скачать книгу бесплатно
Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого
Вацлав Смил
Наша сегодняшняя жизнь перенасыщена информацией, однако большинство людей все же не знают, как на самом деле устроен наш мир. Эта книга освещает основные темы, связанные с обеспечением нашего выживания и благополучия: энергия, производство продуктов питания, важнейшие долговечные материалы, глобализация, оценка рисков, окружающая среда и будущее человека. Поиск эффективного решения проблем требует изучения фактов – мы узнаем, например, что глобализация не была неизбежной и что наше общество все сильнее зависит от ископаемого топлива, поэтому любые обещания декарбонизации к 2050 году – не более чем сказка. Что на каждый выращенный в теплице томат требуется энергия, эквивалентная пяти столовым ложкам дизельного топлива, и что мы не знаем таких способов массового производства стали, цемента и пластика, которые не оставляли бы гигантский углеродный след. Кроме этого, канадский ученый, эколог и политолог Вацлав Смил, знаменитый своими работами о связи энергетики с экологией, демографией и реальной политикой, а также виртуозным умением обращаться с большими массивами статистических данных, ищет ответ на самый главный вопрос нашего времени: обречено ли человечество на гибель или нас ждет счастливый новый мир?
Убедительная, изобилующая данными, нестандартная, отличающаяся широким междисциплинарным взглядом, эта книга отвергает обе крайности. Количественный взгляд на мир открывает истины, которые меняют наше отношение к прошлому, настоящему и неопределенному грядущему. «Я не пессимист и не оптимист; я ученый, пытающийся объяснить, как на самом деле функционирует мир, и я буду использовать это понимание, чтобы помочь нам лучше осознать будущие ограничения и возможности». (Вацлав Смил)
В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.
Вацлав Смил
Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого
Vaclav Smil
HOW THE WORLD REALLY WORKS
A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future
Оригинальное издание на английском языке впервые опубликовано изд-вом Penguin Books Ltd, Лондон.
© Vaclav Smil, 2022
© Гольдберг Ю. Я., перевод на русский язык, 2022
© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2022
КоЛибри
* * *
Обнадеживающее чтение от автора, столь невосприимчивого к риторической моде и отстаивающего неопределенность…
The New York Times
Квинтэссенция научных знаний о нашей жизни… Смил заглядывает за горизонты будущего со спокойствием и смирением, предвидя сочетание прогресса и неудач, кажущихся непреодолимыми трудностей и почти чудесных достижений.
Wall Street Journal
Известный ученый стремится показать приоритет материалов, а не электронных потоков данных, изучая то, что он называет четырьмя столпами современной цивилизации: цемент, сталь, пластик и аммиак.
The New York Times Magazine
С точки зрения Смила, нереалистичные представления о сокращении выбросов углерода по иронии судьбы отчасти и объясняются той самой производительностью, которой достигли общества, заменив работу тягловых животных и физический труд людей машинами, работающими на ископаемом топливе.
The Washington Post
Введение
Зачем нужна эта книга?
Каждая эпоха претендует на уникальность, но, даже если опыт трех последних поколений – то есть десятилетий, прошедших после окончания Второй мировой войны, – не изменил наше представление о мире так сильно, как опыт трех поколений, предшествующих началу Первой мировой войны, мы все равно стали свидетелями огромного количества беспрецедентных свершений и открытий. Самое главное, у многих людей теперь существенно повысилось качество жизни, они живут дольше и обладают лучшим здоровьем, чем когда-либо за всю историю человечества. Тем не менее эти преимущества пока доступны лишь меньшинству (примерно пятой части) живущих на земле людей, общее число которых приближается к 8 миллиардам.
Второе достижение, которым мы вправе восхищаться, – беспрецедентное расширение наших знаний о материальном мире и обо всех формах жизни. Наше знание простирается от грандиозных обобщений о сложных системах вселенной (галактик, звезд) до планетарных явлений (атмосфера, гидросфера, биосфера) и устройства материи на уровне атомов и генов: дорожки на поверхности самых мощных микропроцессоров всего в два раза толще диаметра спирали ДНК. Мы превратили это знание в постоянно расширяющийся набор механизмов, устройств, процедур, протоколов и действий, поддерживающих современную цивилизацию, и разум одного человека просто не в состоянии охватить весь гигантский объем нашего общего знания, а также все способы, которыми мы поставили его себе на службу.
Настоящего «человека эпохи Возрождения», обладавшего универсальными знаниями, можно было встретить на площади Синьории во Флоренции в 1500 г., но не позже. В середине XVIII в. двое французских ученых, Дени Дидро и Жан Лерон Д’Аламбер, еще могли собрать группу широко образованных людей для изложения современного понимания мира в довольно обстоятельных статьях своей многотомной Энциклопедии, или Толкового словаря наук, искусств и ремесел» (Encyclopеdie, ou Dictionnaire raisonnе des sciences, des arts et des mеtiers). Прошло еще несколько поколений, и объем и специализация знаний увеличились на несколько порядков, а в самых разных областях были сделаны фундаментальные открытия, от электромагнитной индукции (Майкл Фарадей, 1931 г., предпосылка производства электроэнергии) до метаболизма растений (Юстус фон Либих, 1840, предпосылка повышения урожайности) и теории электромагнетизма (Джеймс Клерк Максвелл, 1861 г., предпосылка беспроводной связи).
В 1872 г., через 100 лет после выхода последнего тома Энциклопедии, любое собрание знаний было вынуждено ограничиться поверхностным описанием быстро расширяющегося диапазона тем, а еще через полтора столетия стало невозможным суммировать знания даже в пределах узко очерченных специальностей: даже такие термины, как «физика» или «биология», превратились в относительно бессмысленные ярлыки, и специалисты по физике элементарных частиц с трудом поймут даже первую страницу последней научной работы в области вирусной иммунологии. Совершенно очевидно, что такая атомизация знания не сделала проще общественное принятие решений. Узкоспециализированные направления современной науки стали такими сложными, что многие люди, которые ими занимаются, вынуждены учиться до тридцати или тридцати пяти лет, чтобы войти в круг нового жречества.
Да, они долго учатся, но слишком часто не могут прийти к согласию относительно наилучшего образа действий. Пандемия SARS-CoV-2 со всей очевидностью показала, эксперты не способны прийти к согласию даже по такому простому на первый взгляд вопросу, как ношение маски. В конце марта 2020 г. (через три месяца после начала пандемии) Всемирная организация здравоохранения все еще рекомендовала носить маску только инфицированным, изменив свою позицию лишь в начале июня 2020 г. Как люди, не обладающие специальными знаниями, могут принять сторону в споре или просто понять его смысл, если в финале опровергается то, что утверждалось в начале?
