意承认以上谈到的挑战的紧迫性，也不愿意支持近乎无限的太阳能的开发和利用。
开发太阳能的基础科技事实上已经为人们熟知超过100年的时间，然而直至最近该技术依然缺乏进步实在令人感到惊讶。
1897年，美国工程师弗兰克·舒曼（Frank Shuman）制造了一个利用太阳能的设备，它可以为一台小的蒸汽机提供动力。舒曼的发明最终在1912年获得专利。
1913年，他又在埃及建立了全球首个太阳能热能发电厂。这座发电厂只产生了大约50千瓦的电能，却能在一分钟之内将5 000多加仑的水从尼罗河中抽到邻近的棉花田中。
舒曼热衷于推广太阳能。《纽约时报》于1916年引用他的话说：我们已经证明了太阳能的商业价值，尤其是证明了，在我们的石油和煤炭储藏耗尽之后，人类可以从太阳能的射线中获得无尽的能量。
由于他说这段话时距今很久，我们看到了舒曼令人惊讶的先见之明，即便他的预言到现在依然未曾实现。
20世纪30年代廉价石油的发现和开发对太阳能领域的进展不利，舒曼的预想和基础设计基本上被我们抛诸脑后，直至20世纪70年代出现第一次能源危机。
然而，光伏电池等技术的发明使得舒曼的梦想成为可能的现实，与传统化石燃料能源相比，可替代能源的价格开始变得具有竞争力，这令人备受鼓舞。
化石燃料和太阳能的另外一个根本区别在于，它们产生能量的根本物理机制不同。
燃烧化石燃料的过程使储存在化学键中的能量被释放出来，这种能量使煤炭、石油或天然气的原子和分子相结合。所有的分子，无论是人的身体、大脑、房屋还是计算机的结构单元，都因为电磁的力量而紧密结合在一起，而且这种能量的数量级都是在eV的范围内，这也是传统上用来衡量能量的单位。
1eV的能量是极其微小的，相当于3×10–26千瓦时。因此，按照这些原子级别的单位来计算，我们每年消耗的能量约为5×1039eV。你也可以认为，我们每年要分解这么多的分子以满足我们的能量需求。
另一方面，主要由氢和氦构成的太阳能主要源于存储在使原子核相互结合的化学键中的核能。
当氢核熔合成氦核时，能量便以辐射的方式释放出来，这被称作核聚变。它是太阳发光，以光和热的形式为我们提供能源并使得地球万物生长的根本物理机制。
太阳依然是地球上所有生命的唯一能量来源，但这并不包括过去几千年中的人类，因为我们发现了储存在化石燃料中的能量。
核能的规模是燃烧化石燃料所释放的化学电磁能的100万倍，核反应过程涉及的能量是数百万电伏级的，而不是像分子化学反应所产生的普通电伏级的能量。
这使得开发利用核能变得极具吸引力。同样数量的物质能够从原子核产生100万倍于从分子中产生的能量。
因此，与其每年用500加仑汽油来驱动你的汽车，还不如使用区区几克核燃料，其大小相当于一片药片。
不幸的是，利用核聚变产生在经济上具有竞争力的能量被证明是极其困难的，而且在技术上极具挑战性，尽管国际上有许多人正在努力让它变得可行。
相反，通过核裂变却成功地发展出了核能，当重核被分解为较轻的产物时，能量被释放出来，这个过程类似于传统的从化石燃料中产生化学能量。
目前，全球大约有10%的电力通过核裂变产生，法国在此领域居于领先地位，其国内80%的电力都来自核反应堆。
与传统的化石燃料发电厂相比，核反应堆产生的能量处在整个全球体系之内，并因此面临熵产生以及有害副产品等相关问题。尽管核能同太阳能一样，并不是温室气体的主要来源，因此也不是气候变化的推动者，但它的副产品会非常有害，因为它们的能量数量级更高（百万电伏级）。
因此，核反应过程产生的辐射会对分子产生极端危害，也会极大地破坏生命组织，造成严重的健康问题，癌症就是其中最为人熟知的。
在很大程度上，我们的大气保护我们免受来自太阳的类似辐射，但对于地球上的反应堆来说，这便是一个巨大的挑战。此外，核反应过程产生的废物会在数千年时间内依然具有辐射性，所以这种力量还存在安全、可靠的存储和废弃物处置的问题。
尽管人们已经付出了很大的努力确保核反应堆的安全性，依然有足够多的事故导致我们无法利用它们替代化石燃料，即便直接伤亡数字很小。
2011年发生的日本福岛核电站事故使得当前和未来全世界核能的利用急剧减少。尽管化石燃料已经造成了数十万人死亡，并引发了大量的健康问题，但依然有许多人认为，与核反应堆的潜在风险相比，它们更可取。
有关能量产生和利用所带来的熵后果的长期安全和量化评估问题依然是一个极端复杂、充满争议的社会、政治、心理和科学问题。有多少人的死亡是由生产能量直接引起的？有多少是非直接影响？什么样的健康问题被认为是危险的，它们的长期后果是什么？我们如何比较不同的技术？我们应该采用什么指标？
让我们来看看以下的对比。人们居然能够容忍因持续的、频繁的“非自然的、人为的”进程所引发的死亡和破坏，却无法容忍作为偶然事件突然发生的死亡，即使数量非常少。
例如，全球每年都有超过125万人死于交通事故，这相当于死于肺癌的人数。
尽管如此，对于死于癌症的恐惧和担心要远远大于对在交通事故中丧生的担忧，从我们为解决这些问题而投入的资源便可见一斑。
非常有趣的是，我们会将这些数字与直接死于核事故的人数做对比。即使把所有核电站发生的所有核事故中的死亡人数加在一起，依然不超过100人，而且他们中的大多数死于1986年的切尔诺贝利核电站事故，福岛核电站事故中无人丧生。
另一方面，数万人或许因为暴露在这些事故所造成的辐射中而感染癌症并死亡，或过早死亡，尤其是切尔诺贝利核电站事故。
而每年预计有5 000万人因交通事故而受伤或残疾，这应该能够与核能利用带来的伤亡“平衡”。
因此，人们犹豫不决。我们试图在苹果和橘子之间进行对比，寻找合适的指标来帮助我们做出这些艰难的决定和比较，努力确立全球能量的优先构成方案，而这将决定社会在未来数十年内如何进化。
使我们更难做出决定的是难以预估的社会心理因素，例如对于汽车的普遍喜爱，以及难以与对于核弹的普遍恐惧相区分的对于重大核事故的普遍恐惧。
我不想对可选能源进行严格的优劣区分，而是想给出几个有关量化数据的简单例子，以便我们在讨论这些事宜时能更好地思考。
我们需要定量化，并发展出解决这些挑战的根本科学，以帮助人们做出理智的政治决策。
无论人们是否相信以人类的创新能力足以解决核能问题，或者发展出足以满足100亿人口能源需求的可靠且经济的太阳能技术，或者减少碳排放量，我们依然需要面临熵产生的长期问题。
除了许多其他的问题，与传统的化石燃料一样，核选项也将让我们陷入封闭系统范式，而太阳能选项则有可能使我们回归真正可持续的开放系统范式。