附录 D 有趣的延展话题 ============================== 本附录包含一些学生们可能有兴趣的话题，但由于与教材主线内容距离较远，不适合放入各章正文。 其中许多条目是源于我的学生对教材初稿的反馈——他们希望进一步了解文中提到的某些吸引人的知识点。 请根据您的兴趣自行选读。 .. _D.1: D.1 宇宙的边界 ----------------------- :ref:`第4.1节<4.1 太空的尺度>`\ 构建了一个通往可见宇宙边缘的阶梯式尺度， 边注中注明了，这指的是我们宇宙的可见边界。这一迷人而深刻的概念值得详细阐述。 实验物理学和宇宙学的两个基础是：光速是有限的，以及宇宙始于 138 亿年前的大爆炸。 大量证据支持这两个论断。需要指出的是，直到压倒性的证据让科学家们别无选择、 只能接受它们作为世界真实运行方式之前，这些观念并非完全被科学界所接受。 光速有限意味着向远处眺望等同于回溯时间。在这里，英制单位有一个短暂的高光时刻： 每英尺距离（0.3米）对应一纳秒的时间。我们看到的是 1.25秒「之前」的月球， 500 秒（8.3分钟）之前的太阳，以及 4.2 年之前最近的恒星。 「邻近」的仙女座星系是 250 万年之前的景象，当我们向宇宙更深处凝视， 我们就在向更遥远的时间回溯。实际上，在极远的距离上， 我们看到的是尚在形成过程中的婴儿星系—— 引力像真空吸尘器一样从更早存在的弥散气体中收集物质。 那么，当我们向 138 亿年前的过去，即大爆炸据称发生的时刻望去时，会看到什么呢？ 难道我们不该看到那次爆炸吗？而且——也许令人困惑的是——它难道不应该在所有方向上都可见吗？ 答案是肯定的，但带有一个限定条件：是的，我们在各个方向上都看到了大爆炸的证据， 即电磁波谱中微波波段出现的一种辉光。这被称作宇宙微波背景辐射（CMB）， 它代表了宇宙在仅 38 万年时的炽热等离子体，当时的宇宙尺寸比今天小约 1,100 倍。 我们无法看到比这更早的时期，因为在此之前存在的炽热电离等离子体对光的传播是不透明的\ [#]_\ 。 宇宙直到此后才变得「清澈」，此时等离子体冷却成（大部分是）中性的氢原子。 因此，我们几乎可以看到大爆炸之后、在场景变得不透明之前的至少 99.997% 的路程。 .. [#] 比如太阳，也是一个等离子体，也是不透明的：我们看到的只是它外表面发出的光 所以这就是我们视觉的极限，基于光自宇宙开始以来没有时间传播得更远这一想法。 这就是我们所说的\ **可见**\ 宇宙边缘的含义。 但这是一个真正的边界吗？所有迹象都表明，它显然不是。当我们看向 138 亿光年之外时， 我们看到的只是那发光的等离子体（CMB）。但在随后的岁月里，那片空间形成了星系、恒星和行星， 如今它们应该是「正常」的。所以，想象一下这样一个星球上的一个生命，此刻， 在 138 亿光年之外看着我们。但他们看到的是 138 亿年前的我们， 当时我们附近仍然是一片发光的等离子体，远在星系、恒星和行星形成之前。 假设那个遥远的生命就在你的正后方，你们俩都朝同一个方向看—— 那个外星人基本上就是从你肩膀上方看过去，而你则朝着相同的方向看。 你（或者将来会变成你的原始气体）处于他们视界的极限，他们看不到任何比你更远的东西。 你位于他们的边缘。但对你来说，那并不是边缘。你可以毫不费力地看到更「正常」的宇宙， 在我们遥远的朋友所能看到的范围之外再延伸 138 亿光年。这只是一个感知上的边缘， 基于光传播时间的限制。 思考这个问题的一个好方法是联想一些视野受限的熟悉场景，比如在雾中、在海洋上， 甚至在地球弯曲的表面上。所有这些情况都有一个地平线：一个可见距离的极限。 然而，当你移动到视野的边缘时，会揭示出一个全新的、之前看不见的区域。 继续前进，你出发的区域将不再可见，或者说将不在你的地平线之内。但它并没有停止存在。 同样，宇宙似乎要比我们的可见视界大得多。对空间几何「平坦度」的测量表明， 宇宙至少比我们的视界大 100 倍，而且实际上可能大到深不可测。我们或许永远无法确定， 因为光传播的极限使我们无法直接观测到宇宙的大部分区域。 D.2 宇宙的能量守恒 ------------------------ 第 5.2 节讨论了能量守恒这一基本原理，指出除了在宇宙尺度上，该原理从未被违反。 除详细阐述这一点之外，本节还将追随能量跨越漫长时空的旅程：在太阳形成并最终为汽车提供动力。 我们还会阐明能量「损失」为热量究竟意味着什么。 D.2.1 宇宙学例外 ++++++++++++++++++++++++ 埃米·诺特（Emmy Noether）是二十世纪初的一位杰出数学家，她也涉猎物理学。 在一个极其深刻的洞见中，她认识到自然界的对称性与守恒定律之间存在深层联系。 这里说的\ **对称性**\ （symmetry）是指一个属性从多个观察角度看起来都相同。例如，球体是对称的， 因为从任何角度看它都一样。圆柱体或花瓶也具有关于一个轴的对称性，但比球体更有限。 诺特考虑的对称性是更微妙的时间、空间和方向上的对称性。 **定义 D.2.1：**\ 时间对称意味着物理法则在所有时间上的行为都相同：规律和常数是相同的， 无法设计出能够确定绝对时间的实验。空间对称意味着物理规律无论走到哪里都是相同的： 基础实验不会因位置不同而不同。方向对称与前一个密切相关。它表示宇宙（物理规律） 在每个方向上都是相同的。 关键的洞见是这些对称性蕴含了守恒定律。时间对称决定了能量守恒。空间对称导致动量守恒。 方向对称导致角动量守恒。 很好。据我们所知，后两者被我们的宇宙所满足。在我们观测能力的范围内， 宇宙表现为均匀的（到处相同）和各向同性的（所有方向相同）。是的， 它被星系弄得凹凸不平，但所谓「相同」，我们的意思是物理看起来以相同的方式起作用。 因此，大量的观测证据支持我们将动量守恒和角动量守恒作为现实的事实来采纳。 但时间对称是个问题，因为宇宙似乎并非在所有时间都相同。它似乎从大爆炸中出现（见 D.1 节）， 因此过去与现在大不相同，并继续变化/演化。一个测量宇宙微波背景辐射有效温度的实验， 就足以确定我们在宇宙展开的时间线上的位置。 因此，在宇宙学时间尺度上，能量守恒并没有被严格执行。当光子穿越宇宙时，它会发生「红移」， 就好像它的波长随着宇宙的膨胀而被拉伸。更长的波长对应更低的能量。光子的能量去了哪里？ 因为宇宙中时间对称性被打破了，光子的能量没有义务在这样的时间尺度上保持恒定。 接受它吧，宇宙说。 在与人类活动相关的时间尺度上，能量守恒是极其可靠的。一种理解方式是，宇宙有 138 亿年的历史， 或者略超过 10\ :sup:`10` 年。所以在一年的时间里，物理学允许能量变化 10\ :sup:`10` 分之一， 在小数点后第十位。