Тем не менее существующая неопределенность и споры не оправдывают глубины непонимания большинством людей основ функционирования современного мира. В конце концов, знать, как выращивают пшеницу (глава 2), как выплавляют сталь (глава 3), или понимать, что глобализация не является ни новой, ни неизбежной (глава 4), – не то же самое, что разбираться в фемтохимии (изучение химических реакций в масштабах времени 10
секунд, Ахмед Зевейл, Нобелевская премия 1999 г.) или полимеразной цепной реакции (быстрое копирование ДНК, Кэри Муллис, Нобелевская премия 1993 г.).
Почему же большинство людей в современных обществах имеют такое поверхностное представление о том, как на самом деле функционирует мир? Самое очевидное объяснение – сложность современного мира. Люди постоянно имеют дело с «черными ящиками», относительно простые правила обращения с которыми почти или совсем не требуют понимания, что происходит внутри. Это относится к таким распространенным устройствам, как мобильные телефоны и ноутбуки (набери простой вопрос, и получишь результат), или к массовым процедурам вроде вакцинации (ярким примером для всей планеты стал 2021 г., когда единственной понятной частью процедуры было закатать рукав). Но объяснение дефицита понимания не ограничивается фактом, что обширность наших знаний способствует специализации, обратной стороной которой является поверхностное понимание – или даже непонимание – основ.
Урбанизация и механизация – вот две главные причины этого дефицита понимания. С 2007 г. более половины человечества живет в городах (в богатых странах больше 80 %), и, в отличие от промышленных городов XIX и начала XX в., большинство рабочих мест в них – это сфера услуг. Таким образом, современные горожане в массе своей никак не связаны с производством не только продуктов питания, но также машин и механизмов, а усиливающаяся механизация всех процессов означает, что лишь малая часть населения планеты теперь участвует в обеспечении нашей цивилизации энергией и материалами, без которых современный мир невозможен.
В Америке лишь около 3 миллионов мужчин и женщин (владельцев ферм и наемных работников) напрямую связаны с производством продуктов питания – пашут, сеют, вносят удобрения, выпалывают сорняки, собирают урожай (самая трудоемкая часть процесса – сбор фруктов и овощей) и ухаживают за животными. Это меньше 1 % населения страны, и поэтому не стоит удивляться, что большинство американцев не представляют – или смутно представляют, – откуда у них на столе появляется хлеб и мясо. Урожай пшеницы собирают комбайны – а соевых бобов или фасоли? Сколько времени нужно для превращения крошечного поросенка в свиную котлету: несколько недель или несколько лет? Подавляющее число американцев этого просто не знают. И они не одиноки. Китай является крупнейшим в мире производителем стали – почти миллиард тонн стали, чугуна и проката в год, – но все это производит меньше 0,25 % населения страны численностью 1,4 миллиарда человек. Ничтожный процент китайцев хотя бы раз в жизни стоял рядом с домной или видел огненные красные ленты в процессе непрерывной разливки стали. И подобный отрыв от реальности наблюдается во всем мире.
Вторая главная причина плохого и постоянно ухудшающегося понимания фундаментальных процессов получения энергии (в виде пищи или в виде топлива), долговечных материалов (металлов, нерудных минералов или бетона) заключается в том, что их стали считать старомодными – или даже устаревшими – и совсем неинтересными по сравнению с миром информации, данных или изображений. Так называемые лучшие умы не идут изучать почву и не пробуют свои силы в усовершенствовании цемента: их привлекает работа с нематериальной информацией в виде потоков электронов в мириадах миниатюрных устройств. Непропорционально большое вознаграждение этих людей – от юристов и экономистов до программистов и инвестиционных менеджеров – никак не связано с реалиями материальной жизни на земле.
Более того, многие из тех, кто поклоняется данным, пришли к убеждению, что потоки электронов сделали ненужными эти старомодные материальные объекты, которые раньше были необходимостью. Поля будут заменены городским сельским хозяйством в высотных зданиях, а синтетические продукты вообще исключат потребность выращивать какую-либо пищу. Дематериализация, основой которой станет искусственный интеллект, положит конец нашей зависимости от большого количества обработанных металлов и минералов, и в конечном итоге мы сможем даже обойтись без земной окружающей среды: кому она нужна, если мы собрались терраформировать Марс? Конечно, это всего лишь преувеличенные и преждевременные прогнозы, фантазии, порожденные обществом, где фейковые новости стали обычным делом и где реальность и вымысел смешались до такой степени, что легковерные умы, склонные к своего рода культу больше, чем к анализу, верят в то, что проницательные наблюдатели прошлого безжалостно сочли бы частичным или полным бредом.
Никто из читающих эту книгу не переселится на Марс; все мы продолжим потреблять зерновые культуры, выращенные на обширных участках сельскохозяйственных земель, а не в небоскребах, которые воображают сторонники так называемой урбанистической агрокультуры; никто из нас не будет жить в дематериализованном мире, где стали ненужными такие незаменимые естественные процессы, как испарение воды или опыление растений. Но получение этих жизненно важных ресурсов становится все более сложной задачей, потому что значительная часть человечества живет в условиях, которые богатое меньшинство преодолело много лет назад, и потому что растущая потребность в энергии и материалах так резко и так быстро увеличивает нагрузку на биосферу, что мы угрожаем ее способности поддерживать процессы и ресурсы в границах, необходимых для ее долгосрочного функционирования.
Приведем один, но очень важный пример: в 2020 г. среднее ежегодное энергопотребление в расчете на одного человека приблизительно 40 % населения мира (3,1 миллиарда человек, в том числе почти все жители африканских стран южнее Сахары) не превышало уровень, достигнутый Германией и Францией в 1850-м! Для достижения стандарта достойной жизни эти 3,1 миллиарда человек должны как минимум удвоить – а предпочтительно утроить – энергопотребление, что приведет к многократному увеличению потребности в электроэнергии, росту производства продуктов питания, появлению необходимой городской, промышленной и транспортной инфраструктуры. Эти потребности неизбежно повлекут за собой дальнейшее разрушение биосферы.
А как нам противостоять ускоряющемуся изменению климата? В настоящее время практически все согласны, что необходимо что-то делать, чтобы предотвратить крайне нежелательные последствия, но какие действия, какое изменение поведения окажется самым эффективным? Для тех, кто игнорирует энергетические и материальные потребности нашего мира, кто заменяет мантрами «зеленых» решений понимание того, как мы пришли к этой ситуации, рецепт прост. Это декарбонизация – переход от сжигания ископаемого топлива к преобразованию неисчерпаемых потоков возобновляемой энергии. Но тут есть одна загвоздка: наша цивилизация основана на ископаемом топливе, и все наши технические и научные достижения, качество жизни и процветание общества зависят от сжигания огромного количества ископаемых углеводородов, и мы просто не можем отказаться от этой критически важной составляющей нашей жизни за несколько десятилетий, не говоря уже о годах.
