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能量如何推动文明的进程?

施枷 腾云 2022-05-15


能量是唯一的通用货币。要想达成任何目标,能量都必不可少。


大到改变板块构造的力量,小到微小雨滴的累积侵蚀,能量无处不在。本书作者瓦茨拉夫•斯米尔对人类社会的发展与能量的利用之间关系的重要历史作了全面解读,范围上至远古采集社会,近至当今的以化石能源为基础的工业文明。




文 | 施  枷
腾云特约作者


几年前,“正能量”突然成为使用频率极高的新词;到如今,这一词语已经被用滥。


“能量”是一个物理学名词,1965诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼在其《物理学讲义》一书认为:“在现今的物理学中,我们对能量是什么一无所知。认识到这一点很重要。我们不知道能量到底是不是以一定数量的团状形式出现的。


或许是受到费曼的影响,科学家、历史学家,加拿大曼尼托巴大学杰出荣休教授瓦茨拉夫·斯米尔在其近50万字的新著《能量与文明》一书中,并没有将能量精确定义,只是含糊其辞地说,“所有物质都是处于静止状态的能量”,各种能量可以通过多种转化联系起来,许多能量转化普遍且无处不在、不间断,而另一些则高度局部化、罕见而短暂。



能量与文明

作者从人类发展进程对能量的依赖谈起,诠释了能量利用对人类文明的作用,提出了一方面需要提高能量的利用效率、合理地利用能量,另一方面是要改善能量的来源,从两个方面推动人类文明的进步。


按照《现代汉语词典》的定义,“能量”是“表示物体做功能力大小的物理量,可分为动能、势能、热能、电能、光能、化学能、核能等。一种能量形式可以转换为另一种能量形式。”这一定义基本和《能量与文明》一书的描述吻合。


无论如何,能量转换对人类极其重要。并非科学家的乔治·奥威尔参观过地下煤矿,他在1937年的《通往威根码头之路》中如是写到:“我们赖以生存的机器,以及用于制造机器的机器,都直接或间接地依赖煤炭。在西方世界的新陈代谢中,煤矿工人的重要性仅次于犁地的农夫。在某种程度上,煤矿工人们就像是女像柱,肩上扛起了脏兮兮的煤,却支撑着这个光鲜的世界。”人类学家莱利·怀特不无夸大地写到:“在其他条件相同的情况下,文化发展的程度与每人每年平均获取和投入使用的能量直接相关。


中国有一句俗话,“万物生长靠太阳”,《能量与文明》对此做了科学性的解释:太阳由聚变提供能量,这一热核反应的产物通过电磁能(太阳能、辐射能)的形式到达地球,其通量涵盖的波长范围广泛,包括可见光。


这一能量流动大约30%被云层和地表反射大约20%被大气层和云层吸收其余(大约占总量的一半)被海洋和大陆吸收,转化成热能辐射到太空。真正到达地球的辐射能只有不到0.05%通过光合作用被转化成植物体内新的化学能储存为更高阶生物提供不可替代的基础



不难看出人类不仅生活在一个能量持续转换的世界里而且一直参与各种能量转换通过工具制造人类可以更方便地获取食物制造衣物和住所,人类还借助新工具驯养动物,制造复杂的用体力驱动的器械,将风和水的动能一小部分转化成可用动力——这使得人类可以掌握和实用的动力成倍增加。而炉具中的可控燃烧,将植物能转化成了热能,人们广泛用于家庭日用,冶炼金属、烧制砖块并加工产品。


01

在人类历史中漫长的史前时代和农业社会,能量始终困扰着人类


大约19万年前智人通过简单而直接的采集来维持生存大约一万年前人类才开始定居驯化植物和动物而人类选择直立行走所耗费的能量也优于爬行:人类直立行走消耗的能量比黑猩猩使用四足和两足行走消耗的能量少75%。显然没有直立行走人类在使用和制造工具的过程中就不能躯干为杠杆加速手的运动此外,直立行走还促进了人的发声系统,并促进了大脑的能量消耗,使得人类的脑体积在进化过程中逐渐增大。


旧石器时代晚期人类已经普遍用火来烹饪食物在巴布亚新几内亚的热带雨林里采集和狩猎的能量成本很高,采集者在狩猎过程中消耗的能量,有时会达到获取食物能量的四倍。人们更喜欢捕杀大一些的动物,以获得更多的能量回报。例如,野猪(90公斤),鹿和羚羊(25-500公斤)等等。因为早期人类身体素质并不优越且武器有限,他们很可能捡拾狮子、豹子等大型肉食动物没有吃完的动物尸体。