通常，在实际情况下，这超出了我们的分辨能力。 但能量守恒的违反甚至比这还要受到更多限制。穿越宇宙的光子被宇宙膨胀所掌控， 并见证了相关的能量变化。但埋藏在地下的石油沉积 1 亿年是化学键形式结合的，不会被宇宙膨胀「抓住」， 因此不会被宇宙膨胀「降解」。最终，虽然我们承认能量守恒在我们的宇宙中并非严格遵守， 但在所有实际应用上它几乎是守恒的。因此，本节相当于在「能量总是守恒的」 这一陈述上加了一个小小的星号或注意事项。 D.2.2 迂回守恒（Convoluted Conservation） ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 本节追踪了一条能量转换链，其起点早于我们太阳的形成，终点则是一场车祸， 以此具体说明能量在实践中守恒的方式。不必纠结于理解每一个步骤，但要领会贯穿整个过程的主旨： 能量始终在从一种形式转变为另一种形式。 太空中的气体云由于引力吸引而坍缩，将引力势能转化为动能，因为气体粒子冲向云的中心。 云坍缩成一个紧密的球，气体粒子中的所有动能通过碰撞「热化（thermalizes）」\ [#]_， 产生一个即将成为恒星的炽热气体球。随着气体球进一步收缩，更多的引力势能被转化为热能， 原恒星变得越来越热。 .. [#] 热能不过是微观尺度上单个粒子的动能——快速运动。热化意味着将能量转化为热， 或转化为介质中粒子的随机动能。 最终，即将成为恒星的粒子在核心中运动得如此之快，以至于电势壁垒\ [#]_\ 被克服， 质子可以靠得足够近，让\ :term:`强核力`\ 接管，并发生核聚变， 此时我们可以叫它恒星了。四个质子\ [#]_\ 结合在一起，其中两个转化为中子，形成氦核。 结果的总质量小于输入质量之和，差额\ [#]_\ 转化为光子，即光能。 .. [#] 两个质子在碰撞过程中靠近，因同电荷而排斥 .. [#] 即氢核 .. [#] 通过 :math:`E = mc^2`；见第 2.7 节 光子最终逃出恒星的不透明等离子体，射向地球，在那里一片叶子吸收了能量， 并通过重新排列原子和电子形成糖类，巧妙地将其转化为化学能\ [#]_\ 。叶子脱落， 辗转来到浅海底，被沉积物掩埋，最终变成石油，保留了大部分\ [#]_\ 化学能， 只是分子形式发生了变化。 .. [#] 我们称之为光合作用。 .. [#] 在这些交换中，只要能量有任何程度的「损失」，效率就低于 100%， 我们应该认识到，缺失的能量只是流入了其他路径，通常转化为热。 有一天，一个愚蠢的人类挖出石油，与氧气一起燃烧，在封闭的火球爆炸中将化学能转化为热能。 热能用于产生气缸中活塞的动能，通过机械方式传递到车轮，进而推动汽车在高速公路上行驶\ [#]_\ 。 .. [#] ……动能 汽车爬上山脉，通过上述相同的热-机械链将燃料中的化学能转化为引力势能。沿途， 动能被给予空气，热能被炽热的发动机给予环境，当汽车停下时，汽车的动能通过摩擦转化为热， 使刹车片变热。但汽车没有及时完全停下就翻下了悬崖，将引力势能交给动能，汽车坠落并加速。 在悬崖底部，汽车的撞击最终变成弯折的金属\ [#]_\ 和热。它没有爆炸，因为这不是电影。 沿途产生的所有热量最终以红外辐射（光子）的形式辐射到太空，穿越空旷的宇宙——也许是永恒。 .. [#] ……一种电势能的形式 将我们用于交通的能量追溯得足够远，会经过石油、光合作用、阳光和太阳核心的核聚变。 再往前追溯，我们认识到核能源自坍缩物质的引力能。是什么给了宇宙中的原子引力势能？ 答案只能是大爆炸，真正到达了故事的终点（起点）。 D.2.3 散失为热 +++++++++++++++++++++ D.2.2 节的序列以热和红外辐射结束。这里我们进一步阐述一下，因为热是能量流动几乎普遍的「终点」。 既然能量是守恒的，转化为热的东西并没有真正消失：能量仍然是可量化的、可测量的能量。 它被认为是「低品位」能量，因为很难让它做任何有用的事，除非产生的温度与周围环境显著不同。 :ref:`第 6.4<6.4 热机>` 节讨论了值得注意的例外，我们利用热机从热能中获得了大量有用功\ [#]_\ 。 目前我们只涉及了熵限制热能的利用。 .. [#] 通过这种方式，我们可以让爆炸或火球做有用功，如炸药、内燃机或燃煤电厂。 当一本书在地板上滑动时，它将动能转换为地板和书本界面摩擦产生的热。当汽车刹车停下时， 一个非常相似的过程加热刹车片和刹车盘。当汽车在路上高速行驶时，它搅动空气， 并在车轴/轴承以及圆形轮胎在路面上持续变平的变形中经历摩擦。被搅动的空气以涡流形式旋转， 这些涡流分解成越来越小的涡流，直到在毫米尺度上，粘性（摩擦）将这种动能转化为随机运动（热）。 人类新陈代谢将食物中的化学能转化为可输出的机械功（举重、移动、挖掘等），效率约为 20-25%。 其余的还是变成热量，在大多数环境中正好用来维持体温。但即使大部分对外所做的功，最终也化为热量。 主要的例外可能是将重物提升至更高的位置。不过即便这种情况，从长远来看也只是暂时的\ [#]_\ —— 储存的能量最终仍会流向热量。 .. [#] 我们放置质量的「架子」最终会坍塌或受到其他干扰。 来自我们人工光源和屏幕的光作为光子能量存活几纳秒，但最终被表面吸收并转化为热。我们的一小部分光逃逸到太空并带走非热能，但这是附带性的，可以说代表的是糟糕的设计（没有把光放在有用的地方）。 即使是用来冷却东西的设备也是净产热器。冰箱后部和底部推出的空气是温暖的，空调机组的排气也是温暖的。几乎所有从墙壁插座取出的电能最终都以这样或那样的方式变成了房间里的热。风扇实际上向房间释放了一点能量（热），但我们感觉凉爽只是因为流动的空气增强了皮肤上水分（汗液）的蒸发，带走能量。 基本上，我们能量消耗的热命运唯一例外是我们发射到太空的任何东西，如电磁辐射（无线电、光）。这是我们能量支出中非常微小的一部分，在数量上可以忽略。我们的大部分能源来自燃烧化石燃料，这本质上是一个热过程。我们作为有用能量回收的部分在完成其预期目的后也倾向于变成热。 最终，我们在地球表面产生的大部分热以红外辐射的形式返回太空。所有物体都在红外波段发光，一旦辐射逃出我们的大气层，它就永远离开地球。\ \[#\]_\ 此时，能量已经消耗殆尽，如果我们试图捕获它，也无法从中获益。\ \[#\]_\ 来自宇宙的能量回到那里，成为大爆炸残留的暗淡、渐隐光芒的一部分。 人造光源和屏幕发出的光，以光子的形式存在几纳秒，但最终会被表面吸收并转化为热量。 其中一小部分光会逃逸到太空中，带走非热形式的能量，但这只是偶然现象， 也可以说是设计不佳（没有把光用在需要的地方）。 即便是以冷却为任务的设备，本质上也是热量的净生产者。