Полная декарбонизация глобальной экономики к 2050 г. в настоящее время достижима лишь ценой невероятного экономического спада – или как результат необычайно быстрых перемен, в основе которых будут лежать похожие на чудо технологические прорывы. Но для первого варианта у нас еще нет убедительной, практичной и доступной по цене глобальной стратегии, а для реализации второго – необходимых технических средств. Что же произойдет? Пропасть между фантазиями и реальностью глубока, но в демократическом обществе любое соперничество идей и предложений может протекать рационально, когда все стороны обладают хотя бы малой толикой релевантной информации о реальном мире, а не просто повторяют свои предрассудки и делают заявления без какой-либо связи с материальными возможностями.
Эта книга представляет собой попытку снизить дефицит понимания, объяснить некоторые фундаментальные основы выживания и развития нашего общества. Моя цель – не прогноз и не описание самых оптимистичных или пессимистичных сценариев будущего. Не вижу никакой необходимости прибегать к этому популярному – но регулярно терпящему неудачу – жанру: в долговременном плане нас ждет слишком много непредвиденных событий и слишком много сложных взаимодействий, которые не в состоянии предсказать ни один человек или коллектив. Я также не буду защищать любую конкретную (предвзятую) интерпретацию реальности – ни как повод для отчаяния, ни как источник безграничных ожиданий. Я не пессимист и не оптимист; я ученый, пытающийся объяснить, как на самом деле функционирует мир, и я буду использовать это понимание, чтобы помочь нам лучше осознать будущие ограничения и возможности.
Естественно, такого рода исследование обречено быть выборочным, но каждая из семи главных тем, выбранная для более подробного анализа, представляет собой пример экзистенциального императива: здесь у нас нет свободы выбора. Первая глава этой книги показывает, как наше энергозатратное общество постоянно увеличивало свою зависимость от ископаемого топлива и особенно от электричества, самого универсального вида энергии. Осознание этой реальности служит настоятельно необходимой поправкой к широко распространенным заявлениям (основанным на плохом понимании сложных реалий), что мы способны быстро декарбонизировать глобальные энергоресурсы и что через два или три десятилетия мы полностью перейдем на возобновляемые источники энергии. Несмотря на то что все большая часть электрогенерации приходится на новые возобновляемые источники (солнце и ветер, в отличие от давно существующей гидроэнергетики), а на дорогах появляется все больше электромобилей, декарбонизация наземного, воздушного и морского транспорта станет гораздо более серьезным вызовом – как и производство основных материалов без использования ископаемого топлива.
Вторая глава книги посвящена самому главному условию нашего выживания: производству еды. В ней объясняется, что у всего, что поддерживает нашу жизнь – от пшеницы до томатов и креветок, – есть одно общее свойство: существенный расход ископаемого топлива, как непосредственный, так и косвенный. Осознание этой фундаментальной зависимости от ископаемого топлива ведет к реалистичному пониманию нашей продолжающейся потребности в ископаемом углероде: вырабатывать электричество с помощью ветряных турбин или солнечных батарей гораздо легче, чем сжигать для этого уголь или природный газ, но без жидкого ископаемого топлива гораздо труднее обслуживать сельскохозяйственную технику, а без нефти и газа невозможно производить удобрения и другие химикаты, использующиеся в сельском хозяйстве. Другими словами, еще несколько десятилетий мы не сможем кормить планету, не используя ископаемое топливо как источник энергии и сырья.
В третьей главе объясняется, как и почему существование нашего общества поддерживается материалами, созданными человеческой изобретательностью, в частности теми, которые я называю четырьмя столпами современной цивилизации: аммиаком, сталью, бетоном и пластиком. Понимание этих реалий обнажает заблуждения, часто встречающиеся в модных заявлениях о дематериализации современной экономики, в которой якобы преобладает сфера услуг и миниатюрные электронные устройства. Относительное снижение материалоемкости многих конечных продуктов было одной из ведущих тенденций развития современного производства. Но в абсолютных цифрах потребность в материалах выросла даже в самых развитых современных обществах и остается очень далекой от насыщения в странах с низким уровня дохода, где владение благоустроенным жильем, кухонными приборами и кондиционерами (не говоря уже об автомобилях) остается несбыточной мечтой для миллиардов людей.
Четвертая глава – это история о глобализации, о том, как транспорт и средства связи связали мир в одно целое. Историческая перспектива показывает, насколько старым (и даже древним) является начало этого процесса и как недавно произошел его поистине масштабный – глобальный – расцвет. При ближайшем рассмотрении становится очевидным, что в этом неоднозначном явлении (одни его хвалят, другие в нем сомневаются, третьи критикуют) нет ничего неизбежного. В последнее время в мире наблюдается явный отказ от этой тенденции, а также движение в сторону популизма и национализма, и пока непонятно, насколько далеко это все зайдет или в какой степени изменится под влиянием экономики, политики и соображений безопасности.
Пятая глава предлагает реалистичную основу для оценки рисков, с которыми мы сталкиваемся: современные общества добились успехов в устранении многих смертельных или опасных для здоровья рисков – например полиомиелита или осложнений при родах, – но многие опасности нас будут подстерегать всегда, и мы постоянно ошибаемся в оценке риска, недооценивая или переоценивая угрозы. Ознакомившись с этой главой, читатель получит представление об относительных рисках многих привычных действий, вынужденных или сознательных (от падения на лестнице у себя дома до перелета с одного континента на другой, от жизни в городе, на который часто обрушиваются ураганы, до прыжков с парашютом). Отбросив всю чушь, которой нас кормит индустрия здорового питания, мы увидим диапазон возможностей в отношении еды, которая поможет нам жить дольше.
В шестой главе мы сначала рассмотрим, как изменения окружающей среды могут повлиять на три элемента, без которых нам не выжить: кислород, воду и пищу. Остальная часть главы будет посвящена глобальному потеплению, которое в последнее время стало нашей главной заботой, когда речь идет об окружающей среде, и которое привело к появлению двух противоположных тенденций – ожиданию катастрофы (почти апокалипсиса) и полному отрицанию. Я не буду повторять и сравнивать эти полярные утверждения (этому посвящена масса книг), а подчеркну, что вопреки распространенному мнению глобальное потепление – не новость: основы этого процесса стали ясны более 150 лет назад.
Более того, мы знали, в какой степени потепление климата связано с удвоением концентрации CO
в атмосфере за прошедшие 100 лет, и больше 50 лет назад нас предупреждали о непредсказуемой (и невоспроизводимой) природе этого эксперимента над планетой (непрерывное точное измерение концентрации CO
началось в 1958 г.). Но мы решили игнорировать эти объяснения, предупреждения и зарегистрированные факты. Более того, мы стали еще сильнее зависеть от сжигания ископаемого топлива, и избавиться от этой зависимости будет трудно и дорого. И неизвестно, сколько на это понадобится времени. Прибавьте все остальные проблемы окружающей среды, и вы неизбежно придете к выводу, что ключевой вопрос нашего существования – сможет ли человечество реализовать свои желания, не разрушая биосферу, – не имеет простых ответов. Но в любом случае необходимо осознать и принять факты. Только тогда мы сможем приступить к эффективному решению проблемы.
