被能源限制的农耕时代

青海省共和县境内有个奇怪的电梯，一共9层，每层的按钮旁边都刻意标出了海拔数字，从底层的2443米一直升高到顶层的2610米，每层升高10～30米不等。原来这是黄河上游首座大型梯级电站龙羊峡水电站的内部电梯，负责把电站员工从位于坝底的水轮机房一直送到坝顶的公路出口。

龙羊峡水电站人称“龙头”，因为这是万里黄河的第一坝。黄河是中华民族的母亲河，富含养分的河水把黄河两岸变成了优质农田，养活了龙的传人。龙羊峡大坝把这条龙拦腰斩断，硬生生地把河水抬高了160多米。大坝上游8.67万亩耕地和6.9万亩草地被淹，变成了一座总面积高达380平方公里的人造水库。每年都有大约200亿立方米的黄河水通过坝底的4台单机容量32万千瓦的水力发电机组流向下游，顺便为西北电网提供大约60亿千瓦时的电力。

这座大坝于1976年正式开工建设，直到1989年四台机组才完全建成投产。其中1987年12月4日并网发电的2号机组标志着中国电力总装机首次突破了一亿千瓦。这是一个极具象征意义的事件，它标志着中国老百姓最迫切的需求已经从粮食变成了能源，中国的经济也正是从那个时间点开始了腾飞。

说起来，食物也是能源的一种。生命的存在与进化，每时每刻都离不开能源的支持。事实上，自然选择的核心标准就是看哪个物种能够以最高的效率从环境中获取能量，人类祖先正是因为学会了用火，在能量获取效率方面取得了巨大的优势，这才得以称霸全球的。

火是一种自然现象，本质上就是化学能的一次高效释放，产生的热能可以用来为物体加热。人类学会了用火烧饭，不但让食物变得更容易消化，而且还可以顺便为食物杀菌消毒，这就极大地扩展了人类食物的获取范围和营养吸收效率，这是人类称霸非洲的第一步。

之后，人类又学会了用火产生的高温加工原材料，制成了砖瓦、陶器、瓷器、玻璃和金属制品等自然界没有的新型原材料，于是人类有了容器、武器、房屋和运输工具，这就进一步提高了人类获取能源的效率，日常生活也变得越来越舒适了。

新材料的发明帮助人类学会了利用风能和水流的势能，将其转变为机械能，用来碾磨谷物、提水灌溉和远洋航行。在此之前，人类和其他动物一样，都只能依靠肌肉的力量来做这些事情。这方面人类的天赋其实相当差劲，甚至连猴子都不如。

火还能发光，为人类提供照明。光也是一种能源形式，地球上几乎所有的生物本质上都是依靠从太阳光获得的能量而生活的。但太阳光在夜晚就消失了，只有人类学会了用火照明，从而可以充分利用晚上的时间，工作效率大涨。夜晚的篝火也为人类祖先们提供了一个相互交流学习的场所，人类的智慧正是在这种交流中逐渐提高的。从这个意义上说，火所提供的光能甚至比热能和机械能更为重要。

当然了，对人类竞争力提升最大的无疑是农业和畜牧业的发明。其中农业的出现大幅度提高了人类获取食物的效率，因为全球植物的平均光合作用效率仅为0.3%，而经过人类培育后的高产农作物的光合作用效率最高可以达到5%。畜牧业则除了保障人类的蛋白质供应之外，还极大地提升了人类做功的效率。比如一匹马可以轻松完成的工作需要10个成年人才能做成，所以那些善于用马的民族更有可能在竞争中胜出，成为一个地区的王者，成吉思汗时代的蒙古就是如此。西班牙殖民者之所以能够轻松战胜人数比自己多数十倍的印第安武士，也和他们拥有战马有很大关系。

战马在战争年代虽然很有用，但在和平年代却经常被牛替代。牛的速度比马慢得多，做功效率只有马的一半，寿命也比马短5～10年，看似不是个好选择，但牛是反刍动物，可以消化普通草料，无需跟人争食，这一优势让牛比马更受农民们的欢迎，毕竟耕地不需要速度，但粮食却是非常宝贵的资源。

事实上，人类社会的很多特征都可以从能源的角度加以解释。比如，在农业时代结束之前，人口总数超过1000万的超级城市是不可能存在的，因为城里人烧饭取暖都需要能源，而在工业革命之前这部分能源基本上只能从城市周围的森林中获取。干柴的能量密度不算太低，但树木的生长速度十分缓慢，因此一座城市的能源需求至少需要50～150倍的森林面积来支撑。城市所在的纬度越高，所需的森林面积就越大。古代交通不便，森林面积不可能比城市大太多，所以古代社会不可能出现超级大城市。这不是因为政治原因，也不是因为粮食不够吃，而是因为城市居民的能源需求无法满足。

古人很少出门旅行，原因同样是能源的限制。陆上旅行虽然可以骑马，但人吃马喂需要太多的粮食，很难事先备足。海上长途旅行只能靠季风，无论是时间还是航路都严重受限。当年西班牙人在墨西哥和菲律宾之间航行了250年，却一直没能发现夏威夷，就是因为他们从来不敢偏离航线半步，否则就无法活着抵达目的地。

古代人类社会的贫富差距远比今天要小得多，道理是一样的。人类在整个农业时代的能源需求大都需要依靠生物能源来解决，后者只能从土壤里一点一点地长出来，这一点决定了古代的人均能源消耗相差不大，穷人和富人的生活水平也就不可能相差太多。

