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技術大停滯——範式春夢外的陰影(4.1)| 資水東流


關注風雲之聲提升思維層次解讀科學,洞察本質,戳穿忽悠,粉碎謠言導讀煙花爆炸的瞬間絢麗且美,但人眼看到的時候,爆炸已經接近尾聲。此文是我讀過的最發人深省的文章之一。地球文明已經進入一...

- 2017年1月13日20時39分
- 汽車文摘 / 風雲之聲

關注風雲之聲 提升思維層次

解讀科學,洞察本質,戳穿忽悠,粉碎謠言

導讀

煙花爆炸的瞬間絢麗且美,但人眼看到的時候,爆炸已經接近尾聲。此文是我讀過的最發人深省的文章之一。地球文明已經進入一個關鍵點!在黑暗的宇宙森林中,行星上的化石能源是一根小火柴,如果能夠點燃,那麼將會獲得整個森林;如果不能,就會困死在地球上!


前期參見:

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(序) | 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.1) | 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.2) | 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.3) | 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.4.1-1.4.2) | 資水東流


技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.4.3-1.4.4) | 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(1.4.1-1.4.2) | 資水東流技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(2.2)| 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(2.3-2.4)| 資水東流

技術大停滯——範式春夢外的陰影(3.1)| 資水東流

技術大停滯——範式春夢外的陰影(3.2.1-3.2.2)| 資水東流

技術大停滯——範式春夢中的地球工業文明(3.2.3-3.2.4)|資水東流

技術大停滯——範式春夢外的陰影(3.3)| 資水東流

4低熵體的困境和所面臨的技術台階

假設有A、B兩個商人,A營業額增長的規律如下:第一天100元,之後每天增加20元。第二天的增長率有20%。那麼,100天后,A的增長率有多少?20/(100+20*100),不到1%。300天后呢?雖然每天有大約6000元入帳,但日均增長率接近於0,基本可以看成停滯不動。B的規律如下:第一天100元,之後每天在前一天的基礎上增加2%。第二天的營業額只有102元,看上去很小,比A差遠了。但300天后,B的當日營業額度在3萬8000元左右。這就是指數式增長相對於算術式增長的威力。

如果再加上一定背景,比如A,B兩個人都向銀行系統貸款,需要在一年內償還高額的貸款本息,很顯然,銀行系統更願意把錢借給B,因為資本的運行建立在複利基礎上。

馬爾薩斯在《人口論》中第一次指出,人類的資源當時看來在算術增長,而人口繁衍的規律是指數式增長。雖然很多人罵馬爾薩斯冷血無情,但就邏輯敘述而言,馬爾薩斯的理論無可辯駁。學過高中數學的都會知道,指數增長肯定會超過算術增長。但之後的200多年,即使人口急劇增長,人類社會的生活水平在穩步提高,人類沒有陷入馬爾薩斯陷阱。

馬爾薩斯

如果從經濟學角度考慮,這一悖論在索洛的經濟增長模型中得到了解釋。索洛模型認為,當外生的技術以固定比率增長時,經濟將在平衡增長路徑上增長。因此,技術進步是經濟增長的主要動力。丹尼森等人通過對美國經濟增長的實證分析證實和鞏固了索洛的觀點。反之,當外生技術水平趨於停滯時,經濟將趨於停滯,投資僅能補償固定資產折舊和裝備新工人。如果從熱力學第二定律角度看待問題,這一切都是建立在一系列資源/能源相關技術革命基礎上的。人類跨越了一個新的技術台階,找到了大規模新層次的負熵流,確保了人類社會能夠大範圍長時間保持在低熵狀態。

宏觀角度而言,技術是人類文明的基石,技術會把原來看成垃圾的東西變成資源,讓人類社會維持有序狀態。技術如果遇到天花板,人類發展的空間也逐步限定,閃轉騰挪的餘地也會越來越小。

