能量

从简单的肌肉机械能到放射性物质释放的能量，能源利用在历史上消长有时。它的变化造成了巨大的经济、社会和政治影响，涉及帝国兴衰和时势变迁。能源利用将继续与人类一起演变，并决定未来发展策略的可行性。

从最基本的物理学角度看，所有的过程——自然或社会的、地质或历史的、渐进或突发的——都是一种能量转换，因此必须符合热力学定律，而这样的转换都增加了宇宙中熵（无序或不确定性的量度）的总量。这一角度使得对能源的占有和掌控及其明智利用成为决定人类事务的关键因素。同样，考虑到各大文明的能源利用量越来越大，我们可以推理出一种线性进步观——历史被简化为一个复杂性不断增加的过程，而它只有通过更多能量的注入才能实现。那些能够控制且能密集和高效地利用大量（或优质）能源的人（与社会及文明），显然将成为能量赢家，而那些低效和转换能量少的人则会从根本上处于劣势。

这种能源决定论，在基本物理学方面可能是一个完美无缺的命题，但在历史上是站不住脚的，它相当于对复杂现实的一种简化（用物理、化学规律来解释复杂的生命科学过程与现象）。能源及其转换并不决定一个社会的追求、精神（独特的品格、情感、德行或主流信仰）、凝聚力、根本的文化成就和长久的恢复力或脆弱性。

尼古拉斯·杰奥尔杰斯库——罗根（Nicholas Georgescu-Roegen），一位用热力学来研究经济和环境的先驱，在1980年提出了类似观点，强调这些物理基础类似于正方形中对对角线长短的几何约束——但它们不能确定对角线的颜色，也没法告诉我们与颜色如何产生相关的任何东西。同样，由于能源种类、发动机种类及发动机效率的限制，所有社会的活动、技术和经济能力以及社会成就都有其阈限。但是，这些限制并不能解释诸如创造天赋或宗教热情等文化要素，而且仅凭它们几乎无法预知一个社会的治理形式和效率，或者该社会对公民福利的投入。因此，说明能源在历史上的作用是一项艰巨的任务，最好取道中庸——努力寻求解释，并兼顾与之相反的论点。

按社会所利用的主要初级能源来分期，可将世界历史分成极不对称的两个阶段：可再生燃料时代与不可再生燃料时代。所有前现代社会几乎完全依赖太阳能，也就是说，依赖永恒的（用文明的时间尺度来衡量的）可再生能源。它们从生物质——由光合作用转换而来，多表现为木柴与庄稼残茬，最重要的是秸秆，还有用于照明的植物和动物脂肪——中获取光和热。社会的动能来自人与动物的新陈代谢（很明显，是通过吃掉生物质而获取能量），只有极少部分来自风和水流——这两种动能是由（地球生物圈吸收之后的）太阳辐射转换而来，而太阳辐射是全球水和大气循环的动力。

化石燃料也源自光合作用，但其中的生物质在之后100万到1亿多年的时间里，被地壳最上层的高温和高压转换成了新物质。因此，化石燃料——按质量的升序排列，即泥炭到各类煤（褐煤到无烟煤），再到各种碳氢化合物（原油和天然气）——在历史时期的尺度上都是不可再生的。这意味着，前现代太阳能社会能源基础的潜在寿命与生物圈本身的寿命（仍有数亿年之久）相一致，而现代社会若想再存活几百年，就必须改变其能源基础。

这张图显示了风车上部的主要机械部件。

生物质燃料

生物质燃料有两个天然缺陷：低功率密度（以每平方米多少瓦表示——瓦/米²）和低能量密度（以每千克多少焦耳表示——焦/千克）。即使在茂密的森林里，可采伐的生物质燃料功率密度也不超过1瓦/米²，而多数人并无砍伐大树树干的工具，只能依靠功率密度更小的小树、树枝和树叶。同样，作为饲料和原料收集的庄稼残茬，其功率密度也很难超过0.1瓦/米²。因此，大型居住区需要广大森林地区来满足其能源需求。在温带气候条件下，一个前工业化的大城市每平方米建筑面积至少需要20~30瓦能量来取暖、做饭和做活。而且，按照这样的城市所使用的燃料类型，它将需要附近300倍规模的腹地来供应燃料。这样限制就一目了然了：在以木材作为主要能源的时代，温带气候条件下不可能存在人口在1000万及以上的特大城市。