总之，人类的生活水平是和能源消耗成正比的，极少例外。正因为如此，当一个吃饱了饭的人想要继续追求幸福生活时，他一定会从寻找新的能源入手。于是，工业时代开始了。

第一种超级能源——煤

在荒蛮的古代，一个人想要致富，除了好好劳动之外还有一个办法，那就是去抢。当武力抢夺的规模逐渐上升到城邦甚至国家层面时，其结果就是战争。

战争需要军队，军队需要大量武器，于是铁成了刚需。铁矿石是地球上最丰富的矿产之一，但炼铁需要烧炭，即把木材通过高温处理后变成纯碳，以此来提高燃烧的温度。这个过程需要消耗大量木材，而古代战车战舰的制造也需要大量木材，于是森林就遭了殃。无数历史事实证明，森林是古代社会文明发展的“短板”（Limiting Factor）。从冰岛到复活节岛，从波斯帝国到古罗马帝国，很多文明的衰落都和森林的消失直接相关。

作为远离欧洲本土的岛国，英国的发展速度一直落后于欧洲大陆，因此也就侥幸地保留下来很多森林，这就为英国的后来居上提供了坚实的物质基础。伦敦南边的威尔德（Weald）地区因为多山，不适合耕种，保留了一大片优质森林，是中世纪英国的炼铁中心。英国军队正是利用这里丰富的森林资源，制造出了大批枪炮弹药，终于有了向欧洲老大哥叫板的实力。比如，英国海军击败西班牙无敌舰队时所用的船和枪炮大都来自威尔德的军工厂，那场战役让英国取代了西班牙，成为新的海上霸主。而另一场著名海战特拉法加海战的英军指挥官纳尔逊中将乘坐的“胜利号”战舰在制造过程中消耗了6000棵大树，至少有600亩的英国森林因此而消失。

除了军事用途之外，建筑业、玻璃制造业、酿酒行业和制盐业等行业也都需要利用木材来提供能量和原材料，于是英国的森林面积迅速下降。当时的英国政府曾经试图通过行政命令的手段来减缓森林面积的下滑，可惜收效甚微。

最终拯救英国森林的，就是如今被称为“天底下最肮脏的能源”的煤。

英国和中国一样盛产煤矿，但英国的煤质量不好，硫的含量高，烧起来呛人，所以一直没人愿意用。即使后来英国人意识到岛上的森林已经快砍光了，大家也不愿烧煤，因为森林毕竟还没有全用光，总还剩下那么一点点。这个案例充分说明，要想依靠民众的觉悟来保护环境是很不可靠的，人类基因里缺乏“未雨绸缪”这样的意识。

这个难题最终是靠经济杠杆来解决的。随着森林面积的日益萎缩，尤其是交通便利地区的森林面积越来越小，木材的价格飞速上涨。18世纪初期，木炭的成本已经占到炼铁行业总成本的80%以上，继而带动了几乎所有制造业的集体涨价。首先承受不住高价的是城市平民，他们把冬季取暖从烧柴改成了烧煤，于是伦敦有了“雾都”这个外号。英国女王恨死了煤烟，曾经下令禁止伦敦居民烧煤。但经济杠杆的力量太过强大，老百姓宁愿呼吸肮脏空气也不愿花高价买木炭，女王的命令成了一纸空文。

煤烟再浓，总会被风吹掉。但煤会对很多行业带来永久伤害，这就必须依靠新技术来解决。比如酿酒业需要烘干麦芽，脏煤干不了这事。1603年，有个名叫亨利·普拉特（Henry Platt）的人突发奇想，模仿木炭的制造工艺，把煤在无氧条件下加热，炼成了焦炭，解决了这个问题。

炼铁行业同样不喜欢烧煤，因为硫一旦掺进了铁，就会让铁变得很脆。有意思的是，铁匠和酿酒师傅们似乎从不往来，焦炭的制造工艺直到100多年后才被一个叫亚伯拉罕·达比（Abraham Darby）的人带进了炼铁厂。他早年曾经在一家酒厂工作过一段时间，亲眼看到了焦炭的制造过程。1709年，他制造了世界上第一台焦炭鼓风高炉，从此炼铁业也可以不用高价木炭了。

这两个例子充分说明，要想保护环境，不但需要开发出新的技术，还要让技术流转起来，两者缺一不可。

焦炭鼓风高炉是工业革命的三大支柱之一，另两根支柱也和煤有着密不可分的关系。首先，英国的煤再多也有挖光的时候，首先被挖掉的当然是浅层煤，但当矿工们越挖越深的时候，地下水渗了出来，煤矿主只能雇人来搬水，效率很低。1712年，托马斯·纽科门（Thomas Newcomen）发明了蒸汽推动的水泵，一举解决了这个问题。这台蒸汽机是在常压下运行的，效率极低。但它是为煤矿设计的，烧煤不要钱，效率低点无所谓，所以迅速普及开来。1776年，詹姆斯·瓦特（James Watt）设计了一个冷凝装置，不必每次都使气缸的温度降到常温后再加热，一下子把效率提高了好几倍。后来又有人在此基础上设计出了高压蒸汽机，再次大幅度提高了蒸汽机的效率，工业革命的第二根支柱立起来了。

煤炭很重，需要解决运输问题，于是一个名叫亨廷顿·比尔蒙特（Huntington Beaumont）的人于1604年发明了用两根铁轨铺设而成的“马车轨道”（Wagon-way），方便用马车来运煤。接下来的故事顺理成章，一个名叫理查德·特里维西克（Richard Trevithick）的人把一台瓦特蒸汽机安装在了车头上，火车就这样诞生了。火车是工业革命的第三根支柱，不但节约了原材料的运输成本，提高了工厂效率，而且还极大地扩展了人类的活动范围，这一点对于提高人类生活质量的作用再怎么强调都不过分。