由于人类可以直立行走,以及比其他哺乳动物更强的出汗能力,因此可以将速度最快的食草动物追逐到筋疲力尽。因此,狩猎在人类进化中具有非同寻常的意义。狩猎团队用围栏或陷阱捕获动物,或者制造驱逐道,将动物赶下悬崖。


在采集方面,某些野生植物的根部能够提供10-20倍的能量回报或许是人口增长和环境压力的因素导致了人类从采集向长期种植过渡距今5000-10000年前至少在三大洲的七个地方各自发展出种植而这一举措确保了粮食供应,可以让更多人一起生活,容易形成更大的家庭,积累物质财富,组织防御和进攻。


在人类早期驯化的植物中中东的二粒小麦一粒小麦和大麦第一次驯化最早距今大约10000-11500中国小米距今约10000水稻距今约7000墨西哥南瓜距今约10000玉米距今约9000安第斯马铃薯距今约7000人类最早驯养动物大约在9000-10500年之前开始是山羊和绵羊之后是牛和猪


早期的农业往往是游耕人们以1-3年的耕作10年或更长的休耕期互相交替游耕获取的能量回报差异很大一般而言小颗粒作物净回报大多为11-15块茎作物香蕉和玉米净回报大多为20-40在动物驯养方面人类只需要很少的能量成本即可将草转化成牛奶和肉一个牧民可以管理上百头牛羊或骆驼因此很多牧民不愿意当定居的农民



02

进入传统农业社会之后谷物的产量很高,其中易消化的碳水合物、蛋白质含量很高,风干后可以长期贮存。尽管各地栽培的作物差异很大,但传统农业的能量基础大致相同。太阳辐射的光合作用提供能量,人类获得食物,为动物提供饲料,为土壤提供循环废弃物以补充肥力,用燃料熔炼制作简单的金属农具。


同时农业的集约化趋势越来越强,人类必须为自己的生活和耕作消耗更多的能量。例如打井、修建灌溉渠和道路,储存粮食、平整土地等等。而这些改进又需要更多能量来制造各种由家畜、水和风提供动力的工具和简单机器。


这一能量循环大大促进了社会和经济的一体化集约农业使人类获得了更多食物和饲料这促使人类制定更加长远的计划做长期的打算和投资并改进劳动力组织发明和制造更多的工具镰刀和连枷出现很早且快速传播其后上千年基本不变铁犁和条播机很长一段时间仅仅在发源地使用,但传播开之后就迅速得到改善。


苏美尔的楔形文字和埃及的象形文字都有代表犁的字体,公元前4000年以后美索不达米亚人最早使用的是刮犁这种犁是带柄的尖木棒希腊罗马使用的犁加上了金属尖端后来,人们在犁上增加了犁铧,让犁过的土壤翻到一边。在公元前1世纪之前,汉人就开始使用安装金属犁铧的犁。


在传统农业社会近东的小麦东南亚的水稻中美洲的玉米中国的小米等等作物都从原产地扩散到世界各地这些基本谷物既能适应进化也能满足人类的能量需求因此谷物在传统饮食中占主要地位而谷物生产的能量平衡也成为农业生产力的核心指标


为了生存和繁衍后代,人类想出了很多办法贮存粮食。高海拔的安第斯人将新鲜土豆变成干土豆,克丘亚人和艾玛拉人通过冷冻、踩踏和干燥等交替过程,让新鲜块茎可以储存几个月甚至几年。人们将蛋白质含量很高的豆类如豌豆、菜豆、扁豆、大豆晒干或风干,长期保存。在中国,大豆、菜豆、豌豆、花生与北方的小米和南方的大米互相补充,成为人们的主要食物。



人类驯化了牛和马,提供了更大的动力来耕田或劳作。按照本书作者估计,在中国传统农业中,养殖牲畜所需饲料占用的土地面积,只相当于每年收获面积的5%,但牲畜的有用劳动却给人带来了丰厚回报:一名普通男性峰值能量输出可达150但不能保持80瓦的稳定能量输出一匹马可以在500瓦以上稳定工作并可达到1000瓦以上的峰值功率这需要12个人的体力消耗


03

前工业社会的绝大多数人只能终身务农依靠自身肌肉和一些役畜的力量和简单工具不固定地产出一些食物盈余支撑城市社会的发展借此,人类建造了金字塔等宏大建筑蒸汽机被发明之前传统社会仅能依靠生物动力和转换水风的动能设备(帆和磨坊)为原动力。直到19世纪上半叶水车和风车仍然很重要