表1 常见燃料的能量密度

资料来源：Smil(1991)。

在木炭被大规模使用后，这种功率密度的限制就变得更大了。把木柴变成木炭是为了提高木柴的能量密度：风干形式（约有20%的水分）下，该燃料的密度约为18兆焦/千克，而木炭则为29兆焦/千克，提高了约60%。好燃料的优点也很明显：单位体积质量小且利于运输和储存、用的炉（或火盆）小、添加燃料的次数少、空气污染少。但是，传统的烧炭方式效率低，烧炭所用木柴的80%左右在烧制过程中被浪费。即使只用木炭来取暖和做饭，这种浪费也会给木材资源带来很大压力，而木炭在各门手艺及冶金中的广泛使用更让这种浪费成为严重的限制因素。举例来说，在1810年，冶金对木炭的需求让美国每年要拿出面积约2500平方千米的森林；一个世纪后，其面积达到17万平方千米，相当于以费城与波士顿之间的距离为一条边的正方形的面积。这种局限性不言自明：没有哪个全球性钢铁文明是靠木炭建起来的，因此源自煤炭的焦炭取而代之。

这一系列图画展示了不同时期和不同文化中多样的取火手段：（4）火锯（婆罗洲）；(5)绳火锯（婆罗洲）；(6)火犁（波利尼西亚）；(7)钻火器（美洲原住民）；(8)钻火器（阿拉斯加因纽特人）；(9)钻火器（阿拉斯加因纽特人）；(10)钻火器（加拿大易洛魁人）；(11)打火器（阿拉斯加因纽特人）；(12)打火器（英格兰）；(13)打火器（马来西亚）；(14)火绒枪型火机（英格兰）；(15)打火器（西班牙）(16)空气压缩引火仪（泰国和马来西亚）；(17)透镜（古希腊）；(18) 氢气灯（德国）；(19)小盒火柴（奥地利）；(20)火柴；(21)燃气电子点火枪（美国）。

人和牲畜的肌肉

同样，人和牲畜的肌肉力量有限，这就制约了所有传统社会的生产力与侵略性。健康的成年人可以在其最大有氧代谢能力40%~50%的水平下工作，对男性（假设肌肉效率为20%）而言，这意味着转化成70~100瓦的有用功。小型牛（黄牛和水牛）可以保持在约300瓦，小型马约为500瓦，大型牲畜为800~900瓦（1马力等于745瓦[1]）。将这些功率进行换算，一头公牛至少等于4个男人，一匹大马相当于8到10个男人。同样重要的是，大型役畜的最大功率可以短时达到3千瓦以上，从而完成男人无法完成的差事（犁耕黏硬土地和拔除树桩）。众多大型役畜会极大提高传统农业的生产力：即使是缓慢犁耕也比锄地快3到5倍。

拉塞尔·李（Russel Lee），《新墨西哥州派镇的加油站和车库》，1940年，彩色幻灯片。这张照片是美国联邦农业安全管理局（Farm Security Administration）委托拍摄的系列图像的一部分，目的是记录大萧条后美国的生活。国会图书馆。

然而有得则有失，这些优势的获得需要人们付出更多时间来照顾牲畜，并用更多土地喂养它们。例如，美国农场里马匹和骡子数量最多的时候是在1919年（约2500万头），喂养它们需要全国农田的20%。很明显，只有拥有大量农田的国家才能承受这一负担：日本、中国或印度不在此列。大型役畜和优良工具最终会减少在主粮生产上花费的时间。如在中古的新英格兰，种植1公顷小麦总计需在地里工作180小时，在19世纪初的荷兰需要120小时，在1900年的美国大平原需要60小时。但是，在任何一个只靠人和牲畜的肌肉来从事粮食生产的社会，大部分劳力都得务农，其比例从中华帝国的90%以上到内战后美国的66%以上——而且在所有传统农业社会里，儿童通常要给成人打下手。

这种限制对战争来说也显而易见，因为即使训练有素的人赋予兵器的破坏力也有限，这一点可以通过对比前工业社会常见武器的动能看出。从中古的大炮中射出一发石弹，其动能相当于用重十字弓射出500支箭或者用重剑刺1000下。因此，火药使用前的战争耗费的肌肉能量有限，这也解释了人们对围城或用计的偏好。随着火药的使用——在中国是10世纪，在欧洲是14世纪初——战争变得更具破坏性。