В заключительной главе я попробую описать будущее, в частности две распространившиеся в последнее время теории: катастрофизм (мнение, что до окончательного заката современной цивилизации осталось несколько лет) и технооптимизм (предсказание, что новые открытия и изобретения откроют бесконечные горизонты за пределами нашей планеты, превратив земные проблемы в нечто совершенно несущественное). Нетрудно догадаться, что мне не близки обе эти позиции, и мои прогнозы не имеют ничего общего с обеими доктринами. Я не предполагаю неминуемого разрыва с историей в любом направлении; я не вижу каких-либо запрограммированных результатов – только довольно сложную траекторию, зависящую от нашего выбора, который тоже не предопределен.
В основе этой книги два краеугольных камня: многочисленные научные открытия и полвека моих собственных исследований и литературной деятельности. Диапазон этих научных открытий чрезвычайно широк, от классических работ XIX в. по преобразованию энергии и парниковому эффекту до новейших оценок глобальных вызовов и вероятностей рисков. И эта серьезная книга не могла быть написана без нескольких десятилетий междисциплинарных исследований, результаты которых были изложены в других моих книгах. Я не склонен обращаться к древней метафоре о лисе и еже («лиса знает много секретов, а еж – один, но самый главный»), а предпочитаю делить современных ученых на два типа: одни бурят все более глубокие скважины (верная дорога к славе), а другие изучают широкие горизонты (в настоящее время эта группа значительно уменьшилась).
Меня никогда не привлекала перспектива пробурить самую глубокую скважину и стать лучшим специалистом по крошечному кусочку неба, видного с ее дна. Я всегда предпочитал смотреть как можно шире и дальше – насколько позволяли мои ограниченные возможности. Всю жизнь меня интересовало такое направление, как исследования в области энергии, поскольку удовлетворительное понимание этой обширной сферы требует знания физики, химии, биологии, геологии и инженерного дела, а также учета исторических, социальных, экономических и политических факторов.
Почти половина из моих теперь уже более 40 (в основном научных) книг имеют отношение к разным аспектам энергии, от масштабных исследований общей энергетики и использования энергии на протяжении всей истории человечества до более подробного анализа отдельных категорий топлива (нефть, природный газ, биомасса), конкретных свойств и процессов (плотность энергии, передача энергии). Остальные мои работы имеют междисциплинарный характер: я писал о таких фундаментальных явлениях, как развитие – во всех его естественных и антропогенных проявлениях – и риск; я писал об окружающей среде (биосфере, биохимических циклах, глобальной экологии, эффективности фотосинтеза и урожаях), о продуктах питания, сельском хозяйстве, материалах (прежде всего стали и удобрениях), технических достижениях, о прогрессе и неудачах производства, а также об истории Древнего Рима и современной Америки, о японской еде.
Таким образом, эта книга – результат трудов всей моей жизни. Она написана для неспециалистов и стала итогом моих стремлений понять основные аспекты биосферы, истории и мира, который мы создали. И она призвана продолжить то, на чем я настаивал на протяжении нескольких десятилетий: держаться как можно дальше от экстремальных точек зрения. Нынешние (предельно жесткие или предельно фантазирующие) защитники таких позиций будут разочарованы: здесь они не найдут ни стенаний по поводу конца мира в 2030 г., ни одержимости волшебной преобразующей силой искусственного интеллекта, который появится раньше, чем мы думаем. Нет, эта книга пытается предложить основу для более взвешенной и неизбежно агностической перспективы. Надеюсь, что мой рациональный, основанный на фактах подход поможет читателям понять, как на самом деле функционирует наш мир и каковы наши шансы на лучшие перспективы для будущих поколений.
Но прежде чем переходить к конкретным темам, я хотел бы вас кое о чем предупредить, а возможно, и попросить. Эта книга изобилует цифрами (в метрической системе), поскольку реалии современного мира невозможно понять только с помощью качественных описаний. Многие цифры, приведенные в этой книге, либо очень большие, либо очень маленькие, и поэтому для их понимания удобнее оперировать порядками величин, которые обозначаются признанными во всем мире префиксами. Если вы не знакомы с основами такого представления чисел, вам поможет приложение, посвященное числам, большим и маленьким, – некоторым читателям стоит начать знакомство с этой книгой с конца. В противном случае мы встретимся с вами в главе 1, предлагающей более подробный, количественный рассказ об энергии. Это тема, которая никогда не выйдет из моды.
1
Энергия
Топливо и электричество
Представим не совсем обычный сценарий научно-фантастического романа: не путешествие к далеким планетам в поисках жизни, а Земля и ее обитатели как объект дистанционного наблюдения высокоразвитой цивилизации, которая посылает свои зонды в соседние галактики. Зачем они это делают? Просто для систематического расширения своих знаний и, возможно, предупреждения опасных сюрпризов, если третья планета, вращающаяся вокруг ничем не примечательной звезды в спиральной галактике, превратится в угрозу? А может, на тот случай, если им потребуется второй дом? Поэтому они периодически проверяют Землю.
Представим, что зонд приближается к нашей планете каждые 100 лет и что он запрограммирован на второй проход (более тщательное исследование) только при обнаружении ранее ненаблюдаемого способа преобразования энергии – превращения энергии из одной формы в другую – или соответствующего физического воплощения. В терминах общей физики любой процесс – дождь, извержение вулкана, рост растения, питание животного или совершенствование человеческого разума – можно определить как последовательность преобразований энергии, и на протяжении сотен миллионов лет после образования Земли зонды видели бы одну и ту же однообразную (с небольшими вариациями) картину извержений вулканов, землетрясений и атмосферных бурь.
Фундаментальные сдвиги
Первые микроорганизмы появились на нашей планете около 4 миллиардов лет назад, но пролетающие мимо зонды инопланетян не заметили бы их, поскольку эта форма жизни оставалась редкой и скрытой от наблюдения, сосредоточившись в окрестностях щелочных гидротермальных источников на океанском дне. Первая причина для более близкого знакомства появляется приблизительно 3,5 миллиарда лет назад, когда зонд регистрирует на мелководье первые простые одноклеточные организмы, способные к фотосинтезу: они поглощают инфракрасное излучение ближнего диапазона – сразу за видимым спектром, – но не вырабатывают кислород[1 - Точную дату этого события определить невозможно – от 3,7 до 2,5 миллиарда лет назад. Cardona T. Thinking twice about the evolution of photosynthesis // Open Biology. 2019. 9/3.180246.]. Пройдет еще несколько сотен миллионов лет, прежде чем цианобактерии научатся использовать энергию видимого солнечного света для превращения CO
и воды в новые органические вещества, выделяя при этом кислород[2 - Herrero A. and Flores E. (eds.). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics and Evolution. Wymondham: Caister Academic Press, 2008.].