冰箱背后和底部排出的空气是温热的， 空调的排放也是如此。从电源插座中获取的几乎所有能量，最终都会以某种方式转化为房间内的热量。 风扇实际上也会向房间内注入少量能量（热量），但我们之所以感觉凉爽， 只是因为流动的空气促进了皮肤上水分的蒸发（出汗），从而带走了能量。 我们消耗的能量最终变成热量，几乎唯一的例外是那些被发射到太空中的东西， 比如电磁辐射（无线电波、光）。这部分仅占我们能量消耗的极小比例，在定量上可以忽略不计。 我们的大部分能量来自燃烧化石燃料，这本身就是一个热过程。我们所回收的有用能量部分， 在完成其预定用途之后，最终也倾向于变成热量。 最终，我们在地球表面产生的大部分热量，都会以红外辐射的形式返回太空。 所有物体都会发出红外光，一旦辐射逃逸出大气层，它就永远离开了地球\ [#]_\ 。 到了这一步，能量已经相当「耗散」，即便我们试图捕获它\ [#]_\ ，也无法利用它。 从宇宙而来的能量，最终又回到了宇宙，成为大爆炸残留的那黯淡、逐渐消逝的余辉的一部分。 .. [#] 除了一些不太可能的情况，例如从月球反射回来再返回地球。 .. [#] 辐射实体的温度如此接近环境温度，其执行有用功的效率几乎为零。 .. _D.3: D.3 电动化交通 ----------------------- 本节旨在回答这个问题：为什么我们不直接（Why can't we *just*\ [#]_\ ）让交通运输电动化， 从而摆脱化石燃料呢？事实证明这很难。本节不依赖外部研究，而是运用本书中的内容， 来展示第一性原理定量评估的力量。 .. [#] 要警惕「just」这个词，它往往隐藏着对问题不够熟悉。 :ref:`Box 2.2` 指出，直接用太阳能驱动汽车和飞机是不切实际的： 虽然它可能在有限的应用中可行，但太阳能太分散了，无法为我们熟知的航空和汽车旅行提供动力。 因此，电动化交通完全是关于\ **储能**\ 的问题，通常是电池储能。 书中多次将汽油的能量密度与电池进行了比较。粗略地说，汽油提供约 11 kcal/g， 换算为约 13 kWh/kg，这是本次讨论中有用的单位。与此同时， 汽车中使用的锂离子电池\ [#]_\ 的能量密度大约小一百倍。 .. [#] 例如，较大的特斯拉电池组提供 265（425 公里）的续航里程， 在 540 kg 的质量下存储 85 kWh，能量密度为 0.15 kWh/kg。 本节将使用锂离子电池最乐观的能量密度——约 0.3 kWh/kg——这大约比汽油少 20 倍。 在一定程度上能抵消这一点的是，电力驱动将储存能量传递到机械能量的效率可高达 90%， 而大型车辆中化石能源的热转化通常只有 25%。净效果大约是每千克燃料与储能之间 20 倍\ [#]_\ 的传递能量差异。 .. [#] 计算如下：12 kWh/kg 除以 0.3 kWh/kg 乘以 0.90/0.25，得出 18。 为了方便估算，可以使用更方便、更易记的 20 倍因子（18 足够接近 20）。 液体化石燃料与电池储能之间能量密度的巨大差异是交通问题的症结所在， 本节将探讨其影响。我们将从难点入手，逐步向容易的方向推进。 D.3.1 飞机 ++++++++++++++++ :ref:`Box 2.2` 已经评估了电力驱动典型客机的可行性。结果是航程减少 20 倍， 与上述估算一致：最好的锂离子技术——尚未在量产市场实现——在90%的效率下， 每千克提供的机械能仅为液体化石燃料的 5% 左右。 保持 15 至 17 吨\ [#]_\ 的「燃料」质量不变，但按 0.2 kWh/kg 计算，可得到 3000 kWh 的电池容量。 由于每千克能量减少 20 倍，续航里程从喷气燃料的 4000 公里降至电池的 20 0公里， 实际上相当于两小时的驾驶时间。为 3000 kWh 的电池充电， 如果按飞机高效运营中通常的 30 分钟周转时间来计算，将需要 6000 kW 即 6 MW 的功率， 这大约相当于 5000 户家庭的平均用电量。 .. [#] 一公吨是 1,000 kg，通常拼写为 tonne。这里，吨指的是公吨，仅比英制「短吨（short ton）」大 10%。 我们将以每公里千瓦时作为衡量交通效率的有用指标，并在最后（附录 D.3.7 节）进行汇总。 就航空旅行而言，200 公里需要 3000 千瓦时，即 15 千瓦时/公里。按每位乘客计算， 假设飞机上有 150 名乘客，则相当于每人每公里 0.1 千瓦时。 D.3.2 航运 ++++++++++++++++ 大型集装箱船在海面上航行，载着一摞摞的集装箱穿越漫长的远洋。 一艘在上海和洛杉矶之间运营的典型船舶航行 17,000 公里，载有 10,000 个 20 英尺 标准集装箱\ [#]_\ ，每个平均装载约 10 吨货物。因此，满载（最大）为 100,000 吨。\ [#]_ .. [#] TEU：20 英尺标准箱（ twenty-foot equivalent units） .. [#] 称为 DWT：载重吨位 在正常巡航速度下，船舶需要 10 天完成航程，每天消耗约 325 吨燃料。 足以替代 3,250 吨燃料的电池将是 20 倍重，即 65,000 吨，占用三分之二的货运能力， 并需要三倍的船数来运载同样的货物。因此 13,000,000 kWh 储能\ [#]_\ 用于航行 10,000 公里， 结果为 1,300 kWh/km。 .. [#] 即 48 GWh，需要一个 1 GW 的发电厂运行 48 小时来充电，考虑到不完美的充电效率， 可能需要更长时间。 远洋上没有充电站。即使是加油船/平台也必须从某处获得电能。因此，如果要电动化， 航运将发生根本性变化。电动船舶可能无法穿越远洋，而是紧贴散布着发电厂\ [#]_\ 的海岸线， 为船舶提供频繁且漫长的充电停靠。 .. [#] ……那它们从什么来源获取能量？……想象在偏远的阿留申群岛上的前哨站。 D.3.3 长途卡车 ++++++++++++++++++++ 公路上典型的大卡车燃油经济性约为 6 mpg（英里/加仑，40 L/100 km）， 而最符合空气动力学的车型可达 7 英里/加仑（34 L/100 km）。长途卡车有两个油箱， 每个大约容纳 150 加仑（570 L；425 kg）。因此，效率更高的卡车的续航里程约为 2,000 英里 （3,200 公里）\ [#]_\ 。货运能力约为 20 吨。 .. [#] ……不使用 100% 的容量以留出一些谨慎的余量 总燃料质量为 200 加仑乘以 2.85 千克/加仑\ [#]_\ ，即约 850 kg。 同样质量的电池可容纳 170 kWh，续航里程为 100 英里（160 公里；约 1 kWh/km）。 呃，需要大量充电停靠。 .. [#] ……密度，以不常见的单位表示；相当于约 0.85 kg/L 但是等等，卡车很大，对吧？肯定可以容纳更大的电池。与飞机不同，在飞机中重量很关键， 卡车可以承受更大的电池。一些货物空间可以用于储能，这是肯定的。但多大比例的空间是可以接受的呢？ 为了实现相当的续航里程，电池质量需要达到汽油质量的约 20 倍，即 17,000 千克。 天哪——最大货物载重约为 20 吨。这意味着电池将占用 85% 的货运能力，这似乎令人无法接受。 一个解决方案是使用更小的电池并增加充电停靠次数——可能的形式是由卡车运输公司拥有、 可在车队中互换的、用叉车装卸的预充电模块。否则，相当一部分时间将花费在充电上： 很可能比驾驶时间还要多。 将长途卡车运输电动化并非不可能\ [#]_\ ，但也不是没有重大挑战。它肯定不像化石燃料那样简单方便。 .. [#] 事实上，特斯拉提供了一款续航里程 500 英里的半挂卡车， 但关于其中的困难，请参见这篇缜密的分析：\ :cite:`c129`\ 。 D.3.4 公交车 +++++++++++++++++ 与货船和长途卡车一样，公共巴士大部分时间都在运行，有利于可以全天行驶、夜间充电的解决方案。考虑到停站和休息，典型公交车的平均速度约为 20 km/小时，每天运行 16 小时，日行程约为 320 公里。以平均燃油经济性 4.5 mpg（52 L/100 km）计算，每天需要约 250 L 或 200 kg 燃料——对油箱来说没问题。等效电池需要 2,000 kg（250 kWh；1.5 kWh/km），占据约三立方米的空间。尺寸本身不是问题：公交车顶部可以铺设一个 0.15 m 高的电池组，覆盖 2 m × 12 m 的区域。公交车通常重 12-18 吨，所以增加 1.5 吨电池并不致命。 因此，电动公交属于可行/实用的阵营。使它如此——与前面的例子不同——的是慢速行驶、适中的日行程以及夜间充电的能力。原始行程效率很低，为 1.5 kWh/km，但在平均 20 名乘客的情况下，这会降低到更体面的 0.04 kWh/km/人。 与货船和长途卡车一样，公交巴士大部分时间都在运行，因此更适合能够全天行驶、夜间充电的解决方案。 考虑到站点停靠和间歇休息，一辆典型巴士的平均时速约为 30 公里，每天运行 14 小时， 日续航里程约为 400 公里。按平均燃油经济性 3.5 英里/加仑（70升/100公里）计算， 每天需要约 300 升或 220 公斤燃料——这对油箱来说毫无问题。而等效的电池则需要重达 4,500 公斤 （900 kWh；2.3 kWh/km），占用约 3 立方米的空间。尺寸本身不是问题： 巴士车顶可以铺设一个高 0.15 m、覆盖 2 × 10 m 区域的电池组。巴士通常自重 10 至 15 吨， 因此增加 4.4 吨的电池并非致命问题。 因此，电动公交属于可行/实用的一类。它与之前案例不同的原因在于：行驶速度慢、行驶里程适中， 以及能够夜间充电。其原始续航效率较低，为 2.3 kWh/km，但按平均 10 名乘客计算， 人均续航效率可降至较为理想的 0.2 kWh/km。 对于夜间充电，一个运行 50 条线路且每条线路 8 辆巴士\ [#]_\ 的城市公交系统， 需要在 6 小时内以平均每辆巴士 150 kW\ [#]_\ 的速率为 400 辆巴士充电， 总需求为 60 MW——相当于约 60,000 户家庭的用电量。 .. [#] 一小时单程线路以 20 分钟间隔运行，需要在路线每个方向各 4 辆巴士在役。 .. [#] 900 kWh 容量，6 小时充满 D.3.5 乘用车 +++++++++++++++++++ 乘用车在某些用途上绝对是可行和实用的。通常达到 0.15-0.20 kWh/km，在美国， 汽车平均每年行驶 12,000 英里（平均约每天 50 km），至少需要 10 kWh 容量来满足日常驾驶， 但需要接近 100 kWh 才能匹配典型汽油车约 500 公里的续航里程。 以目前典型的每千瓦时 200-300 美元的成本计算，这样的电池费用为 20,000 到 30,000 美元， 还不算汽车本身\ [#]_\ 。最基本的家用充电器以 120 V 和 12 A 运行\ [#]_\ ， 相乘为 1,440 W。由于充电效率约为 80-90%，一个 100 kWh 的电池实际上需要接近 110-120 kWh 的输入。 将 115 kWh 除以 1.44 kW，得到 50 小时\ [#]_\ 的充电时间。 表 D.1 提供了这种情况和另外两种更高功率方案的类似细节。 .. [#] 因此，长续航电动汽车大概在此基础上翻倍。 .. [#] 满足 15 A 电路的 80% 安全限制。 .. [#] ……约 2.1 天！ 表 D.1 中间的一行对家用充电器和停车场充电站最为典型，有效充电速度约为每小时 10 英里， 或 16 km/hr。这是表征充电时间的一种便捷方式。要充进足够的电来满足平均每天 30 英里或 50 公里， 典型情况大约需要 3 小时，高功率充电只需一个多小时。 .. csv-table:: **表 D.1:** 在三种不同家用电力选项下为 100 kWh 电池充电的近似充电时间和等效速度（以每小时英里数和每小时公里数表示）。这样的电池提供约 300 英里或 500 公里的续航里程。 :name: tabD.1 :class: booktabs :header: 电压 (V),电流 (A),电路要求,kW,小时,mi/hr,km/hr 120,12,15 A,1.8,50,3,5 240,30,30 A,7.2,10,30,48 240,50,50 A,12, 6, 50,8 现在设想一次长公 路旅行，以 100 km/hr 的速度行驶。即使是表 D.1 中最快的充电速率\ [#]_\ 也比行驶时间慢 2.5 倍。每行驶 400 公里需要开 4 小时车，再加上 10 小时充电， 平均速率为 28 km/hr\ [#]_\ ，或 18 mi/hr。 .. [#] ……这远高于典型的停车场充电桩，后者更接近中间行 .. [#] ……14 小时内行驶 400 公里 专用快充站可以提供惊人的 250 kW 功率\ [#]_\ ，大幅缩短充电时间。 但这是社区规模的能源输送，家庭不能指望自己安装。快充时电池的温升也需要考虑。 如果充电效率为 90%，另外 10% 转化为电池中的热。每千瓦时电池容量有约 5-10 kg 的质量， 在充电时接收 0.1 kWh（360 kJ）的热能。在约 1,000 J/kg/°C 的比热容下， 360 kJ 的热量使电池单元的温度升高 36-72°C，具体则取决于能量密度\ [#]_\ 。 