生物代谢和风能转化的低效也对行进速度带来了明显制约。疾速奔跑和策马奔腾只被用在紧急信息传递上，它们在一天内就能越过千山万水：在罗马时代的路上最远可达380千米。不过，推着独轮车（帝制时期中国常见的一种出行方式）的人的正常行进速度只有10~15千米/天，牛车的速度也快不了多少，重型马车为30~40千米/天，客运马车（路况良好的情况下）为50~70千米/天。陆路运输价格高昂，这在罗马皇帝戴克里先著名的《物价敕令》（edictum de pretiis）中可以充分地体现出来：公元301年，在陆上运粮仅120千米，其花费就比从埃及到罗马奥斯蒂亚港的航运运费还高。

特兰奎尔米尔斯（TranquilleMills）的水车，位于不列颠哥伦比亚省坎卢普斯湖，1871年。本雅明·F.巴尔茨利（Benjamin F. Baltzly）摄，麦考德博物馆。

前工业时代的机械发动机

工业化之前的多数旧大陆社会，最后都引入了简单的机械装置把两种来自太阳的间接能量流（流水和风）转化为旋转力，它们也利用风帆作为船的推动力。帆的演变缓慢，从古埃及和古典时期地中海文化中低效的方形帆，到穆斯林世界的三角帆，再到中古时期中国的硬帆（batten sails），最后才发展出复合帆（三角帆、前帆、主帆、后帆、上桅帆和后桅纵帆），近代的欧洲正是乘着复合帆式大帆船才开始了18世纪和19世纪的全球征服。虽然海运是当时最便宜的运输方式，但它既难预测，也不牢靠。

最好的帆船—19世纪下半叶英国和美国的“中国飞剪”（China clippers）——平均时速超过30千米，在整个洲际航程中时速接近20千米，而罗马时代最好的货船时速还不到10千米。但是，当迎风而行时，所有帆船都得戗风行驶，否则会因无风而停航。因此，在奥斯蒂亚和埃及之间航行的粮船，其用时少则1周，多则3个月或更长；两千年后，返航的英国船有时要3个月才能等到好风进入普利茅斯湾。

水车的起源仍难确定，尽管法国南部的巴贝格（Barbegal）有非常壮观的成列罗马水车，但在所有古典社会，由于奴隶为粮食碾磨和手工制作等差事提供了廉价劳力，水车的重要性并不大。在一些中古社会里，水车确实变得特别重要，它们首先被用于食品加工、木材切削和金属冶炼。然而，过了800年，水车的最大功率才增加了10倍。到18世纪初，虽然它们是当时能找到的最大发动机，但欧洲水车的平均功率还不到4千瓦——只相当于5匹大型马。风车在公元1000年末才出现，跟水车很像，它们最终在一些中东和地中海沿岸国家及大西洋沿岸的欧洲部分地区变得重要。同样，即使是18世纪相对先进的荷兰风车，其平均功率也不到5千瓦。

表2 移动式发动机的持续功率

来源：据Smil(1994年和2003年）的数据整理。

因此，几乎完全或绝大部分靠生物来获取动能的社会（即使在某些地方和一定区域有小型水车和风车作为补充），既无法保证充足的食物供应，也不能确保大部分居民的物质享受。即使喜获丰收（粮食产出数百年都保持稳定），营养不足的情况仍然存在，甚至饥馑频仍；小型手工制作（除了少量奢侈品行业外）效率低下，且局限于有限的粗加工产品；一般人财产微薄，文盲是普遍现象，休闲和旅行也不常见。

化石燃料、发动机、电

随着化石燃料的使用，所有这些情况都改变了。尽管欧洲和亚洲部分地区的人们几百年来对煤炭进行了有限利用，但西方（显然，英国除外）从生物质向煤炭的过渡到19世纪才发生（例如，直到19世纪80年代，美国初级能源的一半以上仍由木材提供），而在人口众多的亚洲国家，这种过渡在20世纪下半叶才完成。最古老的化石燃料（无烟煤）有1亿年的历史，最年轻的（泥炭）则只有1000年的历史。固体燃料（各种煤）和碳氢化合物（原油与天然气）通常只存在于高浓缩的沉积物中，在被提取出来后，它们会具有超高的功率密度：多层煤矿和储藏丰富的油气田可以产生的功率密度是1000~10000瓦/米2，比生物质燃料高1万~10万倍。