工业革命标志着煤炭时代的开始，其核心就是瓦特蒸汽机的广泛使用。而蒸汽机的本质就是先把来自煤的化学能转化成热能，再将热能转换成机械能，用来代替肌肉做功。要想让蒸汽机更好用，首先必须提高热能和机械能之间的转换效率，但工程师们翻遍了当年的物理教科书，却怎么也找不到这方面的论述，因为当时的物理学家们连能量到底是什么都不清楚。

热力学三定律

能量应该如何定义？这是物理学的终极问题之一。

在西方世界，能量最早被叫作“活力”（vis viva），意思是说这是上帝赋予这个世界的一种神秘力量，也是万物之魂。亚里士多德把希腊语中的“位于”和“活动”两个单词合二为一，创造了“Energeia”这个词，这就是现代英语中“能量”（Energy）一词的前身。从这个构词法可以看出，早年的西方学者认为能量就是动能，也就是让世间万物动起来的原因。

动能是人类第一个试图控制的能源形式，因为它涉及肌肉做功，很容易感同身受。人类最先制造出来的工具，无论是石器、标枪还是弓箭，本质上都是对动能的一种高效利用，从而提高人类的竞争力。

相比之下，古人一直相信热能不是能量，而是存在于物体中的一种看不见的液体。被誉为“现代化学之父”的法国化学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）将这种神秘的液体命名为卡路里（Caloric），他认为一个物体中的卡路里含量越高，其温度也就越高。而当两个温度不同的物体相接触时，卡路里会从温度高的物体跑到温度低的物体之中，于是两者的温度会趋向一致，最终达成平衡。

蒸汽机的发明让大家意识到热能和动能可以互相转换，转换效率不但决定了一家工厂的成本和利润，甚至和国力的强弱直接相关。为了提高法国的竞争力，一位名叫萨迪·卡诺（Sadi Carnot）的法国年轻人潜心研究了这个问题，最终得出结论说，要想提高能量转换效率，唯一的办法就是增加蒸汽机两端的温差。

举例来说，纽可门设计的蒸汽机的热转换效率仅为0.5%，而后来出现的高压瓦特蒸汽机的热效率提高到了10%以上，原因就是高压提高了温差。与之相反的案例就是美国海军曾经试图开发的一种由氨气驱动的“零度发动机”，一位海军工程师认为氨气在零度就会沸腾，如果用海水来加热氨气使之沸腾，就可以像水蒸气那样用来驱动军舰了。但是，因为液氨和氨气的温差非常小，这台“零度发动机”的工作效率极低，输出功率有限，根本带不动军舰。

卡诺的这个结论是普适的，对于所有热机都成立，这就是为什么今天的火力发电厂和核电站都在试图提高蒸汽的温度。但通常来说，温度越高，危险性就越大，于是追求效率与保障安全就成了一对天生的矛盾，这一特点贯穿了后来的整个能源发展史。

1824年，27岁的卡诺将他的理论写进了《论火的动力》一书中，他也因这本书而被后人尊称为“热力学之父”。顾名思义，热力学（Thermodynamics）是研究热与力相互转换的学问，这门新学科首先需要解决的就是不同能量形式之间的换算问题，尤其是动能和热能这两个最被大家熟悉的能源形式。这个难题最终是被詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）解决的，他通过精密的实验发现，1磅水（约等于454克）的温度升高1华氏度所需的能量，等同于772磅重的物体下降1英尺所释放的动能。

这个实验非常难做，需要精确测量极其细微的温度变化。据说焦耳的眼力非常好，能够看出温度计上1/200华氏度的差异，这就是为什么只有他测出了这个值，而且他测的值和后来采用现代仪器测出的正确值相差不到1%。

焦耳测出的这个值还说明了一个问题，那就是我们需要消耗很大的动能，才能让水的温度提高一点点。事实上，这就是为什么物理学家们一直没能意识到动能和热能是等价的，因为两者在日常经验中的差别太过显著了。如今人类之所以要花如此多的能量用于升温（烹饪、取暖和工业加热），原因也在这里。

焦耳实验的结果很快就被总结成热力学第一定律，即能量守恒定律。该定律的大意是说，能量既不会凭空产生也不能凭空消失，而是会在不同的形式之间转换。这是关于宇宙的最核心的物理定律之一，也是人类理解这个世界运行规律的基础。这个定律暗示了能源是一种取之不尽用之不竭的资源，如果一种类型的能源对人类有害，那么只要用另一种能源形式将其替换掉就行了。相比之下，食物和材料都是不那么容易相互替换的有限资源，比如碳水化合物不能代替蛋白质，铜也无法代替玻璃，等等。这就是为什么食品和材料必须通过适当的节约来维持供给，而能源则可以通过不断开发新的形式而持续增加供应。

热力学第一定律的诞生还宣告了永动机的死亡，因为机器一旦动起来就会有摩擦，而摩擦一定会生热，导致动能的减少。可惜总是有人不相信热力学第一定律，至今仍然有不少民科在研究永动机。

为了纪念焦耳和瓦特为能量研究所做的贡献，物理学家们一致同意将能量的单位命名为焦耳（J），功率的单位则被命名为瓦特（W）。1焦耳是1牛顿（N，大约相当于托起一只小苹果所需的力）的作用力经过1米距离所做的功，1瓦特则相当于每秒释放1焦耳的能量。