Это радикальный сдвиг, который приведет к созданию кислородной атмосферы Земли, хотя до появления сложных морских организмов пройдет еще много времени – 1,2 миллиарда лет назад зонды зафиксируют рост и распространение ярко-красных водорослей (из-за фотосинтезирующего пигмента фикоэритрина), а также более крупных бурых водорослей. Зеленые водоросли появятся еще через полмиллиона лет, и из-за широкого распространения морских растений для наблюдения за морским дном зондам потребуются более совершенные датчики. Но это принесет свои плоды, поскольку приблизительно 600 миллионов лет назад зонды сделают еще одно эпохальное открытие: первые организмы, состоящие из дифференцированных клеток. Эти плоские и мягкие придонные обитатели (их называют эдиакарской фауной, от названия Эдиакарских гор в Южной Австралии) были первыми простыми животными, которым для метаболизма был необходим кислород, и, в отличие от водорослей, которые переносятся волнами и течениями, они были способны двигаться[3 - Droser M. L. and Gehling J. G. The advent of animals: The view from the Ediacaran // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. 112/16. P. 4865–4870.].
Затем зонды начнут регистрировать относительно быстрые изменения: если раньше, пролетая над безжизненными континентами, они сотни миллионов лет ждали следующего эпохального сдвига, то теперь видели многочисленные волны появления, распространения и исчезновения огромного количества видов животных. Этот период начинается с так называемого кембрийского взрыва, расцвета маленьких морских животных, обитателей морского дна (541 миллион лет назад, преимущественно трилобиты), и продолжается появлением первых рыб, амфибий, наземных растений, а затем четвероногих (и следовательно, чрезвычайно подвижных) животных. Все эти виды периодически сокращались или вообще исчезали, и 6 миллионов лет назад зонды не обнаружили бы какого-либо одного организма, доминирующего на всей планете[4 - Bell G. The Evolution of Life. Oxford: Oxford University Press, 2015.]. Но вскоре после этого зонды едва не пропустили бы одно важное изменение в механике движений, на первый взгляд незначительное, но с громадными энергетическими последствиями: многие четвероногие животные начинали становиться на две ноги или даже неуклюже передвигаться в таком положении, и более 4 миллионов лет назад этот способ передвижения стал нормой для маленьких обезьяноподобных существ, которые теперь больше времени проводили на земле, а не на деревьях[5 - Stanford C. Upright: The Evolutionary Key to Becoming Human. Boston: Houghton Mifflin Harcourt, 2003.].
Теперь интервалы между передачей ценной информации на родную для зондов планету уменьшились с сотен миллионов до всего лишь сотен тысяч лет. В конечном итоге потомки этих первых двуногих (мы называем их гоминидами, и они принадлежат к роду Homo, стоящему в длинном ряду наших предков) совершили нечто такое, что ускорило их продвижение к доминированию на планете. Несколько сотен тысяч лет назад зонды зарегистрировали первое экстрасоматическое использование энергии – то есть внешнее по отношению к организму, любое преобразование энергии кроме пищеварения, – когда некоторые из этих прямоходящих освоили огонь и стали сознательно использовать его для приготовления пищи, обеспечения комфорта и безопасности[6 - Мы точно не знаем, когда люди начали сознательно использовать огонь, но первые свидетельства этого датируются периодом, отстоящим от нас как минимум на 800 000 лет: Goren-Inbar N. et al. Evidence of hominin control of fire at Gesher Benot Ya’aqov, Israel. Science. 304/5671 (2004). P. 725–727.]. Это контролируемое горение преобразует химическую энергию растений в тепловую энергию и свет, что позволяло гоминидам употреблять трудноперевариваемую пищу, согревало их холодными ночами и отгоняло опасных животных[7 - Рэнгем утверждает, что тепловая обработка пищи была одним из главных достижений эволюции: Wrangham R. Catching Fire: How Cooking Made Us Human. N. Y.: Basic Books, 2009. (Рэнгем Р. Зажечь огонь: Как кулинария сделала нас людьми. М.: Corpus, 2012.)]. Это были первые шаги в сознательном преобразовании окружающей среды и управлении ею в беспрецедентных прежде масштабах.
Эта тенденция укрепилась после следующей значительной перемены: появления земледелия. Приблизительно 10 тысяч лет назад зонды увидели первые участки намеренно выращенных растений, вносивших крошечный вклад в общий фотосинтез Земли; этими участками управляли люди, которые ради своей выгоды (отложенной) одомашнили зерновые растения – селекционировали, сеяли, ухаживали и собирали урожай[8 - Одомашнивание разных видов растений происходило независимо в разных регионах Старого и Нового Света, но самый первый кластер возник на Ближнем Востоке: Zeder M. The origins of agriculture in the Near East // Current Anthropology. 52. Supplement 4 (2011). S 221–S 235.]. Вскоре появились и первые домашние животные. До этого главной двигательной силой были мышцы человека – они превращали химическую энергию (пищи) в кинетическую (механическую) энергию физического труда. Одомашнивание тягловых животных началось с крупного рогатого скота приблизительно 9 тысяч лет назад, что позволило получить экстрасоматическую энергию не только от человеческих мышц – животные использовались для обработки полей, извлечения воды из колодцев, перемещения грузов, а также в качестве личного транспорта[9 - В качестве тягловых животных используются быки, азиатские буйволы, яки, лошади, мулы, ослы, верблюды, ламы, слоны, а также (реже) северные олени, овцы, козы и собаки. Для верховой езды кроме лошадиных (лошади, ослы, мулы) используются только верблюды, яки и слоны.]. Гораздо позже появились первые неодушевленные первичные двигатели: более 5 тысяч лет назад – паруса, более 2 тысяч лет назад – водяные колеса, более тысячи лет назад – ветряные мельницы[10 - Эволюция этих механизмов прослежена в: Smil V. Energy and Civilization: A History. Cambridge, MA: MIT Press, 2017. P. 146–163. (Смил В. Энергия и цивилизация / Пер. с англ. Д. Л. Казакова. М.: Бомбора, 2020.)].
Затем последовал еще один период затишья (относительного), когда зонды не регистрировали ничего существенного: век за веком наблюдалось лишь повторение, стагнация или медленное развитие и распространение прежних достижений. В Америке и Австралии (в отсутствие тягловых животных и простейших механизмов) до появления европейцев вся работа выполнялась с помощью мускульной силы человека. В некоторых доиндустриальных регионах Старого Света тягловые животные, ветер, а также текущая или падающая вода обеспечивали значительную долю энергии для помола зерна, отжима масла, шлифовки и ковки, а тягловые животные стали незаменимыми для тяжелых полевых работ (прежде всего вспашки, поскольку урожай по-прежнему собирали вручную), перевозки товаров и ведения войн.
Но на этом этапе даже в обществах с домашними животными и примитивными механизмами большая часть работы все еще выполнялась людьми.