这不是一个小的温升（在温暖的日子可达沸点温度），并可能导致电池寿命缩短。 .. [#] ……相当于 200 户家庭 .. [#] ……更高能量密度（更好）的电池由于每单位注入能量需要加热的质量更少，将经历更大的温升 所以电动汽车并不是今天公路上行驶的汽油发动机的简单替代品，后者实际上以约 10 MW\ [#]_\ 的速率加油，因为能量极度密集的液体可以快速输送。在性能和便利性方面， 很难将电池描述为优越的替代品。但它们在给予充足充电时间（例如一整晚）的情况下， 完全可以适合本地出行。而从长远来看，我们似乎别无选择。 .. [#] ……相当于 10,000 户家庭或一个中型大学校园的用电功率 尽管如此，有几件事仍然不清楚： 1. 大规模拥有电动汽车是否会变得可负担，还是仍然成本高昂？电池价格肯定会下降，但够吗？ 2. 如果普及，住宅区将如何应对在热门充电时段电力需求的巨大增长？ 3. 夜间充电如何利用太阳能？ 4. 是否有足够的人愿意放弃长距离行驶能力？双系统汽车（如插电式混合动力车）是否会更受青睐， 以维持偶尔长途旅行时的燃油能力？ 5. 人们是否会对昂贵的电池衰减和更换感到不满？ 电动汽车在交通中的份额正在增长，而且毫无疑问会继续增长。 现在判断它们是否能够在中期内取代化石燃料汽车还为时过早。如果不能， 个人交通可能会随着化石燃料不可避免的减少而衰落。 D.3.6 有轨系统 ++++++++++++++++++++ 为了完成电动化交通从最难到最易的递进序列，我们最后可以忽略困难的那部分：电池。 在规定路线上行驶的车辆（火车、公交车）可以利用电线：要么是架空的，要么是嵌入地面的「第三轨」。 大多数轻轨系统使用这种方式，一些城市在街道上方为无轨电车架设电线。 高速列车也倾向于通过架空线路进行电力驱动。 有线电力交通相对于本附录中讨论的其他交通形式，在实施方面更具便利性\ [#]_\ ， 这也恰好再次强调了，储能在很大程度上是关键的瓶颈。 .. [#] 有线电动交通一个多世纪以来一直是交通系统的稳定贡献者。 D.3.7 效率汇总 ++++++++++++++++++++ 前面各小节中，每种交通方式都估算了效率，以每千米千瓦时表示。毫不奇怪，质量和速度起着作用， 让集装箱船很难推进，其次是飞机。在某些情况下，以人均或每吨来表示更有意义， 显示受益者的能量份额分配。表 D.2 总结各类交通形式，有些区分了客运和货运， 这样可以更有效的比较。请注意，航空旅行看起来还不错，但要意识到航空旅行的距离通常相当大， 使得航空旅行的总能量支出相当可观。 .. csv-table:: **表 D.2:** 各种交通方式的能量需求（数值越低越高效）。总能量是距离乘以 kWh/km 的值。载荷按情况以每人或每吨表示。人均/吨效率取决于乘员，以每人每千米千瓦时表示。虽然卡车的 kWh/km 值远优于船舶，但船舶按吨计算效率约为卡车的四倍，运载量则是 5,000 倍。空运的能耗是海运的 100 倍！ :name: tabD.2 :class: booktabs :header: 交通形式,客/货,kWh/km,载荷,kWh/km/单位 船舶,货运, 1300, 100 千吨, ~0.01/吨 飞机,客运, 15, 150 人, 0.1/人 ,货运,, 15 吨, 1/吨 公交,客运, 2.3 , 10 人, ~0.2/人 ,客运,, 30 人, ~0.07/人 卡车,货运, ~1, 20 吨, 0.05/吨 小汽,客运,0.18,1 人,~0.18/人 ,客运,, 2 人, ~0.09/人 D.4 推开月亮 ------------------- 某些替代能源形式在\ :ref:`表 10.1` 中标有星号，表明它们在技术上是不可再生的， 但会持续很长时间，因此可以被认为是可再生的。 潮汐能在\ :ref:`第 16.2 节<16.2 潮汐>`\ 中讨论过，老实说它不值得太多关注。文中顺带提到， 大量使用潮汐能有可能将月球推离地球，提供了我们可能「用尽」这种资源的机制。 好奇的学生要求进一步解释。虽然这没有任何实际的可能性，但其中的物理学足够有趣，至少可以放在附录里。 .. figure:: ../images/figD-1.png :name: figD.1 :figclass: margin-caption **图 D.1：** 月球对地球近侧的拉力更强，对远侧的拉力较弱。相对于地球整体（居中）， 近侧朝月球方向前进，远侧落后于地球其余部分，在两侧产生一个朝向月球的隆起。 注意按比例绘制的话，会将月球画到页面之外。 第一步是认识到地球和月球各自通过引力互相拉扯\ [#]_\ 。 由于引力强度与物体之间距离的平方成反比递减，地球最靠近月球的一侧比地球中心受到更强的拉力， 而远离月球的一侧受到的拉力较弱。结果是地球被拉伸出一个隆起——主要表现在海洋中（图 D.1）。 .. [#] 事实上，根据牛顿第三定律，拉力相等。 .. figure:: ../images/figD-2.png :name: figD.2 :figclass: margin-caption **图 D.2：** 地球及其大陆在潮汐隆起「下方」的旋转产生了摩擦或拖拽， 将隆起拉动几度（此处略有夸大），使其不再直指月球。 第二步是理解地球在月球「下方」旋转，因此指向月球的隆起相对于陆地来说，并非固定不动\ [#]_\ 。 陆地和水之间的摩擦「拖拽」隆起，非常轻微地将隆起旋转到月球位置前方一点\ [#]_\ （图 D.2）。 .. [#] 这就是为什么我们每天经历两次涨潮和两次退潮，地球在对向的隆起下方旋转， 因此表面上的某个地点大约每 12 小时经过一次隆起（涨潮）。 .. [#] 角度偏移约为 1-2 度。 .. figure:: ../images/figD-3.png :name: figD.3 :figclass: margin-caption **图 D.3：** 月球受到的引力，地球就像一个中央大质量和两个偏离连线的隆起质量。 较近的质量比较远的产生更强的拉力，所以所有力矢量（未按比例）的叠加导致了微小的不对称， 留下一个与月球轨道速度方向相同、较小的侧向分量（本图中为向上）。 现在想想月球如何受地球引力影响。主要来自一个球形地球，但也有前面一个稍微偏移的隆起， 以及背面另一个反方向偏移的隆起（图 D.3）。虽然隆起质量相等，但较近的一个具有更大的引力影响， 并起到在轨道上稍微向前拉月球的作用，使其加速。\ [#]_ .. [#] 可以把隆起想象成挂在马前面的胡萝卜，鼓励它前进。 沿轨道加速一个轨道物体会向其添加能量，使物体能够「爬」到离中心体更远的地方。 所以地球上这个偏移的潮汐隆起正在向前推月球，导致它以每年约 3.8 cm 的速度远离地球。 