焦耳和瓦特都是很“小”的单位，所以电力行业喜欢用“千瓦时”来做能量单位，也就是大家常说的“度”。工程界则比较喜欢用“马力”来做功率单位，1马力约等于745瓦特，大致相当于一名成年人所能做的功。食品工业比较特殊，依然喜欢用卡路里来标定食物中蕴含的能量，1卡相当于4.184焦耳。同样，卡路里也是个很“小”的单位，所以我们通常习惯用千卡（KCal）做单位。比如一个成年男性每天大约需要消耗2500千卡的热量，成年女性的这一数字约为2000千卡。

人体所需要的热量全都来自食物。有的食物不但能提供热量，还能提供人体所需的蛋白质、纤维素和维生素，我们称之为优质营养。但另有一些食物除了热量之外什么都提供不了，这种食物就是劣质营养。

物理学家们很快就意识到，不但营养有好坏之分，能量也有。

卡诺写出《论火的动力》一书时，热力学第一定律还没有诞生。但他极有远见地意识到蒸汽在做功的过程中必然要向环境中释放一部分热能，这是无法避免的损失，因此他得出结论说，任何热机的效率都不可能达到百分之百。也就是说，动能可以全部转化成热能，但热能不可能百分之百地转化成动能。

德国数学家鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）和英国物理学家威廉·汤姆森（William Thomson）将卡诺的这一结论上升到理论的层面，这就是著名的热力学第二定律。

这条定律有很多种表述方式。克劳修斯的版本是：热能不可能自发地从低温物体转移到高温物体。而汤姆森的版本是：不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。

这两个解读有点绕口，但本质上是一样的，即确立了能量相互转换的基本原则。举例来说，假如你看到热能自发地从低温转向高温，这件事并不违反热力学第一定律，但却违反了第二定律，因此是不可能发生的，一定是你的错觉。

单从做功的角度来看，热力学第二定律相当于把不同的能量形式分出了好坏。像煤炭就属于优质能源，很适合用来做功。而海水里蕴藏的热能就属于劣质能源，虽然总量巨大，但难以被人类所利用。

为了方便计算，克劳修斯在阐述热力学第二定律时引入了熵（Entropy）的概念，用来描述物质的能量状态。但因为当年的物理学还不够先进，没人知道这个熵值究竟意味着什么。

之后，又有人提出了热力学第三定律，即绝对零度时的熵值为零。汤姆森测出了绝对零度的温度值，即零下273.15℃。为了纪念汤姆森对热力学所做的贡献，物理学界将热力学温标（绝对温标）命名为开尔文（K），因为汤姆森后来被授予了爵位，大家都尊称其为开尔文勋爵（Lord Kelvin）。

热力学三定律中，对人类世界观影响最大的当属第二定律。该定律的核心之一就是如何理解热能这个概念，这个谜题直到20世纪初才被一个名叫阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的人破解了。

在此之前，世界能源格局又发生了一个惊天的变化，人类找到了一种比煤还好用的新能源，这就是石油。

被石油改变的世界

石油的普及，和人类的照明需求有很大的关系。

光也是一种能量，不可能凭空而来。木柴和煤炭烧起来都会发光，但一来效率太低，二来发光的同时会产生多余的热量和烟雾，远不如油灯好用。古人所能找到的最好用的灯油是动物脂肪，而最适合点灯的动物脂肪来自鲸，尤其是用抹香鲸脑门里含有的脂肪做成的鲸脑油烧起来既明亮又无味，是18～19世纪欧洲富人们的最爱。于是捕鲸成了一种非常有利可图的行业，每年都有超过5万头鲸惨遭捕杀。

值得一提的是，美国是19世纪全球捕鲸业的中心。当时全世界一共有大约900艘捕鲸船同时在海上作业，其中有735艘船悬挂的是星条旗。到19世纪中期时，捕鲸业已经成了美国第五大产业，仅仅一个新英格兰地区每年就能为全球市场提供2500万升鲸脑油和4000万升工业润滑油。对鲸油的狂热需求导致鲸的数量急剧下降，要不是一位名叫亚伯拉罕·盖斯纳（Abraham Gesner）的加拿大发明家于1851年发明了从沥青中提取煤油（Kerosene）的技术，地球上的鲸很可能早就灭绝了。

盖斯纳发明煤油的原动力并不是为了拯救鲸，而是因为鲸油实在太过昂贵，而且不易储存。煤油既便宜又耐用，迅速取代了鲸油，占领了全球照明市场。从这个意义上讲，煤和石油都可以算是环保产品，如果没有它们，那么全世界的森林和鲸都早已不复存在了。由此可见，判断一种东西是否环保，必须从更大的尺度来衡量。

虽然中文名称中有个“煤”字，而沥青也确实能从焦炭的制备过程中获取，但煤油的真正来源是石油，而沥青其实就是原油蒸馏后的副产品。天然沥青储量非常有限，于是一个名叫乔治·比塞尔（George Bissell）的纽约律师想到了传说中的石油。他早就听说宾夕法尼亚州一些地方的岩石缝隙里会冒出一种可燃的黑色黏稠液体，印第安人以前一直拿它当药用。为了证明从石油中可以直接提炼出煤油，比塞尔花大钱雇用了一名耶鲁大学的化学家替他作分析，得出了肯定的结论。之后，他联合了几个纽约商人，组建了一家上市公司，准备在宾州开采石油。一个名叫埃德温·德雷克（Edwin Drake）的前火车调度员被公司派往宾州小镇泰特斯维尔（Titusville）尝试钻井，但他一直没能找到合适的钻井工人，试了几个月都没有成功。眼看着从股市里筹集到的钱就要花光了，公司便给德雷克写了封信，命令他停止钻井。因为当年邮路不畅，这封信直到1859年8月29日才寄到宾州，但就在两天前，也就是8月27日，德雷克终于成功地挖到了地下21米深处，石油汩汩涌出，世界上第一口商业油井就这样诞生了。