По моим подсчетам – естественно, с использованием приближенной оценки численности тягловых животных и людей, а также оценки производительности труда, основанной на современных измерениях физических возможностей, – более 90 % всей полезной механической энергии и в начале второго тысячелетия нашей эры, и 500 годами позже (в 1500 г., в начале современной эпохи) обеспечивалось за счет мускульной силы, примерно поровну людей и животных, а вся тепловая энергия добывалась сжиганием растительного топлива (по большей части дерева и древесного угля, но также соломы и высушенного навоза).
А затем, приблизительно в 1600 г., инопланетный зонд заметил бы нечто беспрецедентное. На одном из островов люди перестали рассчитывать только на дерево и стали во все больших количествах сжигать уголь, топливо, образовавшееся в результате фотосинтеза десятки или сотни миллионов лет назад и окаменевшее под действием тепла и давления за время долгого пребывания под землей. Наиболее точные реконструкции показывают, что в качестве источника тепла уголь опередил биомассу приблизительно в 1620 г. (возможно, даже раньше); в 1650 г. уже две трети вырабатываемого тепла обеспечивалось сжиганием каменного топлива, а к 1700 г. эта доля достигла 75 %[11 - Warde P. Energy Consumption in England and Wales, 1560–2004. Naples: Consiglio Nazionale delle Ricerche, 2007.]. Пионером этого процесса была Англия: во всех месторождениях угля, сделавших Великобританию ведущей экономикой XIX в., добывали уголь еще до 1640 г.[12 - Историю английской и британской угольной отрасли см. в: Nef J. U. The Rise of the British Coal Industry. L.: G. Routledge, 1932; Flinn M. W. et al. History of the British Coal Industry. 5 vols. Oxford: Oxford University Press, 1984–1993.]. А затем, в самом начале XVIII в., на некоторых английских шахтах установили паровые машины, первые неодушевленные первичные двигатели, приводимые в движение посредством сжигания ископаемого топлива.
Эти первые машины были настолько неэффективными, что использовать их можно было только на тех шахтах, где уголь не нуждался в транспортировке[13 - Stuart R. Descriptive History of the Steam Engine. L.: Wittaker, Treacher and Arnot, 1829.]. На протяжении нескольких поколений Великобритания остается самой интересной страной для инопланетного зонда как пионера внедрения технических новинок. Даже в 1800 г. добыча угля в нескольких европейских странах и в Соединенных Штатах Америки составляла лишь малую долю добычи угля в Великобритании.
В 1800 г. пролетающий мимо нашей планеты зонд подсчитал бы, что растительное топливо по-прежнему обеспечивает более 98 % всего тепла и света, используемых доминантными двуногими, а мускульная сила людей и животных все еще поставляет 90 % механической энергии, необходимой для сельского хозяйства, строительства и промышленного производства. В Великобритании, где Джеймс Уатт в 1770-х гг. внедрил и усовершенствовал паровую машину, компания Boulton & Watt начала выпускать машины мощностью 25 лошадиных сил, но к 1800 г. они продали меньше 500 таких машин, что составляло крошечную часть от общей мощности лошадей и работников физического труда[14 - Hills R. L. Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine. Cambridge: Cambridge University Press. 1989. P. 70; Kanefsky J. and Robey J. Steam engines in 18th-century Britain: A quantitative assessment // Technology and Culture. 1980. 21. P. 161–186.].
Даже в 1850 г. увеличившаяся добыча угля в Европе и Северной Америке обеспечивала не более 7 % энергии от топлива; почти половину всей полезной кинетической энергии получали от тягловых животных, около 40 % – от мускульной силы людей и всего 15 % от трех видов неодушевленных первичных двигателей: водяных колес, ветряных мельниц и медленно завоевывавших признание паровых машин. В 1850 г. мир был гораздо больше похож на мир 1700-х или даже 1600-х гг., чем на мир 2000-х.
Однако к 1900 г. общая доля ископаемого топлива, возобновляемых и неодушевленных источников энергии существенно изменилась – современные источники (уголь и в какой-то степени сырая нефть) обеспечивали половину всей первичной энергии, а вторая половина приходилась на традиционное топливо (дерево, древесный уголь, солома). Водяные турбины на гидроэлектростанциях начали вырабатывать электричество в 1880-х гг.; следующей была геотермальная электростанция, а после Второй мировой войны появились атомные, солнечные и ветряные электростанции (новые источники возобновляемой энергии). Но и в 2020 г. более половины вырабатываемого в мире электричества производится путем сжигания ископаемого топлива, в основном угля и природного газа.
В 1900 г. неодушевленные первичные двигатели поставляли около половины всей механической энергии: наибольший вклад вносили паровые машины, работающие на угле, далее шли усовершенствованные водяные колеса и новые водяные турбины (появившиеся еще в 1830-х гг.), ветряные мельницы и новые паровые турбины (с конца 1880-х), а также двигатели внутреннего сгорания (первые бензиновые двигатели также появились в 1880-х гг.)[15 - Эти расчеты в высшей степени приблизительны; мы знаем общую численность рабочей силы и тягловых животных, но нам все равно приходится делать допущения об их средней мощности и общей продолжительности рабочего времени.].
В 1950 г. ископаемое топливо обеспечивало почти три четверти первичной энергии (преимущественно за счет угля), а неодушевленные первичные двигатели – теперь среди них доминировали бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания – более 80 % механической энергии. А в 2000 г. только бедняки в странах с низким доходом использовали топливо из биомассы; дерево и солома составляли лишь около 12 % первичных источников энергии в мире. На первичные источники из плоти и крови приходилось только 5 % механической энергии; людей и тягловых животных почти полностью заменили механизмы, приводимые в действие жидким топливом или электричеством.
На протяжении двух последних веков инопланетные зонды наблюдали бы по всему миру быструю замену первичных источников энергии, сопровождавшуюся расширением и диверсификацией ископаемых энергоресурсов, а также не менее быстрым появлением, освоением и распространением новых неодушевленных первичных двигателей – сначала паровых машин, работающих на угле, затем двигателей внутреннего сгорания (поршневых и турбин). Самый последний визит зондов открыл бы перед ними картину по-настоящему глобального общества, основанного на массовом – стационарном и мобильном – преобразовании ископаемых углеводородов, развернутом практически везде, за исключением некоторых необитаемых регионов планеты.
Использование энергии в современном мире
Какие изменения принесла эта мобилизация экстрасоматической энергии? Глобальные энергоресурсы обычно относят к общей (валовой) продукции, но более наглядным было бы оценить энергию, доступную для преобразования в полезные формы. Для этого мы должны вычесть предварительные потери (во время сортировки и очистки угля, перегонки сырной нефти и обработки природного газа), неэнергетическое использование (преимущественно в качестве сырья для химической промышленности, а также смазочных материалов для машин и механизмов, от насосов до авиадвигателей, и как дорожное покрытие) и потери при передаче электроэнергии. С этими поправками – и округлением, чтобы избежать впечатления неуместной точности, – мои расчеты показывают, что в XIX в. потребление ископаемого топлива выросло в 60 раз, в XX – в 16 раз, а за последние 220 лет – в 1500 раз[16 - В цифрах: менее 0,5 ЭДж в 1800 г., рост почти до 22 ЭДж в 1900 г. и почти до 350 ЭДж в 2000 г., прогнозируется до 525 ЭДж в 2020 г. Более подробно о преобразовании энергии в глобальном масштабе и по странам см.: Smil V. Energy Transitions: Global and National Perspectives. Santa Barbara, CA: Praeger, 2017.].