对此,《能量与文明》的叙述只是概而言之。上世纪80年代分田到户初期我所在的湖北云梦农村一些家庭没有牛(包括我家),使用的是最原始的人力,挖地种麦。而村里的铁匠一家让三个成年的儿子用人力拉犁。


20世纪中期以前生物能量是大多数人最重要的原动力这无法为大多数居民提供可靠的食物供应和物质财富。为了增加有用的生物能量传递,人们使用机械装置改变和增强肌肉力量。例如,轮轴、杠杆、滑轮组、楔子(斜面)和涡杆。


除了古代的帆船人类利用水能比利用风能更早在欧洲,人们利用流水的冲击驱动卧式水车的轮子带动上方的磨石旋转这提高了人们碾磨谷物的效率到公元1世纪,水力的使用已经十分普遍。在中世纪的英格兰,90%的水力应用都是用来碾磨谷物其余的水力能量大部分用在了羊毛加工上只有1%用于其他工业活动。



到中世纪晚期,水力能量被广泛使用于磨碎和冶炼矿石、石头和木材加工、榨油、造纸等作业中。19世纪上半叶水轮机开始逐步代替了水车1875美国马萨诸塞州的水轮机提供的能量占到水力总装机容量的80% 


在欧洲将风力转换为动能的记载可以追溯到12世纪的风车东欧部分地区的高杆风车一直运行到20世纪在荷兰,风车除了在广泛的作业中运用,最大的贡献是为低洼田地排水,并将堤围泽地开垦为农田。1849美国的风车装机容量为320兆瓦1919年达到峰值625兆瓦



生物质燃料几乎被所有的传统社会用来发光发热木本植物及其产生的木炭物残渣和干燥的粪便为家庭烹饪取暖照明灯提供能量其后这些燃料被用来烧制砖块和陶瓷制造玻璃以及金属熔炼和成型等等但是,古代中国是唯一值得注意的例外,北方人用煤炭炼铁,四川人燃烧天然气,蒸发盐水炼盐。


在冶金方面公元前4000年之前的早期美索不达米亚公元前3200年之前的埃及公元前2500年之前印度河流域的摩亨佐-达罗文化和公元前1500年之后的古代中国都留下了许多铜制品如戒指凿子斧头小刀长矛等等虽然美索不达米亚在公元前三千纪的前半段就生产了一些小铁器到直到公元前1400年后铁的用途才变得广泛到公元前1000年之后铁器数量才丰富埃及的铁器时代开始于公元前7世纪,而中国的铁器时代开始于公元前6世纪。早在汉代,中国人就用脱碳炼钢法通过氧化作用去除铸铁中的碳。


在火药发明之前人类在战争中主要凭借人和动物的肌肉力量作为原动力中国的炼金术士和冶金师经过长期实践发明了火药主要是把硝酸钾硫磺和木炭混合在一起10世纪的中国发明了火枪,13世纪的中国人发明了火炮欧洲在这方面落后了几十年


04

化石燃料的广泛使用,与现代社会密切相连。


正如瓦茨拉夫·斯米尔在《能量与文明》所揭示的那样,一切地球文明社会都是依赖太阳辐射的太阳能社会。太阳辐射为人类提供了必须的食物、动物饲料和木材,风和水的流动也是因为太阳辐射:地球表面受热不均迅速产生大气压力梯度,蒸发和蒸散作用持续推动全球的水循环。


而化石燃料同样属于对太阳能转化败亡的植物缓慢转化成泥炭和煤碳氢化合物经过海洋和湖泊中单细泡浮游植物浮游动物和一些藻类无脊椎动物和鱼类转变而来。


汉代中国人用煤来炼铁,欧洲的采煤始于1113年的比利时。1228年,煤炭首次出口到伦敦,1325年首次从泰恩茅斯地区出口到法国。16-17世纪,英国完成了从以植物为燃料向煤的转变。从1540年到1640年,英国几乎所有的煤田都被开放采掘。到18世纪末,英国煤炭的年开采量达到1000万吨。


1698年和1712年,托马斯·塞维利和托马斯·纽科门先后制造了早期的工业蒸汽机,用于排除矿井的地下水。从1765年到1790年,詹姆斯·瓦特对蒸汽机进行了一系列改良,最重要的创新就是分离式冷凝器。经过瓦特改良后蒸汽机效率大大提高,不仅运用于采煤业,并使之进一步扩张,而且为卷扬机和换气设备提供动力,并且在制造业和运输业中得到运用。瓦特的专利保护期延长到1800年,瓦特和他的合作者博尔顿总共才制造了大约500个蒸汽机,其中40%用于抽水。瓦特制造的蒸汽机平均功率为20千瓦,比同时期的典型水车平平均功率高出5倍,比风车高出3倍。