石油和煤炭一样，都是古代生物被埋入地下之后，在高温高压的作用下缓慢生成的。煤炭的前身是植物，主要成分是碳，只含少量其他元素。石油的前身是海洋动物，主要成分是烃，也就是碳氢化合物（Hydrocarbon）。组成烃的碳链既可以是开放的单链，也可以闭合成环。石油中的烃以前者为主，碳链的长度决定了烃分子的物理性质。在常温常压条件下，1～4个碳原子组成的烃为气态，5～18个碳原子是液态，18个碳原子以上的烃为固态。

碳链的长度还决定了其化学性质。具体来说，1个碳原子和4个氢原子组成的分子叫甲烷，是天然气的主要成分；2～4个碳原子的烃分别叫乙烷、丙烷和丁烷，它们既可以用于制造液化石油气，也可以用作化工原料；5～7个碳原子的烃叫石脑油，主要用作有机溶剂；7～11个碳原子的烃就是大名鼎鼎的汽油，当年人们认为它没啥用处，都是直接倒进河里的；12～15个碳的烃就是煤油，可以代替鲸油用于照明；15～17个碳的烃是柴油，以前也是石油加工过程中被倒掉的副产品；18～19个碳的烃可以用于制造工业润滑剂，从此捕鲸业彻底失去了商业价值；而20个碳以上的烃就是石蜡、焦油和沥青等物质，既可以被制成蜡烛或者凡士林等日用品，也可以用作建筑材料。

早年的石油工业主要以生产煤油为主，其余的成分大都被当作废物倒掉了。后来一个名叫约翰·洛克菲勒（John Rockefeller）的商人学会了如何把各种长度的碳链从“废料”中分离出来，分别制成各种化工产品，一个崭新的行业——石油化工行业从此诞生了。再后来，人们又学会了如何从石油中生产合成塑料和人造纤维，人类的物质生活从此发生了天翻地覆的变化。

但是，汽油和柴油这两种成分一直找不到合适的用途，被洛克菲勒当作普通燃料廉价地卖掉了。19世纪末期，德国人发明了用汽油作燃料的轻型内燃机，并把它装在了马车上。1903年，一位名叫亨利·福特（Henry Ford）的人成立了福特汽车公司，并开发出了全世界第一款面向普通民众的廉价汽车（Model T），汽油摇身一变，成为紧俏商品。原油中的汽油含量通常只有15%～18%，有人改进了冶炼方法，用高温高压来裂解长链烃，终于把汽油的产量提高到了45%以上。

说起来，最早的汽车其实是用蒸汽机驱动的，后来还曾经流行过一段电池车，虽然这两种车型都没有难闻的汽油味道，但还是竞争不过汽油车，因为汽油的能量密度实在是太高了。每千克汽油含有44MJ（百万焦耳）的能量，而每千克无烟煤只含有30MJ的热量，褐煤还要再低一半。如果再算上烧煤驱动蒸汽所浪费的热能，煤在交通运输领域的实际能量密度只有汽油的十分之一。电池在这方面的表现就更差了，当时的汽车电池的能量密度甚至还不到汽油的1/300，难怪汽油车很轻松地将蒸汽车和电池车淘汰出局了。

同理，陆上长途运输和远洋航运业也很快就成了柴油的天下。以前人们曾经认为横跨太平洋的邮轮是不可能造出来的，因为带不了那么多的煤，这个问题在柴油发动机出现之后便迎刃而解了。航空业则用上了体积能量密度更高的航空煤油，横跨大陆的不间断长途飞行也终于成为现实。就这样，整个交通行业几乎全都被石油产品垄断了。虽然煤炭在取暖和发电市场仍然占有很大份额，但便利的交通对于现代人生活品质的提升作用实在是太明显了，于是大家倾向于把1859年当作人类社会正式迈入石油时代的开始。从某种角度讲，人类至今仍然生活在石油时代，下一个能源时代还没有到来。

还有一件事让石油代替煤炭成为人类社会的主宰，这就是战争。第一次世界大战是人类历史上的第一次机械化战争，石油的重要性超越了粮草和弹药，成为决定战争胜败的关键因素。当年全世界已知石油储备的95%都掌握在协约国手里，这就是为什么同盟国注定会失败。

人类从烧柴进化到烧煤，再从烧煤进化到烧油，在能量密度上实现了三级跳，贯穿其中的那条主线就是对能源效率的不懈追求。但是，1859年发生的另一件事把这条线切断了。

从全球变暖到气候变化

几乎就在德雷克打出第一口商业油井的同时，一位名叫约翰·丁达尔（John Tyndall）的英国科学家通过实验证明二氧化碳具有吸收红外辐射的能力，人类终于明白自己有多么幸运了。原来，此前有人通过计算发现，来自太阳的辐射只能让地表温度维持在零下20℃左右，远远达不到如今的平均14℃的水平。后者使得海洋得以保持液态，这才能够孕育生命。否则的话，地球就成了一个大冰球，人类是无法生存的。

最先试图解释这一悖论的是著名的法国应用数学家让-巴普蒂斯·傅里叶（Jean-Baptiste Fourier），他于1827年撰写了一篇论文，首次提出地球大气层很可能是一个巨大的温室，否则的话地表温度不可能有现在这么高。