这是其轨道半径的一百亿分之一，所以它确实不会在很长时间内消失。\ [#]_\ .. [#] 但是全日食将在几亿年后不再发生，因为月球将更远，变得太小而无法完全遮住太阳。 .. figure:: ../images/figD-4.png :name: figD.4 :figclass: margin-caption **图 D.4：** 如果我们建造一些不可思议的、全球规模的潮汐捕获结构，大小如同海洋， 让它们排水约六小时，我们创造的人工隆起将随地球旋转走得更远，增强侧向「推力」， 让月球以更快的速率远离地球。 如果我们大规模地建造全球尺度的机构（图 D.4）来捕获潮汐能\ [#]_\ ， 我们将有效地增加潮汐隆起的滞后角度。这是因为，我们会每隔数小时释放捕获的水\ [#]_\ ， 让这堆水绕行星旋转，比自然情况走得还远。这样向前的引力拉扯效应将增加，月球离开速度将加快。 如果我们设法从潮汐中提取 18 TW\ [#]_\ ，这将比目前 3 TW 的潮汐耗散能量大六倍， 可以预期月球离开速度将增加到每年约 23 cm。 .. [#] 别指望这会发生：这是一个真正荒谬的想法，被一系列实际问题所困扰，而且收益如此之小。 .. [#] ……就像涨潮到下一个低潮-涨潮周期之间约 6 小时 .. [#] ……我们目前的能源规模。但不可行，仅用于说明 这速率仍然十分缓慢，不会在几亿年内把月球推走。所以严格来说，潮汐能是一种一次性资源， 使用它会削弱其长期容量\ [#]_\ 。但时间尺度如此地漫长，我们不妨把潮汐能看作是取之不尽的。 .. [#] 这就是为什么它不是严格可再生的 D.5 人类的长远视角 --------------------------- 第 8.1 节以宏大的视角审视了人类的时间线，透过它可以理解化石燃料带来的巨大能源效益， 在历史长河上是何其短暂。本节将以略有不同的方式重新审视，并反思人类遥远的未来。 D.5.1 成功与失败 +++++++++++++++++++++++++ 我们首先注意到，人类文明大约有 10,000 年的历史，取整到最近的数量级\ [#]_\ 。那么考虑这个问题： 人类文明仍然处于婴儿期，还是我们更接近终点而非起点？ .. [#] 这大致标志着农业的开始，无论如何都远比相邻的数量级 1,000 年或 100,000 年更接近真实情况。 哇。沉重的问题。当然，我们不知道答案，但我们大多数人更愿意相信前者——我们才刚刚开始。 那么让我们顺着这个思路，探索其后果。 为了让人类文明处于婴儿期，它至少还要持续 10,000 年，如果不是更长的话。 我们从现在起 10,000 年后仍然「成功」运行意味着什么？ 物理和数学方法确实可以让我们知道约束条件！ 这里的讨论仅限于在地球上生活。第 4 章阐述了为什么想象一个太空航行的未来可能是错误的。 但即使忽略这些论点，第 1 章也说明了人类的增长雄心将在远没到 10,000 年后就终止。 在此背景下，最直接的做法是集中精力探讨在地球本身取得成功需要什么。\ [#]_ .. [#] 即使扩展到其他行星，同样的逻辑也适用。 如果我们设法将文明带入遥远的未来\ [#]_\ ，我们可以安心地称之为\ **成功**\ 。 如果我们没有，那么就是\ **失败**\ 。我们能勾勒出成功是什么样子吗？ 一个容易的方法是开始列举那些不能带入遥远未来的东西。 .. [#] 一个可供区分的标准可能是，迄今获得的知识和历史都无间断的保存下来， 没有某种迫使我们从头开始的末日崩溃——更不要说那种让我们没有机会重来的末日了。 1. 化石燃料不会为文明提供动力：最初遗产的很大一部分在短短 300 年内就被消耗殆尽\ [#]_\ ， 所以在 10,000 年后的未来，可以肯定地说它们早已消失。 .. [#] ……大部分在过去 100 年中 2. 森林、渔业、淡水或物种种群等自然资源，每年都稳定减少是不可接受的。 允许任何组成部分下降将意味着最终失去该资源，而它可能对我们的生存至关重要。 3. 人口不能增长。即使很小的增长率也会加大对自然资源的压力，而地球长期只能支撑这么多。 无论「正确」的数字是多少\ [#]_\ ，一旦稳定下来，我们将无法在不危及来之不易的成功的情况下， 将其上调。 .. [#] ……不太可能高达 100 亿，根据生活水平甚至可能远低于 10 亿 4. 即使在人口稳定的情况下，任何人均资源使用量的增加也会导致不适应。总的来说， 增长就会走进死胡同。 5. 从地球上开采矿物不会以接近目前的速度继续。在过去几百年中， 铜、金、铝等最佳矿床已经被发现和开采。即使到目前为止只消耗了可获得资源的 10%\ [#]_\ ， 也不能指望持续数万年。 .. [#] 这是作者的推测，可能更高 6. 最终，任何消耗有限自然资源的活动，如果其开采率相对于初始资源丰富程度是中等或较高的， 都不可能维持。任何无法持续超过 10,000 年的活动都不是可行的长期解决方案， 如果「成功」是目标，就不应该被开发。同样，如果要避免失败的话， 任何（甚至在如此漫长的时间尺度上）可能积累到危险水平的污染物，也不能被容忍。 7. 我们可以使用 70 法则计算，对于任何影响资源的活动，加倍时间（或在枯竭情况下的减半时间） 短于 10,000 年，都是不可行的，这意味着必须将增长率或枯竭率控制在每年 0.007% 以下， 这基本上就是零增长。 很明显，长期\ **成功**\ 实际上与\ **可持续**\ 这个词同义。 任何不是长期可持续的做法\ [#]_\ 都将无法继续。因此，如果我们追求成功， 就不能依赖任何不可持续的资源。 .. [#] 今天任何不为最终成功（真正的可持续性）做出贡献的活动， 很可能只是在为失败做贡献。令人担忧的是，大多数活动都属于此。 D.5.2 可持续的生活 ++++++++++++++++++++++ 想象一下，你在床垫下藏了 $100,000，并且你想出了如何靠每年 $20,000 生活的方法。 你可以决定靠这笔基金生活 5 年，然后再想办法继续下去。也许这不是最明智的做法。 更聪明的做法是弄清楚你预计还能活多久——也许是 50 年——并重新分配这笔基金，每年允许花 $2,000。 你仍然需要一份年收入 $18,000 的工作来达到 $20,000 的年度目标。 也许最聪明的做法是完全忽略床垫下的钱，找一份每年 $20,000 的工作\ [#]_\ 。 现在你有了安全保障，如果需要可以使用，甚至可以传给下一代，他们也会被教导不要动用它， 而是靠年收入生存。 .. [#] ……与每年 $18,000 没有太大差别，如果你已经走到这一步，为什么不呢？ 这个类比很明确了，也许同样明晰的是为什么不考虑利息，因为地球上的许多资源是一次性的馈赠， 不会自行增长\ [#]_\ 。