序言：在纵身一跃之前#

这本书在某种程度上反映了我的一段个人旅程，这段旅程改变了我的生活，改变了我对人类伟大事业的看法，并重新定义了我与这个星球的关系。这一转变我花了几十年的时间，因此读者不太可能在短时间内吸收本书的全部内容。不过，我们可以为读者提供一个框架，让他们可以开始自己的旅程，或许还能获得一些深刻的领悟。本篇序言解释了本书的写作方法和一些总体原则。

我们生活在一个受物理定律支配的物理世界里。与民法或刑法不同的是，我们甚至没有机会违反物理定律，除非是在小说或娱乐作品中。我们不需要建立一支物理警察部队，不需要建造物理监狱，也不需要在某个物理法庭前为案件辩护。大自然免费提供了完美的自动执法。

能源、环境、经济等领域也不例外，它们都构建于物理基础之上。因此，一个新的思考框架值得我们深入探讨，即反思人类活动的规模、效率和热力学极限。通过了解这些界限，我们可以开始思考可行的长期计划，而现在很少有人这样做。迄今为止，在大多数情况下，我们还没有必要去关注物理边界，因为人类活动的规模直到最近才在星球尺度上变得重要起来。现在，我们正在进入一个新的现实：在这个有限的星球上，我们的理想正在与自然的极限发生碰撞。这种碰撞像是一个慢动作画面，有些人早就提出来了[1]，但还没有尖锐到引起大多数人的持续关注。

在过去的几个世纪里，人类对能源和资源的使用在疯狂的增长，而这些有限的资源是从自然界中一次性继承的，在人类历史的长河中，这是一个短暂而独特的非凡时代。这个时代仿佛是一场烟花表演，壮观、有趣、鼓舞人心，但也极不寻常。在这个星球上，人们对「正常」的印象已经产生了危险的扭曲。就像在 15 分钟的烟花表演中出生并接受训练的气象学家一样，他很可能无法对未来一周的天气状况做出有用的预测。我们也没有能力凭直觉了解当前阶段之后会发生什么。幸运的是，科学提供了超越我们狭隘、扭曲的视角的工具，可以帮助我们从一厢情愿的设想中分辨出可能的结果。这本教科书的目的是为当今时代设定定量界限，以便更好地为可能出现的大不相同的未来做好准备。我们最终的成功取决于对地球极限的认真关注。

本书是为大学本科生的能源与环境通识教育课程而编写的。它作为一门物理课程而编写，但希望它也能在这个狭窄的领域之外被人接受。物理学建立在数学基础之上，而能源领域也需要定量评估，因此，本书并不回避数字。虽然数学和定量元素贯穿全书，但第 1、3 和 6 章可能是数学最密集的章节，其中包括指数函数、对数和微分方程。但是，学生只需要掌握简单的算术运算知识即可，比如能够重新排列方程、计算对数和指数。附录 A 可以作为有用的数学复习资料。

本书试图阻止学生死记硬背方程公式，希望促进核心概念的理解和直觉的发展。这需要学生自己做出一些调整，因为他们常常把方程当作算法工具，以便在以后解题时使用，而不是将其作为概念的体现加以内化。学生通常希望有一个清晰的口诀，这样当他们在家庭作业中遇到问题时，就可以模仿书中清晰列出的类似示例。这样做可能既方便又省时，但却绕过了掌握解决问题能力的心理过程，及所需的神经发育，实际上缩短了所需的学习时间。只有通过一些挣扎和努力，学生们才能形成这些神经连接。从这个意义上说，学习就像爬山：要想爬到山顶，唯一的办法就是付出努力去提升高度——攀登不可避免，没有任何捷径。

本书中涉及的数学公式，强调理解其基本概念，而不是进行数学计算。当学生说他们学习数学困难时，通常不是执行运算（+、-、×、÷）的问题，而是如何列出公式。因此，主要困难是概念上的，但却归咎于数学。将问题置于数学框架中，就必须掌握基础的概念，这是不可避免的。给定两个数，是除还是乘才能得到所要的答案？要解决这类问题，就必须深入理解问题中的数字（通常还有其对应的单位）所蕴含的意义。通过关注这些数字所代表的意义以及它们之间的关系，本书给出了一些习题，旨在帮助建立对相关内容更有意义、更持久的理解。