此外，除了劣质且不重要的褐煤和泥炭外，化石燃料的能量密度更高：锅炉煤（目前主要用于发电）能量密度为22~26兆焦/千克，原油和成品油为42~44兆焦/千克。这样，化石燃料的提炼和分配就创造了与以生物质燃料为基础的社会截然相反的能源体系：高能量密度的燃料从少量的高浓缩沉积物中生产出来，然后被运送到其他地区、国家，甚至越来越多地在全球进行分配。随着大型油轮或大口径管道的出现，液态碳氢化合物的配送任务变得非常容易。液体燃料在20世纪后半叶成为世界的主要能源，就不足为奇了。

化石燃料的优良品性被两次根本性技术革命大大提升：一是新型机械发动机的发明和迅速的商业应用，二是电力生产和分配这个全新能源体系的建立。按时间顺序，先后出现的新型机械发动机是蒸汽机、内燃机、蒸汽轮机和燃气涡轮机，它们的发展不但增加了总功率，还提高了热效率。英国发明家托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）的蒸汽机（1700年之后）极其浪费，它只将煤炭中0.5%的能量转换为往复运动。苏格兰发明家瓦特对蒸汽机进行了彻底的重新设计（分离式冷凝器），到1800年，他把蒸汽机的热效率提升至5%，瓦特蒸汽机的平均功率约为20千瓦，顶得上24匹好马。在19世纪结束前，逐步的改进使蒸汽机的最大功率增加到相当于4000匹马，其热效率超过10%。

表3 固定式发动机的持续功率

来源：据Smil(1994年和2003年）的数据整理。

这些机器是19世纪工业化的主要动力，它们使许多工业流程机械化，扩大了生产能力，并让越来越多的基本消费品价格下降，从而进入平民百姓家。它们给煤矿开采业、钢铁业和机械制造业带来了巨大冲击。它们也为陆上和水上交通提供了前所未见的动力。到1900年，铁路以比四轮马车快一个量级的速度提供定点服务，大型汽船则将横渡大西洋的时间缩短至6天以内（相比之下，19世纪30年代之前的出行方式耗时近4周）。

然而，这些蒸汽机的辉煌很短暂：在19世纪最后20年里，小型蒸汽机开始被内燃机取代，大型蒸汽机则被蒸汽涡轮机代替。德国工程师尼古拉斯·奥托为摩托车设计的内燃机最终达到了20%以上的热效率。1866年后，它成为一款商用固定式发动机。从19世纪80年代起，德国工程师戈特利布·戴姆勒、卡尔·本茨和威廉·迈巴赫将其用于轮式交通工具。德国工程师鲁道夫·狄塞尔的高效发动机（1900年之后发明）则出手不凡，它的热效率达到了30%以上。19世纪80年代是发明最扎堆的10年，有美国发明家托马斯·爱迪生设计的一种全新能源体系（这比他在白炽灯上长期投入的工作更为重要），还有美国发明家尼古拉·特斯拉的电动机和爱尔兰工程师查尔斯·帕森斯发明的汽轮机，这一时期也为电力工业的发展奠定了长久基础。

电提供了最优质的能源，它使用起来清洁、方便且灵活（可用来照明、供暖和驱动），而且能够精准控制。能精准控制这一点让工业生产发生了革命性变化，因为电动机（热效率最终可超过90%）取代了笨重且浪费的蒸汽驱动轴承和皮带。最后一种现代发动机——燃气涡轮机——在20世纪30年代问世，用于飞机的喷气推进，后来它也成为一种常用的发电方式。所有这些机器的单位安装功率都比蒸汽机小得多，因此体积更小，也（除了大型蒸汽涡轮发电机）更适合移动使用。

在破坏力方面，瑞典制造商阿尔弗雷德·诺贝尔发明了炸药，这种爆炸物的爆速几乎是火药的4倍，之后很快出现了威力更大的混合炸药。到1945年，随着核裂变武器的出现，破坏力被提高到一个全新水平，而仅仅数年之后，核聚变炸弹就出现了。到1990年（苏联解体）冷战结束前，两个超级大国将其总能源的很大一部分用于装配破坏力惊人的军火库——几乎相当于2.5万个战略核弹头，总功率接近50万枚广岛原子弹。

现代能源体系

化石燃料能源体系的方方面面都在总功率和热效率上取得了引人注目的进步，它们共同促成了人均能源消耗的大幅增加。虽然1900—2000年的世界人口几乎翻了两番（从16亿到61亿），但人均商业能源的年供应量却翻了不止两番，加上热效率更高，这意味着2000年世界上可支配的商业能源大约是1900年的25倍多。如今，富裕经济体的人均能源（供暖、照明、驱动）供给水平经历了8到10倍的提高，相应地，其可支配的商业能源增加了20倍甚至30倍还多。像中国或巴西这样正在进行工业化的国家，历史上从来没有出现过能源增长幅度不大，生活质量却可以极大提高的现象。