我们平时所说的温室是用玻璃或者透明的塑料薄膜当天棚，这样既可以让阳光照进来，棚内的热空气又散不出去。大气层外当然不可能有这样的物理阻隔，但地球表面在被太阳光加热后会向外释放红外辐射，如果能挡住这部分能量，不让它释放到外太空去，就能为地球大气层加温。可空气的主要成分氮气和氧气都不能吸收红外辐射，水蒸气倒是可以吸收一部分，但总量远远不够，不足以解释地表温度的变化。

丁达尔首次正确地指出地球温室效应的真正原因是二氧化碳，他甚至猜测地球历史上出现过很多次的冰河期就是二氧化碳浓度降低所导致的。虽然这个观点现在看来并不全对，但他的方向是正确的。

1881年，一位名叫塞缪尔·兰利（Samuel Langley）的美国科学家发明了辐射热测量仪（Bolometer），并通过测量不同高度的月亮所发射的辐射强度，推算出了地球大气层吸收红外辐射的能力。这个结果启发了一位名叫斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）的瑞典科学家，他通过计算发现，如果大气二氧化碳浓度增加一倍的话，地表温度将上升5～6℃。

这个推算结果要比现在学术界公认的值高一些，但这是人类第一次意识到工业革命烧掉的化石能源有可能会导致地球升温，具有划时代的意义。不过，有三件事阻碍了当时的人们立即开始减排行动，它们都和当年的科学发展水平太低有关。

第一，当年的科学家们并不确定化石能源的燃烧是否一定会增加大气二氧化碳浓度，会不会有某个未知因素抵消了这种影响，比如植物光合作用的增强？这个问题是被一个名叫查尔斯·基林（Charles Keeling）的美国科学家解决的，他发明了精确测量大气二氧化碳浓度的方法，并于1958年在位于夏威夷的莫纳·鲁阿天文台（Mauna Loa Observatory）设立观测站，开始测量大气二氧化碳浓度。虽然基林于2005年去世，但这项测量一直没有中断。测量结果证明大气二氧化碳浓度确实一直在增加，并从1958年刚开始测时的313ppm（百万分之一）上升到2021年5月份的419.13ppm，这是地球最近这400多万年来的最高值。要知道，1850年的二氧化碳浓度平均值仅为280ppm，这说明工业革命在短短的170年时间里就把大气二氧化碳浓度升高了将近50%，距离阿伦尼乌斯的预言已经不远了。事实上，根据美国海洋及大气管理局（NOAA）估计，400万年前的地球大气二氧化碳浓度和现在差不多，而那时的地球表面温度比现在高3.9℃，海平面比现在高24米。

第二，当年的科学家们也不敢肯定二氧化碳浓度的增加是否一定会导致气温升高，会不会有什么大家不知道的负反馈机制抵消了温室效应的影响？这个疑团最终是被美国科学家詹姆斯·汉森（James Hansen）解决的，他是美国航空航天局（NASA）的一个气候研究小组的负责人，这个小组利用NASA强大的数据网络，对地球气候历史进行了归纳汇总，于1981年发布了一份权威报告，指出地球表面温度虽然在过去的100多年里有升有降，但总的趋势是上升的。如果把温度变化趋势做成一张图的话，其形状很像一根放倒的冰球杆，前面几百年总体上是平直的，但从1970年开始有了明显的上升。

汉森的报告极具前瞻性，因为地球表面温度从1980年开始便以每10年0.18℃左右的增幅持续上升，2020年的地表温度已经比工业时代之前的平均值上升了1.19℃。

1988年6月23日，汉森在美国参议院听证会上做了一次报告，提醒政治家们注意全球变暖现象。这次听证会具有里程碑式的意义，受到触动最大的反而不是美国政客，而是当时的英国首相撒切尔夫人。她阅读了汉森的报告后非常激动，立刻在英国皇家学会（相当于英国科学院）发表演讲，责成英国科学家注意这一问题。几天之后，英国外交部向联大提交了一份报告，建议联合国常任理事国组成专家委员会讨论这件事。1992年，联合国在里约热内卢召开会议，通过了“联合国气候变化框架公约”（UNFCCC），正式向全球变暖宣战。

第三，当年的气候科学家大都来自相对寒冷的北欧和北美，他们当中的很多人甚至觉得气温升高是件好事。不过，随着研究的深入，大家逐渐意识到二氧化碳浓度的增加绝不仅仅只是升高气温那么简单，而是会让地球气候变得更加极端，比如极热极冷天气出现得愈发频繁，以及台风强度的增加等等。北欧甚至会变得更冷，因为北极气候的改变有可能会导致墨西哥湾暖流变弱，后者正是北欧地区之所以比地球上同纬度的其他地区偏暖的原因所在。于是UNFCCC修改了措辞，把全球变暖改为气候变化，以修正人们对这一环境危机的认知。

事实上，这次二氧化碳危机甚至不全是气候问题，还涉及海平面上升和海水酸化等次生灾害。前者来自于海水受热膨胀以及冰川融化，从1993年开始便一直以每年3.4毫米的速度在上升。后者则是二氧化碳溶于海水之后必然导致的结果，自工业革命以来地球表层海水的酸度已经增加了30%。有人曾经提出通过向高空释放气溶胶反射太阳光来为地球降温的措施，但这一措施只能解决温度问题，却无法拯救海洋动物，它们会因为海水酸化而无法合成碳酸骨骼或者贝壳。

