能量的流动、存储和控制

所有已知形式的能量对人类生存都至关重要，这一事实也就断绝了对能量重要性进行等级排序的任何可能。宇宙和行星的能量流动和它们的区域或局部显现在很大程度上决定和限制了历史的发展进程。引力支配着无数星系和恒星系统的秩序，决定了宇宙的基本特征。引力也使地球在运行时与太阳保持适当的距离，使地球拥有足够巨大的大气层，从而适合居住（专栏1.1）。

正如所有活跃的恒星一样，太阳由聚变提供能量，这些热核反应的产物以电磁能（太阳能、辐射能）的形式到达地球。其通量涵盖的波长范围广泛，包括可见光。这一巨大能量流动的约30%被云层和地表反射，约20%被大气层和云层吸收，其余部分（约占总量的一半）被海洋和大陆吸收，转化成热能，再辐射到太空（Smil 2008a）。与这些能量相比，地球地热能的总热通量小得多：它由行星质量的原始引力吸积和放射性物质的衰变产生；它驱动大型构造运动，不断改造海洋和大陆，引发火山爆发和地震。

到达地球的辐射能只有很小一部分（不到0.05%）通过光合作用被转化为植物体内新的化学能储存起来，为所有更高阶的生命提供不可替代的基础。动物的新陈代谢将营养物质重组为生长的组织，使所有高等物种能够维持身体功能和恒定的温度。消化也为工作的肌肉提供机械（动）能。在能量转化方面，动物天生就受到个体大小和可获得的营养的限制。但人类这个物种与它们相区别的一个基本特征是，通过对肌肉的更高效利用和对体外能量的控制来突破这些物理限制。

人类已经通过自己的智慧解锁这些体外能量，将其用于完成越来越多的任务。它们既可作为更强大的原动力，也可作为燃料通过燃烧释放热量。引起能量供应的诱因包括信息的传递和各种各样的人造物，后者涵盖的范围很广，从简单的工具如锤子、杠杆，到复杂的烧燃料的发动机、释放核裂变能量的反应堆等。对这些进步的基本演变和历史顺序进行广义定性并不困难。与任何并非由光合作用合成的生物一样，人类最基本的能量需求是食物。人类的采集和觅食行为与其灵长类祖先的食物获取行为非常相似。尽管一些灵长类动物——以及其他一些哺乳动物（包括水獭和大象）、一些鸟类（渡鸦和鹦鹉），甚至一些无脊椎动物（头足类动物）——已经发展出一些简单的工具使用能力（Hansell 2005; Sanz, Call, and Boesch 2014; 图1.1），但只有人类从事工具制造，这是其行为独有的显著标志。

工具让我们在获取食物、住所和衣物方面获得了机械效益。对火的掌握大大扩展了我们的居住范围，拉大了我们与动物的距离。新工具帮助人类控制被驯养的动物，制造更为复杂的用体力驱动的器械，把风和水的动能的一小部分转化为可用动力。这些新的原动力使得人类掌握的动力成倍增加，但在很长一段时间里，对它们的使用受到所掌握的能量流动的性质和规模的限制。这方面最明显的例子就是帆，这种古老而有效的工具的能力几千年来一直受到盛行风和持续洋流的限制。这些巨流引领了15世纪末的欧洲人穿越大西洋航行到加勒比海，也阻止了西班牙人发现夏威夷——尽管西班牙商船（马尼拉大帆船）在1565—1815年的250年间，每年都有一到两次从墨西哥（阿卡普尔科）越过太平洋航行到达菲律宾（Schurz 1939）。

各种炉具中的可控燃烧将植物的化学能转化为热能。这种热被直接用于家庭日用、冶炼金属、烧制砖块以及加工和完成无数产品。化石燃料的燃烧使得这些直接利用热量的传统方式变得更加广泛和有效。诸多基础发明的诞生使人们有可能将化石燃料燃烧产生的热能转化为机械能。这种可能性先在蒸汽机和内燃机中，之后在燃气轮机和火箭中得到实现。1882年以来，我们一直通过燃烧化石燃料和控制水的动能发电，1956年以来，我们又开始通过铀同位素的裂变反应来发电。

燃烧化石燃料和发电创造了一种新形式的高能文明。它已经扩展覆盖了整个地球，它的主要能量来源包括一些目前所占份额较小，但在迅速增长的可再生的新能源，特别是太阳能（通过光伏装置或集中太阳能发电厂而获得）和风能（由大型风力涡轮机转化而获得）。反过来，这些进步又是以一系列其他进步为前提的。如果用水流模型进行类比，则可理解为需设立一系列阀门，这些阀门以适当的顺序被激活，以实现人类创造力的流动。

用以释放巨大的能量潜力所需的最重要的闸门包括必要的教育机会、可预料的法律设置、透明的经济规则、充足的资本供应以及有利于基础研究的多种条件。毫不奇怪，大幅增加或改善能量流动，或大规模利用全新能源，通常需要几代人的努力。时机、整体的动力以及由此产生的能量流的构成非常难以预测。在最初过渡阶段，我们不可能评估变化中的原动力和燃料基础对农业、工业、运输、居住、战争和地球环境产生的所有最终影响。定量描述对于评估我们的行为限制条件和我们取得的进展程度至关重要，而这就要求我们对基本的科学概念和测量方法有所了解。