Усиливающаяся зависимость от ископаемого топлива – самый важный фактор, объясняющий достижения современной цивилизации, а также наши опасения относительно уязвимости его поставок и воздействия его сжигания на окружающую среду. В реальности прирост энергоресурсов был значительно больше 1500-кратного, о котором я упоминал, поскольку следует учитывать сопутствующее повышение эффективности преобразования энергии[17 - Совокупный индекс изменения эффективности использования энергии основан на вычислениях, выполненных мной для книги: Smil. Energy and Civilization. P. 297–301. Общую эффективность преобразования энергии см. диаграммы Сэнки для энергетических потоков в мире (https://www.iea.org/sankey) и в отдельных странах; для США см.: https://flowcharts.llnl.gov/content/assets/images/energy/us/Energy_US_2019.png]. В 1800 г. эффективность сжигания угля в печах и бойлерах для получения тепла и горячей воды не превышала 25–30 %, и только 2 % угля, потребляемого паровыми машинами, превращались в полезную работу, так что общая эффективность преобразования не превышала 15 %. Сто лет спустя усовершенствованные печи, бойлеры и двигатели повысили эффективность до почти 20 %, а к 2000 г. средняя эффективность преобразования составляла около 50 %. Следовательно, XX в. дал почти 40-кратный рост полезной энергии, а с 1800 г. ее выработка увеличилась почти в 3500 раз.
Чтобы еще лучше оценить масштаб этих перемен, следует привести эти показатели в пересчете на одного человека. Численность населения нашей планеты увеличилась с 1 миллиарда в 1800 г. до 1,6 миллиарда в 1900 г. и до 6,1 миллиарда в 2000 г. Таким образом, поставки полезной энергии (все величины выражены в гигаджоулях на душу населения) увеличились с 0,05 в 1800 г. до 2,7 в 1900 г. и 28 в 2000 г. Стремительный рост экономики Китая после 2000 г. стал главной причиной увеличения поставок полезной энергии в 2020 г. до 34 ГДж на человека. В среднем современный житель Земли имеет в своем распоряжении почти в 700 раз больше полезной энергии, чем его предки в начале XIX в.
Более того, на протяжении жизни людей, родившихся непосредственно после Второй мировой войны (с 1950 по 2020 г.), этот показатель вырос более чем в три раза, с 10 до 34 ГДж на человека. Для наглядности можно воспользоваться следующей метафорой: как будто в личном распоряжении каждого жителя Земли находится около 800 килограммов (0,8 тонны, или почти 6 баррелей) сырой нефти или около 1,5 тонны хорошего битуминозного угля. Это количество энергии можно также перевести в трудозатраты: на каждого из нас круглосуточно работают 60 взрослых мужчин. А если речь идет о богатых странах, эквивалент непрерывного труда будет составлять от 200 до 240 человек, в зависимости от конкретной страны. Другими словами, в нашем распоряжении находится беспрецедентное количество энергии.
Последствия этого очевидны – с точки зрения интенсивности труда, рабочего времени, отдыха и общего уровня жизни. Изобилие полезной энергии подчеркивает и объясняет все достижения – от лучшего питания до массовых путешествий, от механизации производства до транспорта и личных электронных средств связи, – которые в богатых странах являются скорее нормой, чем исключением. Эти недавние изменения отличаются в разных странах: естественно, они менее заметны в странах с высоким доходом, где использование энергии на душу населения уже 100 лет назад было относительно высоким, и явно видны в странах, модернизация экономик которых резко ускорилась с 1950-х гг., особенно в Японии, Южной Корее и Китае. В период с 1950 по 2020 г. Соединенные Штаты практически удвоили производство полезной энергии на душу населения из таких источников, как ископаемое топливо и первичное электричество (приблизительно до 150 ГДж на человека); в Японии этот показатель вырос более чем вчетверо (почти до 80 ГДж на человека), а Китай стал свидетелем невероятного роста в 120 раз (почти до 50 ГДж на человека)[18 - Данные для этих подсчетов можно найти в отчете ООН «Ежегодник статистики энергетики» (Energy Statistics Yearbook): https://unstats.un.org/unsd/energystats/pubs/yearbook/; и в статистическом обзоре компании BP: https://www.bp.com/en/global/corporate/energy-economics/statisticalreview-of-world-energy/downloads.html].
Траектория ресурсов полезной энергии чрезвычайно информативна, потому что энергия не просто один из компонентов сложной структуры биосферы, человеческого общества и экономики, не просто еще одна переменная в сложных уравнениях, описывающих эти взаимосвязанные системы. Преобразование энергии – это основа жизни и эволюции. Современную историю можно рассматривать как необычно быструю последовательность переходов к новым источникам энергии, а современный мир – как совокупный результат этих преобразований.
Значение энергии в жизни человеческого общества первыми поняли физики. В 1886 г. Людвиг Больцман, один из основателей термодинамики, говорил о свободной энергии – то есть энергии, доступной для преобразования, – как о Kampfobjekt (объекте борьбы) за жизнь, которая в конечном итоге зависит от приходящего к нам солнечного излучения[19 - Boltzmann L. Der zweite Hauptsatz der mechanischen W?rmetheorie (лекция, прочитанная на Торжественном собрании Имперской академии наук 29 мая 1886 г.). См. также: Schuster P. Boltzmann and evolution: Some basic questions of biology seen with atomistic glasses // Gallavotti G. et al., eds. Boltzmann’s Legacy. Zurich: European Mathematical Society, 2008. P. 1–26.]. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 г., так определил основу жизни: «Отрицательная энтропия – вот то, чем организм питается» (отрицательная энтропия, или негэнтропия = свободная энергия)[20 - Schr?dinger E. What Is Life? Cambridge: Cambridge University Press, 1944. P. 71. Шрёдингер Э. Что такое жизнь? / Пер. с англ. А. Малиновского. М.: Римис, 2015.]. В 1920-х гг., после этих фундаментальных физических открытий конца XIX и начала XX в. американский математик и статистик Альфред Лотка пришел к выводу, что эволюционным преимуществом обладают организмы, способные лучше улавливать доступную энергию[21 - Lotka A. J. Natural selection as a physical principle // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1922. 8/6. P. 151–154.].