随着上述这三个关键问题的解决，全球主流科学界对于气候变化的危害终于达成共识，质疑的人已经非常少了。但仍然有不少政治家和普通民众不相信这一点，觉得地球历史上经历过好多次气候变化，最终都挺过来了，所以人类不必担心。这个前提当然没错，但历史上发生的气候变化都是以万年计的，时间尺度相当大，而人类活动导致的气候变化速度惊人，是以百年甚至十年为单位的，大部分生物难以适应如此剧烈的变化，将会导致大量物种灭绝，人类肯定会受影响。

问题已经十分明确了，但有办法解决吗？答案是肯定的，那就是寻找新的清洁能源来替代化石能源。

看不见的新能源

相比于石油时代，更多的人喜欢用电气时代来定义今天的世界。其中“气”这个字指的是早年间控制电路的气动开关，后来被电磁式继电器开关取代了。

和煤炭、石油、天然气相比，电这种能源形式有点特殊。虽然人类很早就知道它的存在，但直到意大利科学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）于1800年发明了伏打电堆（电池的雏形），人类这才终于具备了利用电能的能力。

严格意义上说，电并不是一种能量来源，而是一种能量的存在形式。人类无法从自然界获得电能，只能通过专门的技术和设备，把其他形式的能量转化为电能，所以电能和蒸汽、汽油、柴油和氢能一样，都属于二次能源。而太阳能、风能、煤炭、石油和天然气等等可以直接从大自然中得到，它们属于一次能源。

电池相当于把储存于某些特殊材料中的化学能直接转变成电能，但这个方法极为昂贵，很难大规模应用。转折点出现在1831年，英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现了电磁感应现象，证明电能和动能可以在磁场的作用下很方便地相互转换，这就是发电机和电动机的工作原理。但因为各种技术原因，直到1878年英国人才建造了世界上第一座水电站，把水的势能转化成了廉价的电能，电这才终于走进了普通人的生活。

1880年，一位名叫托马斯·爱迪生（Thomas Edison）的美国科学家发明了白炽灯，不但发出的光比煤油灯亮了很多，而且比煤油灯更安全。爱迪生设想用电来代替煤油或者蜡烛，把照明市场从石油大亨们的手里抢过来。为了实现这一目标，他于1882年分别在伦敦和纽约建成了世界上第一和第二座火力发电站，把煤炭转换成了电能。他还专门为这两座煤电厂铺设了电网，把直流电直接送到了用户的家里。

这场“照明之战”以电灯完胜煤油灯而告终，原因就在于电能转化成光能的效率非常高，所以电灯的经济性远胜煤油灯。就这样，当初战胜鲸油的煤油仅仅流行了30多年就被另一种更加高效的能源形式淘汰出局了。

除此之外，爱迪生还发明了电唱机、录音机和电影，原因在于电能转化成机械能的效率也是非常高的。再加上电能很容易通过改变电阻来精细调控，非常适合用于需要对功率进行微调的应用场景，所以电能很快就成为一种百搭能源，广泛应用于各种家用设备和影音装置，从根本上改变了现代人的生活。假如一个生活在1900年的欧洲大城市的人穿越到了今天，他不会感到太过惊讶，但如果这人是从1800年穿越而来，那么他一定会对我们的生活方式感到万分惊恐，因为他从没见过汽车和电灯，这两样东西在200年前是不可想象的。

虽然电非常好用，但它刚开始普及的时候还是遭遇到了广泛的抵制，因为电这东西看不见摸不着，超出了普通人的理解能力。那段时间欧美报刊经常会刊登一些诋毁电能的文章，漫画家们也画过不少讽刺漫画，进一步加深了人们的恐电情绪。这种恐惧感一直延续了整整一代人的时间，直到从小就习惯了用电的新一代年轻人长大之后才被终结。

如今的人类已经完全离不开电了，因为没有任何一种能源形式能够像电能一样招之即来挥之即去，而且几乎可以用来做任何事情。电的地位很像是生物体内的能量分子ATP，不同食物中蕴含的能量都会先转化成ATP才能被生物所利用。

电虽然很全能，但有一样事情它做不好，那就是交通。电能不方便储存，只能通过电线来传输，这一特点极大地限制了它在交通领域的应用。爱迪生曾经试图开发出高容量电池来为电动汽车提供电力，但这项研究失败了，电动汽车也完败于汽油车。事实上，亨利·福特年轻时曾经是爱迪生公司的一名雇员，但他很快就意识到汽油的能量密度是当时的电池技术根本达不到的，于是他从爱迪生公司辞职去做汽油车，赚到了远比爱迪生多得多的钱。

从这个例子看出，能量密度自始至终都是衡量能源可用性的最高标准。但来自石油的碳氢化合物已经是自然界能够提供的化学能量密度最高的物质了，要想进一步提高能量密度，必须用彻底改变能量的物理学。

1905年，当时只有26岁的爱因斯坦连发四篇论文，单枪匹马地改变了人类对于这个世界的认知。第一篇论文是关于光电效应的，爱因斯坦提出光具有量子性，从而完善了量子理论，还为后来出现的光伏电池埋下伏笔。这篇论文为爱因斯坦赢得了1920年度的诺贝尔物理学奖，这是他获得的唯一的诺奖。

第二篇论文是关于布朗运动的，这篇论文不但从根本上解释了热能的基本原理，指出温度就是分子的动能总和，而且从另一个角度解释了熵是怎么一回事。今天我们知道，熵代表着一个系统的内在混乱度，本质上是一个统计学概念。在一个孤立系统中，随着时间的推移，熵一定会增加，因为其中包含的原子或分子的数量实在是太多了，混乱才是出现概率最高的结局。