但是,保守的瓦特不愿使用高压蒸汽。瓦特的专利保护到期之后是激烈的创新期。英国的理查德·特里维西克在1804年推出了高压锅炉,美国的奥利弗·埃文斯次年推出高压锅炉。1827年,雅各布·帕金斯推出单向流设计,1849年,乔治·亨利·科利斯发明调节阀装置。19世纪70年代,法国人对复合机车发动机做了改进……这些基本的发动机类型演变成多种专业引擎。


除了在矿井抽水和驱动绞盘,蒸汽机最显著的用途是在无数工厂驱动皮带,并运用于汽船和蒸汽机车。更大的蒸汽船逐步取代了帆船,穿越北大西洋的客货航线,并且慢慢成为通往亚洲和澳大利亚远洋航线的主力。在陆地,蒸汽机车推动了铁路的发展。到1900年,不断改进的蒸汽机车速度超过每小时100公里。同样是在1900年,英国铁路里程达到了3万公里,俄国铁路达到了5.3万公里,美国铁路达到19万公里。


铁路的扩张,导致19世纪后期的钢铁需求空前增长。此外,钢铁工业本身,新的电气工业,石油与天然气开采和运输业,航运业,制造业,纺织和食品加工业,都推动和加大了钢铁的需求。


蒸汽机成为了推动19世纪工业化的非生物原动力。它在移动情境下的运用,使得陆上和水上运输发生了革命性变化。直到上世纪七八十年代的中国,白烟缭绕、呼啸而过的火车依然在大地上奔驰。


但是,20世纪之后,蒸汽机已经无法胜任最重要的原动机。以汽油为燃料的内燃机和柴油发动机因为更轻便、更强大且经济实惠,在公路运输中被广泛使用——无疑,石油的开采是其中重要的一环。


1858年,第一口油井在加拿大安大略省被手工挖掘,由蒸汽机提供动力的采油热由此兴起。没过多久,两名德国工程师就制造了第一批实用的汽车发动机。经过不断改良,德国制造出了第一辆真正意义上的小汽车。而莱特兄弟则在1903年使用轻型内燃机为动力,成功完成了第一次飞行。莱特兄弟的专利1906年5月才被批准。但是,许多国家的设计者都在设计飞机,这一专利被普遍侵犯。


以自己的多项专利为基础,爱迪生的伦敦公司在霍尔邦高架建设了第一座发电厂,1882年1月12日开始发电。9月4日,纽约珍珠节电站也投入使用,一个月后为纽约金融区1300多个灯泡供电。


西屋公司的年轻工程师威廉·斯坦利1885年发明了变压器,这使得发电厂能够以较低的损耗传输高压交流电,然后以低电压用于家庭和工业。1890年以后,新的电力系统就是基于交流电。尼古拉·特斯拉发明了第一台多相感应电动机,并申请了几十项专利,德国电器公司制造出了第一台三相电机。


一战之后,电力工程从城市向整个国家慢慢发展。二战之后,这一进程加快。由于油价上涨,大部分国家都不再使用燃料油发电。煤炭发电会产生大量的二氧化碳。在全球变暖日趋严重之时,煤的使用前景并不明朗。由于核事故的可怕后果,奥地利、意大利等国拒绝建设核电站,而德国、瑞典等国计划将来彻底关闭核电站。


在化石燃料中,天然气1900年仅占1%,到1950年仅占10%。但是,到2000年,天然气已经占化石燃料的25%。2005年后,美国采用水力压裂法,使之再次成为最大的天然气生产国。


近年来,人类更加注重可再生能源。2010-2015年,全球风力发电增长了大约2.5倍,一些国家的政府用补贴推动光伏发电。在中国,太阳能热水器遍布于城乡屋顶。



05

纵观《能量与文明》一书的描述,人类从文明的产生,到传统农业社会,前工业社会和化石燃料被广泛使用,一直伴随着能量转换和消耗的扩大。其趋势是,人类转换、使用和消耗的能量逐步增大,人类的文明也越来越繁荣。


尽管如此,在本书作者看来,能量可以作为人类历史的主要分析概念,但并非主要的解释因素,不能夸大能量解释历史的能力。


另一方面,以高消耗高发展的模式所带来的后果和危害,已经被人类所认识。更高的能量使用本身只能引起更大的环境负担。如何开发和利用高效、清洁的能源并保护环境,是人类在今后一段时间所要面对的难题。


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