在征求学生对习题的反馈意见时，评论经常指出「问题 X 与问题 Y 使用了完全相同的数学方法，因此是多余的」。这暴露了学生和教师在看待问题上的明显差异。对于提供这种反馈的学生来说，这些问题似乎只是一种算法的镜像，没有上下文的意义。而对教师来说，这些问题则是一扇通往更丰富世界的窗户：引导学生从中获得更深刻的洞察。习题是学习的机会，因为学生在尝试解决这些问题时，精神上可能是最积极投入的。教师试图通过布置作业这一不完善的机制，为学生再现自己的学习经历。

类似的还有这样的评论：「这个问题有不必要的信息，不是解决问题所需要的」。但问题的关键是得出一个数字，还是将结果嵌入到更深的背景中（即学习）？这是一个「情境」比「算法」更重要的问题，情境是真正需要学习的知识。重点不在于锻炼学生的数学运算能力，而在于通过定量分析更深入地了解问题。数学就像运送跳伞运动员的飞机。跳伞是全部的重点，但飞机是必要的交通工具。当要跳伞的时候，紧紧抓住熟悉的安全的飞机是达不到目的的。如果学生绕过背景只进行数学运算，那么他就没有接受预期的体验和随之而来的思想上的成长。

本书的格式有时会将数学式子融入文字中，这对于一些习惯于将数学和文字明确区分开来的学生来说并不熟悉。建议学生在阅读此类章节时，将方程视为有助于定义和完成逻辑论证的真理陈述（在适当的上下文和假设条件下），或者将方程视为概括概念的简短句子。专家们通过阅读而不是死记方程来理解概念。方程想表达什么？它传递了什么真理？它阐明了什么关系？课文中的等式都用句子环绕，以帮助学生理解等式的含义，使其成为直觉的指南。如果学生只想按部就班地将等式看作某种算法，那么他们就失去了内化（"拥有"）完整论证和概念的机会。一旦掌握了概念，方程就自然而然地产生了，并可在解决问题时根据需要从概念中生成。

大多数面向通识教育的能源与环境教科书都是枯燥地分析能源资源、其实现方式以及各自的优缺点。这本教科书也是如此，但在提供背景解释方面没有那么拘谨，比如说波浪、地热、潮汐或洋流等资源由于规模较小，可能不值得认真关注。从这个意义上说，本书与 David MacKay 的 Sustainable Energy: Without the Hot Air [2] 有几分相似。事实上，之所以决定以 PDF 格式免费提供这本书的电子版（可在 https://escholarship.org/uc/energy_ambitions 上查阅），完全是受到了 MacKay 的启发。这个主题太重要了，不能让出版商的经济利益限制读者的阅读。本书印刷版（可在 https://www.lulu.com 找到）的价格仅用于支付制作成本。如果用作课程的教科书，可访问 https://www.kudu.com/physics_of_energy，允许对课程副本进行定制和无限制的编辑。

这本教科书与其他教科书的不同之处还在于，它试图将能源问题置于人类面临的其他增长限制（物质、经济、人口）以及人类自身限制（心理、政治障碍）的更广阔背景下进行阐述。最后，关于环境适应，学生们可以找到一些量化的指导，并被鼓励寻找各种方法来减少资源消耗，以有效规避本世纪面临的不确定性。在一本受经济利益驱动和市场分析指导的教科书中，这样的建议会「不利于商业」，可能会被认为是有风险的—— 这或许也解释了为什么许多教科书显得平淡无奇。

这本教科书的基调可以说是悲观的，它指出未来的世纪将面临许多困难，这些困难可能无法通过整齐划一的「解决方案」来解决，而只能通过无奈的适应来承受。进入本世纪，我们经历了人类历史上从未有过的几百年的繁荣——由此产生了高糖兴奋症，但本世纪结束时，我们可能不会再享受这样的特权。这种信息可能会让一些人感到不快（另见后记）。当学生读到第 8 章末尾时，他们可能会有些惊慌失措，急切地想知道「答案是什么」。尽管这本书在这方面并不能完全满足学生的要求 ——因为确实无法给出，但可以说这正是教师希望学生做到的：全神贯注、跃跃欲试。让他们带着紧张的情绪走向世界，是帮助人类认真对待挑战并努力找到更好办法的一种方式。安抚他们的不适，让他们以为一切都在掌握之中，往好了说，也许只是浪费了为人类创造更美好未来的机会；往坏处说，就是没有点燃应对挑战的勇气，而助长了人类的堕落。

Tom Murphy

December, 2020

San Diego, CA