如果我们的文明成功地不间断地存活了 10,000 年， 那必然是因为，我们想出了如何靠地球大自然可再生资源提供的\ **年收入**\ 生活\ [#]_\ ， 而不是靠不会再补充的、资源有限的遗产。换句话说， 人类需要学会避免对一次性资源（遗产）的任何依赖。 .. [#] 利息是一种人造概念，通过加速资源使用来实现。 .. [#] 例如，年收入可以是太阳能以及一年中生长的生物质。 因此，成功意味着人类是自然的一部分，而不是独立于自然之外。除此以外都将导致失败。 我们离自然越近，就越可能成功。 自然准备了一个经受住时间考验的生物圈。自然选择消除了不可行的解决方案， 并创造了一个稳定、巧妙平衡的相互依赖关系。现代人类文明的要素—— 我们的城市、农业实践、化石燃料依赖——没有经受过时间的考验，也不可能经得起。 哪个系统更明智地押注于长期生存：适应良好的自然世界，还是人类建立和运营了几十年的、 不顾可持续原则的人工世界？答案似乎很明显。 D.5.3 该长大了 ++++++++++++++++++++++ 在某种意义上，人类正在经历一个尴尬的青春期：成长突增，工厂（青春痘）遍布， 一种我们拥有所有答案的态度——大人\ [#]_\ 不可能理解或告诉我们该做什么。相反， 大自然是成熟的\ [#]_\ 。如果忽略最近的人类影响，大自然已经锻造了复杂的、 不完美但实用的相互依存关系，并已安定在一种类似于稳态的状态。 新来的青春期少年可能极具破坏性和毁灭性，除非他们改变自己的方式， 否则人类文明将径直驶入失败的深渊。青春期少年缺乏建造持久系统的智慧， 无法享有与自然长期共存的特权。 .. [#] ……在这种情况下是指假设中成功度过青春期的智慧人类 .. [#] 注意这两个词的相似性（nature is mature）！ 在人类社会中，大多数青少年最终成为学会量入为出的成年人。有时这涉及牺牲， 或者是选择基于营养和健康的饮食，而不是最美味的东西\ [#]_\ 。同样， 人类需要为其活动定义一个适合自然补充能力的尺度，以便后代不会被剥夺前代人享受的资源。 目前，文明\ **远未达到**\ 这一运行原则。 .. [#] ……放弃晚餐吃冰淇淋的计划 D.5.4 评估框架 +++++++++++++++++++ 人类需要制定一个框架来评估其活动，询问每项活动是有助于还是有损于人类的最终成功。 有时这可能会产生令人震惊的结果。例如，考察一下治愈癌症或延长人类寿命的技术进步。 这种看似积极的技术发展，只有在较小的人口规模，或较低的人均资源利用率的情况下， 才能建立稳定平衡。否则，如果人均资源利用率不变，而更多人活得更长，对地球资源的总需求就会上升。 在一个成功的世界中，任何新活动都必须首先证明，它如何适应可持续框架。 忽视这个问题将不负责任地危及整体、长期的人类幸福。\ [#]_ .. [#] 在这种情况下，结果可能最终变成只有更少的人活得更长。 在某种程度上，人类需要认识到，成功意味着不仅是自身的繁荣，还包括地球上所有珍贵的、 不可替代的物种和生态系统的繁荣。没有它们，人类无论如何也无法成功。 这是成熟的另一个方面：许多青春期少年难以考虑其行为对自身以外其它人的影响。 人类需要认识到，伤害地球的任何组成部分就是伤害人类自身，长期来看就是如此。 我们的法律制度赋予人类权利，但不会给予植物、动物甚至我们星球非生命特征任何代理权（agency）。 一个成功的未来必须为我们世界的每个要素发声，否则我们将践踏它并追悔莫及。 我们能做到吗？人类能否创建制度和不受腐蚀的全球权威，来监管整个生物圈—— 或者至少是人类与生物圈的接口——以防止对其他部分不可持续的破坏？ 人性是否与这样的方案兼容？我们是否有纪律为了整体利益而放弃自己容易获取的资源？ 个人对「更多」的渴望可能总是破坏可持续的做法。个人寿命与人类成功的必要长期考量相比， 是如此短暂，以至于让每一代人都普遍接受看似人为的限制，将非常困难。同样不清楚的是， 是否有可能在依靠地球可再生资源生活的同时，维持一个保存知识和历史的技术社会。 我们根本没有那种生存模式的先例指导。 因此，技术社会是否与地球极限兼容，仍是一个开放问题。现代人类是否只是一个转瞬即逝的阶段， 其创造物将在地质时间尺度的瞬间化为废墟，还是我们能在某种非原始状态下坚持下来？ 我们仍然没有任何证据\ [#]_\ 支持任何一方。目前表面上的成功，不能被视为有意义的概念验证， 因为它是在极短的时间内，以消耗有限资源为代价取得的：一场由庞大的一次性遗产资助的奢华派对。 余波才刚刚开始显现。 .. [#] 见 :ref:`18.4 节<18.4 费米悖论的解释？>`\ 关于费米悖论的讨论，宇宙中缺乏成功的迹象， 这是一个令人担忧的、尽管不是结论性的证据。 我们面临一个选择：朝成功努力——希望并假设这确实是可能的；或者默认失败。 如果我们不够明智，难以判断长期成功是否可能，那么负责任的行动就是假设我们能够成功， 并尽我们所能，最大化到达那里的机会。我们什么时候应该开始？同样——在不知情的情况下——越早开始， 我们就越可能成功。任何延迟都是另一种将我们自己推向更可能失败的方式。 D.6 太聪明以至于不能成功？ --------------------------------- 本节配合 D.5 节，从略微不同的角度看待未来成功的前景。 演化通过随机实验逐步进行：突变要么赋予生物体优势，要么带来劣势。 优势会被自然选择传播到后代\ [#]_\ ，而劣势则通过受影响个体在资源和配偶竞争中的失败而被淘汰。 演化是缓慢的，很难从一代到下一代觉察到。当河马的共同祖先演化成鲸鱼时， 鼻子并不是突然从脸上消失，变成后脑勺上的气孔，而是经历了一条曲折漫长的适应路线， 才变成现在的构造。 .. [#] 毕竟，这些优势让生存和繁殖更有可能。 智力赋予生物体明显的优势\ [#]_\ ，能够「智胜」竞争以寻找资源、规避危险和适应新情况。 它在投入更大 brain 的能量资源方面也有一些成本。但动物界多个物种已经利用了"聪明"生态位：章鱼、渡鸦、海豚和猿类等。实验揭示了这些物种解决新奇脑力难题以获取食物的能力。 .. [#] 智力并不是唯一的优势，很容易败给利爪利齿，甚至无脑的微观威胁： 自然设计了许多「赢」的方式。 像其他属性一样，智力不会突然出现，而是逐步改善。人类有理由自认为地球上迄今为止最智慧的存在。 而问题就在这里。第一个聪明到足以开发化石燃料的物种会肆无忌惮地这样做。 演化没有跳过步骤来创造一个更智慧的生物，尽管我们物种名称中的 sapiens\ [#]_ 意为智慧的。 一个智慧的生物会及早认识到肆意使用化石燃料\ [#]_\ 固有的损害，并会克制对其不加限制的开采。 .. [#] ……充满奉承的自我标榜 .. [#] 气候变化只是一方面，更大的问题是整个文明依赖有限的资源，同时还让自然生态系统广泛退化， 看起来像是业余新手的失误。 不妨再换个角度。第一个认为自己能够超越自然的物种将会大吃一惊。地球演化的生命之网是愚笨的， 它没有任何智力。但它凭借数十亿年经过考验的成功，存在于这个宇宙中。 沿途所有不可行的随机实验都被淘汰了。今天我们身边绝大多数物种都已经通过了长期存续的验证。 现代人类——那些已经超越了狩猎采集生活方式的人——在演化意义上代表了一个极其短暂的实验。 对于过去几个世纪的化石燃料时代尤其如此。宣布胜利还为时过早。 文明是否与自然和地球极限兼容，陪审团还没有做出裁决，正如 D.5 节所探讨的。 演化不会避免失误。事实上，它正是建立在那些少数失误之上的，并从中获得了其强大的力量， 这些失误以某种方式规避了更可能的失败结果，并在错误中找到了优势\ [#]_\ 。 也许人类是那些更典型的演化失误之一，终将淘汰，这种情况经常发生。 我们在这里，并且聪明，这些事实并不意味着我们有长期成功的机会。 反而是人类具有能力，对全球造成各种不利影响，表明成功远非板上钉钉。 .. [#] 突变是随机错误，而有些确实出人意料地证明是有利的， 可以说生命是一大堆未能产生预期坏结果的错误，从失败的虎口中夺得了成功。 似乎相当清楚的是，以狩猎采集为生的人类本可以在这个星球上几乎无限地延续下去。而且， 狩猎采集的智人的大脑与现代人类的大脑并无区别。因此，如果继续在自然生态系统内部、 作为其一部分运作，智力本身并不足以将我们推向生存危机的边缘。但是， 一旦这种智力被用于创造不再遵循自然之道的人工环境\ [#]_\ —— 一旦我们试图「智胜」自然、自己制定规则——我们就面临着严重的风险，因为自然和进化将不再保护我们。 换句话说，一个完全生活在其自身被进化压力所塑造的关系网络中的物种，是立于坚实之地的：它适应良好， 经得起时间的考验，很可能获得成功。\ [#]_\ .. [#] ……例如农业、城市 .. [#] 由于演化是缓慢的，任何物种都有相当长的成功历史记录。 一旦我们与自然分道扬镳，创造我们自己的现实——我们自己的规则——生存就不再那么有保障了。 即使是 10,000 年也不足以证明这个概念，而人类演化运作在更长的时间尺度上。 对于化石燃料世界尤其如此，它仅仅存在了几个世纪。自然会在我们的命运展开时耐心等待。 这种情况类似于在月球表面建立栖息地：一个人造环境，在一个原本致命的环境中为我们的生存提供补给。 建造栖息地时可获得的资源并不是由月球环境持续提供的，就像化石燃料、 开采资源和森林在我们消耗它们时不是持续重新供应的\ [#]_。 仅仅因为栖息地可以被建造并不意味着它可以无限期地维护。同样， 我们今天所知的世界——与自然准备的任何东西截然不同——可能是一个一次性的事物， 最终证明在长期是不可持续的。 .. [#] 森林可以重新生长，但速度不及目前被破坏的速度。 既然演化是渐进的，我们不能期望已经被造就得足够智慧，以避免仅仅是足够聪明去开发行星资源的陷阱。 而且演化是缓慢的，智慧似乎不太可能足够快地演化以打断我们毁灭性的购物狂欢。 我们也许有可能\ [#]_\ ，运用我们的智慧，采纳全球价值观和规则，以确保可持续的生存， 可能大多数聪明人假设我们能做到。也许吧。但在集体中生活是困难的。 智慧可能存在于少数个体中，但要让所有人都转向开明的、细致入微的、 比重视自己和当下更重视自然和遥远的未来，似乎有些勉强。 .. [#] 我们的希望就在这里，也是撰写本书的根本动机。第一步是充分认识前方挑战的严峻性。 总结一下我们的问题： 人类是否有能力，面对摆满零食且随手可得的货架，却能世世代代管住自己不去动它们？ 我们是否有足够的自律，去珍视一个遥远而未知的未来，胜过珍视我们自己和我们所处的时代？ 那些成功的非人类物种从来不需要回答这个问题，但在我们出现之前， 也没有任何一个物种聪明到能够从未来那里窃取所有好处，并在此过程中危及自身的成功。\ [#]_ .. [#] 这里的成功意味着文明存续。但以一种更原始、更自然的状态生存，要容易得多，也更有可能。 D.6.1 演化最大的失误？ ++++++++++++++++++++++++++++ 本节作为简短的补充，将演化描述为一部「犯错机器」—— 它有时会偶然产生在功能上有利的渐进改进。无数的物种以无法长期存活的方式适应环境， 然后灭绝。因此，那些「失误」不过是无关紧要的失败实验。演化对失败漠不关心， 因为它是一种机制，而不是一个有意识的实体。 但大多数时候，这些失败是孤立的，对更广阔的世界影响甚微。有谁注意到三斑树皮蛞蝓\ [#]_\ 消失了？ 如果人类物种最终不过是演化史上的另一个失败实验——它创造出了一个聪明到无法安守在自然轨道内的生物—— 那它是否只是又一个无关紧要的失误？ .. [#] ……完全是编造的 不幸的是，如果这个失败的物种在自身失败的过程中引发了一场大规模灭绝， 那它可能就是一个代价相当高昂的失误。通过改变地球的气候和栖息地， 我们已经导致或危及了许多物种的生存，而且远未结束。大规模灭绝在历史上发生过多次， 但很少是由于演化的失误造成的。而我们或许还能让自己「脱颖而出」！ 诚然，大约 25 亿年前，蓝藻通过向大气中注入氧气，改变了地球的气候。 这一事件被称为“大氧化事件”，引发了地球上已知的第一次大灭绝， 毒死了当时存在的简单厌氧生命形式。但我们不会认为这是一场彻头彻尾的灾难， 因为它为今天我们所见的丰富多彩的多细胞生命\ [#]_\ 铺平了道路。所以说是偶然？是的。 是失误？可以。是灾难？总体来看，并不算。\ [#]_\ .. [#] 虽然这个过程花了超过十亿年才实现，这并不是一蹴而就的回报。 .. [#] 厌氧生命恐怕不会赞同，但我们如今何曾在意过它们的意见？无论如何， 其结果是惊人的生物多样性，而这或许最终能成为衡量这个世界价值的一个不错的标准。 最近一次大灭绝发生在 6500 万年前，由小行星撞击导致； 而在此之前两次大灭绝似乎与火山活动有关。再往前的两次情况则较为复杂： 第一次似乎由地质过程引发，第二次则与气候变化有关，而那次气候变化很可能又与陆生植物的多样化相关。 再往前就是更早的蓝藻氧化事件了——也就这些了。五次大灭绝中，只有一次很可能归因于演化本身—— 而且那一次并不是单一物种的过错。 人类引发的大灭绝或许能为全新的生命形式开辟道路。但在演化早期阶段开辟新天地要容易得多。 如今看来，人类诱导的大灭绝不太可能释放出前所未有的、绚丽的演化多样性。那样一来， 剩下的就只有负面影响，以及一种可耻的标签——成为演化史上（如果演化也有遗憾的话）最令其遗憾的物种。 拜托，拜托，拜托——别让这种悲剧的命运成为现实！