第一章 能量与人口

能量是个恼人的抽象概念。这个词源出于一个显然是由亚里士多德创造出来，用以表示运动或工作的术语。现代物理学家也只是比可敬的古希腊人前进了一小步而已。他们相信能量存在于宇宙的有限量之中，只是以若干不同的形式存在。能量不生不灭，但它能够从一种形式转化为另一种。例如，当你吃掉一个苹果以后，你就将化学能（苹果）转换为身体的热量，转换成肌肉运动，还转换成了其他形式的化学能（你的骨骼和组织）。

地球上充满了能量。它们几乎全部来自太阳。根据人类的用途，能量的主要形式有热能、光能、动能和化学能。太阳的有效负荷主要以热和光的形式产生。其中1/3被立即反射回太空，但是其中的大部分会暂时逗留一会儿，温暖着大地、海洋和空气。少量的光被植物吸收并通过光合作用转换成了化学能。

每一种能量转化都会导致有效能量发生某种损失。通常植物所能设法捕捉的能量还不到太阳传递能量的百分之一。其余的能量都消散了，主要以热的形式。但是植物所吸收的能量已经足以供生物生长了，海洋中每年的生物量约有1100亿吨，陆地上每年的生物量约有1200亿吨。动物吃掉其中的一小部分，将其转化为身体的温度、动作和新的组织。而且，新产生的动物组织中的一小部分还要被食肉动物吃掉。在任何一个营养级，被成功收获的有效能远远低于1/10。因此，输入能量的很大一部分被白白浪费了。不过，太阳是如此慷慨，从而仍有充足的能量在四处流动。

直到可以利用火，我们的祖先才在这能量和生命之网中占有一席之地，只是并不能改变它。他们所能找到并吃掉的食物是可供他们使用的唯一的能源。或许在150多万年以前，我们的人类祖先一旦可以运用火的力量，就能够获得更多的能量，其中既有原本难以消化但如今通过烹制成为可食用的那类食物的形式，也有热量的形式。火也有助于使他们在寻找和猎取食物的时候更加高效，强化他们以肉的形式对化学能的使用。大约在1万年前，农业兴起之前，这种低能耗的经济基本原封不动，只有一些适度的改变。

通过种庄稼和养牲畜，古代的农人可以获取的能量比起他们的祖先所能得到的能量要多得多。粮食作物是禾本科植物的种子，诸如稻米、小麦或玉米，因此它们富含能量（和蛋白质）。所以，就一定面积的土地而言，经过耕种比未经耕种的土地可为人们的身体提供更加富余的可用能量，可能有十倍到百倍之多。驯化了的大型动物尽管需要大量的饲料，也能将干草原、稀树草原、沼泽地上的原本近乎无用的植物转化为可用能量，在拉犁（公牛、水牛）或运输（马、骆驼）的时候提供帮助。农耕尽管从未遍布世界，但还是渐渐地普及开来。

水磨和风车最终又增添了一小部分可供人类使用的总能量。水磨的出现或许距今已有2000年之久，风车的出现或许距今也有1000年了。在那些水流充沛可靠或风力相当稳定的合适地点，这些装置能够完成好几个人的工作量。但是在大多数地方，风力和流水不是太稀缺就是太没规律。因此，能源体制仍然是有机的，它依靠人类和动物的肌肉来提供机械动力，并且依靠木材和其他生物来提供热量。有机的能源体制一直延续到18世纪。

随后，在18世纪后期的英国，对煤的利用打破了有机能源体制的束缚。借助化石燃料，人类得以获得凝固的阳光——或许相当于此前5亿年的光合作用。开采这种来自遥远过去的天赐之物，初期为此付出的努力是低效的。早期的蒸汽机将化学能转化为热能，接着转化为动能，浪费了供给它们的99%的能量。但是，截至20世纪50年代，逐步的改良使得机器浪费的能量远远低于光合作用或是吃肉所浪费的能量。在这种意义上，文化使自然得以改进。

近几十年来，能源消费的巨大扩张超乎人们的想象。截至1870年左右，我们每年使用的化石燃料能源超过了每年全球所有的光合作用产生的能量之和。从1920年起，我们人类使用的能量或许就已超过了以前所有人类历史时期使用的能量。在1950年以前的半个世纪中，全球能源消费增加了一倍还多一些。在接下来的半个世纪里，全球能源消费是1950年的5倍。20世纪70年代的能源危机——1973年和1979年的两次石油价格大幅上涨——减缓却并未阻止化石阳光用量的这种飞快的攀升。自从1950年起，我们已经燃烧了相当于大约5000万~1.5亿年的化石阳光了。

化石燃料能源体制包括数个阶段。到1890年左右，煤炭超过生物量成为世界最主要的燃料。煤炭作为能源之王占据统治地位约75年之久，到了1965年左右才让位于石油。近来，天然气的重要性在上升，因此2013年的世界能源结构呈表1中的分布。

这些数据不包括生物量，因为相关数据并不完善。但是最接近的推算是，它或许占总数的15%，化石燃料约占75%，而水电及核能共同占约10%。至今，石油作为能源之王的统治地位已持续了55年，这将很可能被证明和煤的统治时期一样短暂，但是仍有待观察。自从1860年左右商业生产开始，我们已经用掉了大约1万亿桶石油，并且我们现在每年还要用掉大约320亿桶。

表1 全球商业能源结构，2013

数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 2014年6月。

全球总量掩盖了世界各地能源消费的巨大差异。21世纪初，北美洲人均消耗量约为莫桑比克人均消耗量的70倍。在表2中，1965年以来的数据充分证明了中国和印度的增长，而且充分反映了世界财富分配状况。

1960年，欧洲和北美洲以外的世界大部分地区仍然仅使用很少的能源。能源密集型的生活方式可能波及了全世界1/5的人口。但在20世纪后期，1880年左右就已准备就绪的那种模式迅速发生了变化。1965年以后的50年间，中国的能源消费量增长了16倍，印度增长了11倍，埃及增长了10倍或11倍。与此同时，美国的能源消费量上升了约40%。1965年，美国能源消耗量占世界能源消耗量的1/3，但在2009年，这一比值仅为1/5；1965年，中国仅占5%，但在2009年却占20%，且中国在2010年超过美国成为世界上最大的能源消费国。

总而言之，近代史上迅速增长的能源利用率使得我们的世界大相径庭于人类历史上任何一个时代。1850年后大约一个世纪里能源的大量使用都局限于欧洲、北美洲和日本，尽管日本在程度上略逊一筹。这些区域之所以在国际体系中享有政治和经济优势，这一事实成为蕴含在背后的最重要的原因。从1965年起，能源消费总量以略微减缓的速率持续攀升，但是，绝大多数的增加都发生在欧洲和美洲之外，主要发生在东亚。

表2 年均能源消耗量，1965-2013（以百万吨石油计算）

数据来源：BP Statistical Review of World Energy, 2010年6月、2012年6月、2014年。

注：总量仅指商品能源，而非生物量，后者可能会增加10%~15%。