В начале 1970-х гг. американский эколог Говард Одум объяснил, что «весь прогресс обусловлен специальными субсидиями в энергию и, как только они прекращаются, прогресс исчезает»[22 - Odum H. T. Environment, Power, and Society. N. Y.: Wiley Interscience, 1971. P. 27.]. Уже после него физик Роберт Эйрес в своих работах постоянно подчеркивал центральную роль энергии во всех экономиках: «в сущности, экономическая система предназначена для извлечения, усвоения и преобразования энергии как ресурсов в энергию, воплощенную в товарах и услугах»[23 - Ayres R. Gaps in mainstream economics: Energy, growth, and sustainability // Shmelev S., ed. Green Economy Reader: Lectures in Ecological Economics and Sustainability. Berlin: Springer, 2017. P. 40. См. также: Ayres R. Energy, Complexity and Wealth Maximization. Cham: Springer, 2016.]. Другими словами, энергия – это единственная по-настоящему универсальная валюта, и без ее трансформации невозможны никакие процессы (от вращения галактик до жизни эфемерных насекомых)[24 - Smil. Energy and Civilization. P. 1.].
Учитывая все эти легко проверяемые реалии, трудно понять, почему современная экономика, этот свод объяснений и правил, знатоки которых имеют большее влияние на политику общества, чем любые другие специалисты, в большинстве своем игнорируют энергию. Как отметил Эйрес, в экономике не только отсутствует систематическое осознание значения энергии для физического процесса производства; экономика предполагает, «что энергия не имеет значения (большого), потому что доля затрат на энергию в экономике настолько мала, что ее можно игнорировать… как если бы продукция могла быть произведена только за счет труда и капитала – или как если бы энергия была просто формой созданного руками человека капитала, который может быть произведен (а не добыт) трудом и капиталом»[25 - Ayres. Gaps in mainstream economics. P. 4.].
Современные экономисты не получают наград и премий, занимаясь энергией, а современные ученые начинают беспокоиться только тогда, когда возникает угроза поставки той или иной коммерческой формы энергии или цены на нее начинают расти. Эту ситуацию иллюстрирует поисковый сервис Ngram Viewer компании Google, позволяющий увидеть популярность терминов, использовавшихся в печатных источниках в период с 1500 по 2019 г. В ХХ в. частота использования термина «стоимость энергии» оставалась пренебрежимо малой до внезапного пика начала 1970-х (вызванного тем, что ОПЕК в пять раз повысила цены на сырую нефть; более подробно об этом чуть ниже), а затем еще одного подъема в начале 1980-х. После снижения цен наблюдался такой же крутой спад частоты упоминаний, и в 2019 г. термин «стоимость энергии» использовался не чаще, чем в 1972 г.
Не обладая хотя бы начальной энергетической грамотностью, невозможно понять, как на самом деле функционирует мир. В этой главе я сначала покажу, как сложно дать определение энергии, но легко сделать весьма распространенную ошибку, спутав ее с мощностью. Мы рассмотрим, как разные виды энергии (каждый со своими преимуществами и недостатками) и разные плотности энергии (энергия на единицу массы или объема, что очень важно для хранения и транспортировки) влияли на разные стадии экономического развития. Кроме того, я предложу реалистичные оценки некоторых труднорешаемых проблем, с которыми сталкивается общество по мере последовательного отказа от ископаемых углеводородов. Как мы увидим, наша цивилизация настолько сильно зависит от ископаемого топлива, что следующий переход займет гораздо больше времени, чем нам кажется.
Что такое энергия?
Как определить это фундаментальное понятие? Греческое происхождение этого слова очевидно. Аристотель в своей «Метафизике» соединил ?? («в») с ????? («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ????????[26 - История идеи энергии подробно описана в: Coopersmith J. Energy: The Subtle Concept. Oxford: Oxford University Press, 2015.].
За последующие 2 тысячи лет никаких существенных изменений в понимании энергии не произошло. Затем Исаак Ньютон (1643–1727) сформулировал основные физические законы, связывающие массу, силу и движение, и его второй закон движения позволил определить основную единицу энергии. В терминах современных единиц измерения 1 джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной 1 ньютону на расстояние одного метра в направлении действия силы[27 - Westfall R. S. Force in Newton’s Physics: The Science of Dynamics in the Seventeenth Century. N. Y.: Elsevier, 1971.]. Но это определение относится только к кинетической энергии и явно не дает интуитивного понимания энергии во всех ее формах.
Практическое понимание энергии было значительно расширено в XIX в. благодаря большому количеству экспериментов с горением, теплотой, излучением и движением[28 - Smith C. The Science of Energy: A Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. Chicago: University of Chicago Press, 1998; Cardwell D. S. L. From Watt to Clausius: The Rise of Thermodynamics in the Early Industrial Age. L.: Heinemann Educational, 1971.]. В результате появилось наиболее распространенное определение энергии: «способность производить работу». Это определение правомерно только при условии, что термин «работа» обозначает не только некий вложенный труд, но и, как выразился один из ведущих физиков той эпохи, общий физический «акт изменения конфигурации системы, направленный против силы, сопротивляющейся этому изменению»[29 - Maxwell J. C. Theory of Heat. L.: Longmans, Green, and Company, 1872. P. 101. (Максвелл Дж. К. Теория теплоты. СПб., 1888.)]. Тем не менее это определение все еще очень похоже на ньютоновское и далеко от интуитивного.
Пожалуй, на вопрос «что такое энергия?» лучше всего ответил один из самых выдающихся и разносторонних физиков XX в. Ричард Фейнман, который в своих знаменитых «Лекциях по физике» со свойственной ему прямотой подчеркнул, что «энергия имеет множество разных форм и для каждой из них есть своя формула: энергия тяготения, кинетическая энергия, тепловая энергия, упругая энергия, электроэнергия, химическая энергия, энергия излучения, ядерная энергия, энергия массы».
А потом сделал обескураживающий, но очевидный вывод:
Важно понимать, что физике сегодняшнего дня неизвестно, что такое энергия. Мы не считаем, что энергия передается в виде маленьких пилюль. Ничего подобного. Просто имеются формулы для расчета определенных численных величин, сложив которые мы получаем число… всегда одно и то же число. Это нечто отвлеченное, ничего не говорящее нам ни о механизме, ни о причинах появления в формуле различных членов[30 - Feynman R. The Feynman Lectures on Physics. Redwood City, CA: Addison-Wesley, 1988. Vol. 4. P. 2. (Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. Современная наука о природе / Пер. с англ. А. Ефремова, Г. Копылова, О. Хрусталева. М.: AST Publishers, 2019.)].
Так оно и есть. Мы можем использовать формулы для очень точного вычисления энергии летящей стрелы или реактивного самолета, потенциальной энергии массивного камня, готового скатиться с вершины горы, тепловой энергии, получаемой в результате химической реакции, световой (лучистой) энергии мерцающей свечи или сфокусированного лазера – но не можем свести все эти виды энергии в единое, легко определяемое понятие.