19世纪90年代左右，比利时布鲁塞尔的牛奶小贩。数百年来，风力就被用来碾磨粮食。

增加的能量流直接由个人随意控制，这同样是一种惊人现象。在1900年，即使是一位富裕的美国农民，手里牵着6匹大马，他所控制的牲畜的功率也不会超过5千瓦；一个世纪后，他的曾孙坐在有舒适空调的驾驶舱内，开着一辆功率超过250千瓦的大型拖拉机。1900年，在时速100千米的洲际火车上，添煤工在费力保持着大约1兆瓦的蒸汽功率；2000年，沿着同样路线且在地表之上11千米的一架波音747上的飞行员，只是在边上看着电脑，飞机就能以60兆瓦的功率和900千米的巡航时速飞行。

即使到了2000年，这些惊人能量流所带来的好处也未得到公平分配。按吨油当量（TOE）计算，2000年能源的人均年消耗量从美国和加拿大的约8吨，到德国和日本的4吨，而南非不到3吨，巴西不足1吨，中国约0.75吨，撒哈拉以南非洲的很多国家则少于0.25吨。然而，仔细观察高能耗带来的回报就会发现，所有的生活质量指标（预期寿命、粮食供应、个人收入、文化水平、政治自由度）与人均可用能源之间都呈明显的非线性关系：当能源的人均年消耗量增加到1~2吨以上，所有这些指标的收益都开始出现明显递减，当增加到大约2.5吨以上时，就几乎不会再增加任何收益了。在问出这样一个简单问题后，这一点就更清楚了：美国过去这两代公民的生活水准（寿命、健康、生产力、文化水平、知情权或自由度）真比西欧和日本的人民好一倍吗？

对一个国家而言，能源丰富会带来什么？在美国，它显然为这个国家崛起成为经济、军事和技术上的超级大国做出了贡献。但它却未能阻止苏联的解体，而1989年的苏联是世界上最大的化石燃料生产国。未能利用丰富能源建成现代富裕社会的突出例子还包括伊朗、尼日利亚、苏丹和印度尼西亚等国：它们的社会形式不同，但丰富的能源既没能振兴经济，也没有给人民带来富裕。相比之下，三个能源匮乏的东亚国家和地区（日本、韩国、中国台湾）却成为经济快速发展且人民生活质量显著提升的典范。

最后，能源使用无法解释各大文明与强大社会的兴衰。一些著名的统一和扩张，如埃及古王国的崛起、罗马共和国的建立、汉代中国的统一、伊斯兰教的传播、蒙古征服欧亚大陆与沙皇俄国的急剧东扩，都与任何新发动机、新的或更高效的燃料使用无关。至于衰落，在西罗马帝国（东罗马帝国在同样的基础设施上又存在了1000年）长期衰落期间，燃料的基础和供应（木柴、木炭）或原动力（奴隶、公牛、马、帆船、水车）都没发生重大变化；对于近现代世界的巨大变动——法国大革命、沙皇俄国的崩溃、中华民国的失败和苏联的解体——能量也无法给出令人信服的（或任何）解释。

古老的丝绸之路沿线的风力发电机，中国新疆维吾尔自治区库尔勒附近，1993年。柯珠恩（Joan Lebold Cohen）摄。

不可否认，能源、能源的使用及其特定与多变的组合，是决定社会命运的关键因素之一。它们推动、限制或复杂化了许多经济和个人选择，一旦选择完成，它们就会对生活节奏与公共福利水平产生重要影响。热力学定律的支配地位无法改变，这意味着社会经济越复杂，就需要越多的能量输入。然而，这种不可否认的联系不代表存在一种连续的线性进步，而是指在社会或历史发展初期存在一种能源限制。此外，能源丰富或高能耗不能确保经济运行良好、生活体面、个人幸福或国家安全。能源及其使用会限制我们的行为，但并不决定我们的选择，不能保证经济成功，也不会令文明衰落。在现代世界，能源消耗增加的唯一不可避免的后果，是对地球生物圈的冲击更大：现代文明的命运最终可能取决于我们应对这一挑战的能力。

表4 武器的能量

资料来源：作者用不同来源的原始数据计算所得。

瓦茨拉夫·斯米尔

加拿大曼尼托巴大学

另见《天然气》《水能》《水资源管理》《风能》。