生命是高度有序的系统，维持这种有序状态的根本原因就是生命会不断从周围环境吸收能量，以此来抵抗熵增。上世纪40年代诞生的信息论则更进一步，把信息和能量联系在一起，指出信息的增加也是需要能量的。信息的质量越高，熵值就越低，因此也就需要输入更多的能量来实现。换句话说，能量正是让这个世界变得越来越有趣的原动力。人类存在的终极目标就是消耗更多的能量，以此来生产更多的优质信息，比如知识、创新和想象力，这就是为什么人类的能源需求是永远不会封顶的。

爱因斯坦的第三篇论文是狭义相对论，其意义不必多说。第四篇论文首次把能量和质量联系在一起，并且推导出了两者的换算关系，即著名的质能公式E=MC2。按照这个公式，每一个原子都蕴含着巨大的能量，远比原子和原子之间的化学能要大得多，所以原子能才是这个世界上能量密度最高的能源，这就为人类的进步指明了方向。

1942年，芝加哥大学的物理学家们成功地在实验室里实现了临界链式反应，打开了人类利用核能的大门。虽然核能的首次实际应用是两颗原子弹，但“二战”结束之后，核能很快就被用于发电，并以其优越的性能而被视为未来的能源之星。但是，核能和电能一样，都是看不见摸不着的能源形式，很快就遭遇到了和电能一样的待遇。来自民间的反核运动此起彼伏，美国三哩岛、苏联切尔诺贝利和日本福岛的这三次重大核事故更是为核能的未来蒙上了阴影。

于是，能量密度持续增加的势头被中止了，人类依旧依靠化石能源来维持自身的发展。2019年全球化石能源的消耗总量比1900年增加了22倍，占一次能源消耗总量的84%。2020年的数据虽然因为新冠疫情的原因而有所下降，但2021年又强势反弹，超过了2019年。

照这样下去，大气二氧化碳浓度还将持续增加，地表温度将会持续升高，并让我们的后代付出惨重的代价。

尾声

上世纪70年代末期，美国的大洋钻探船在太平洋海底发现了一个富含黑炭的页岩层，时间对应于一亿多年前的白垩纪。很快有人联想到在陆地上也发现过类似的页岩层，时间也正好对得上，于是地质学家们提出了一个假说，认为这是“大洋缺氧事件”（Oceanic Anoxic Events）所导致的结果。

后续研究表明，地球历史上曾经发生过好几次大洋缺氧事件，主要集中在2亿年前开始的侏罗纪和之后的白垩纪期间。那段时期正是恐龙生活的年代，气候比现在要温暖一些。

“大洋缺氧事件”的起因是火山爆发导致的大气二氧化碳浓度飙升，随之升高的气温把地球两极的海冰都融化了。今天的地球南北极是洋流的发动机，海水在这里遇冷下沉，来自热带的温暖海水流过来填补空白，由此形成了复杂的洋流系统。如今地球海水大约每500年循环一次，来自南北极的冰冷海水会为赤道地区的深海带去氧气，否则那里将会是一片无氧的死亡带。一旦两极海冰融化，洋流便停止了，再加上气温升高导致的降雨量增大，土壤中的养分随雨水大量流入海洋，导致了海水的富营养化，加剧了氧气的消耗。于是，每当大洋缺氧事件发生时，地球上的海洋便成了动物的坟场，成批的海洋动物和浮游生物因缺氧而死亡，尸体沉入海底，又因为那里的无氧条件而无法腐烂，只能原样保留下来。

每一次极端缺氧事件都会持续几十万甚至上百万年的时间，海底渐渐累积了一层厚厚的有机淤泥。此后，这层淤泥因为地质活动而被埋入地下，在高温高压的作用下变成了石油。就这样，经过上百万年光合作用积累下来的能量被压缩成了今天的汽油、柴油和航空煤油，难怪它们的能量密度如此之高。

当然了，并不是每一片海底淤泥都能变成石油，这要取决于当地的地质构造能否为石油的形成提供良好的条件，以及是否能把生成的石油保存下来。非洲大陆与欧亚大陆之间的提特斯海（Tethys，又名古地中海）具备了上述条件，后来成为石油的绝佳储存场所，这就是为什么目前已探明石油储量的2/3都蕴藏在今天的中东、西非和南美洲东部地区。

从某种意义上说，大洋缺氧事件是地球的一次自救行动。大量的有机碳通过这一事件被埋入海底，导致大气二氧化碳浓度逐渐降低，地球两极再次结冰，洋流重启，把氧气送入深海，海洋重新恢复生机。而人类大规模开采化石能源的行为就相当于一次人为的火山喷发事件，我们用矿井和油井代替了火山，把埋在地下的碳重新释放到大气层中。

研究显示，触发一次极端缺氧事件所需要的大气二氧化碳浓度是工业革命前平均水平的4倍，活跃的火山活动需要维持几千甚至上万年才能达到这一水平。如今地球二氧化碳浓度已经达到了工业革命前的1.5倍，预计到本世纪中期将会达到两倍。如果我们没有立刻开始减排行动的话，到本世纪末时地球大气二氧化碳浓度就将达到工业革命前的4倍，那时的人类后代便将“有幸”亲眼目睹“大洋缺氧”这一极端事件的发生。

当然了，地球是不怕的，它还可以再次把有机碳沉入深海，以此来降低大气二氧化碳浓度，只不过这一次沉入海底的不光是海洋动物和浮游生物，还包括我们人类自己。