古代中國文明就是一個例子。

中國文明就地理隔絕度而言,在亞歐大陸諸多文明中排名第一。雖然和外界有交流,但比地中海區域的文明交流程度差多了。在農業社會的技術停滯情況下,早期的中國農耕文明,也就是唐朝之前,還能通過空間拓展來擺脫馬爾薩斯陷阱。但之後,中國文明陷入了困境,1000多年的治亂循環其實就是文明在遭遇技術停滯後的掙扎和無奈。

對於人類文明來說,在大時間尺度上,技術對新資源和能源的拓展必須符合指數式增長規律,這是資本和文明擴張的需求。因此,2008年的金融危機可能代表著一個新時代的到來:低熵體開始放棄增長之路。4.1從熱力學第二定律談起

曾經驗證過廣義相對論的世界著名科學家愛丁頓對熱力學第二定律做過如下評價:「我認為,熵増原則——即熱力學第二定律——是自然界所有定律中至高無上的。如果有人指出你所鍾愛的宇宙理論與麥克斯韋方程不符——那麼麥克斯韋方程就算倒楣。如果發現它與觀測相矛盾——那一定是觀測的人把事情搞糟了。但是如果你發現你的理論違背了熱力學第二定律,我就敢說你沒有指望了,你的理論只有丟盡瞼,垮台。」

愛因斯坦和愛丁頓

4.1.1《道德經》的智慧

《道德經》里有一句話:「天之道,損有餘而補不足。人之道,則不然,損不足以奉有餘。」很多人簡單地將其看成貧富分化問題,但實際上,這句話背後隱隱和熱力學第二定律以及現代耗散結構理論相對應。

熱力學第二定律有幾種表述方式,最能說明本質的是熵表述:隨時間進行,一個孤立體系中的熵總是不會減少。

什麼是熵?熵這個概念是由德國物理學家魯道爾夫·克勞修斯所提出的,貼公式比較麻煩,簡單點說吧,熵是組成系統的大量微觀粒子無序度的量度,系統越無序、越混亂,熵就越大;系統越有序,熵就越小。

熱力學第二定律指出:在一個不與外界發生物質和能量交換的孤立系統中,無論其初始條件和歷史如何,它的一個狀態函數「熵」會隨時間的推移單調地增加,自發的朝著均勻、無序、簡單、趨向平衡態的方向演化,直到達到熱力學平衡態。這實際上是一種退化的方向。

所以,在無外界干涉的情況下,把一滴紅墨水放入一杯水中,最終整杯水會變紅。一棟房子會隨時間的流逝而最終倒塌,山峰會瓦解,行星最終會解體。

有序最終會變成無序,熵增的過程就是抹除差異性的過程。

因此,天之道,損有餘而補不足。

在另一方面,生物學描述的卻是系統從無序到有序,由簡單到複雜,由低級到高級,由無功能到有功能的有組織的方向發展,這是一個進化的方向。同時,人類歷史一再表明,人類可以在一座荒蕪土地上,構建出一個巨大、繁榮、有序的城市。於是產生了一個克勞修斯和達爾文的矛盾,退化和進化的矛盾,似乎生物界包括人類社會遵循著與物理世界完全不同的規律,有著迥然不同的演化方向。

上面的矛盾最終由普利高津的耗散結構理論而得以解決。普利高津指出,要想維持一個系統的有序,系統必須開放,從外界引入負熵。

普利高津

對於開放系統來說,熵(S)的變化可以分為兩部分。一部分是系統本身由於不可逆過程(例如熱傳導、擴散、化學反應等)引起的熵的增加,即熵產生(diS),這一項永遠是正的;另一部分是系統與外界交換物質和能量引起的熵流(deS),這一項可正可負,整個系統熵的變化dS就是這兩項之和:

dS=diS+deS

根據熵增加原理,diS>=0(平衡態diS=0),而deS可以大於或小於零。如果deS小於零,其絕對值又大於diS,則

dS=diS+deS< 0

這表明只要從外界流入的負熵流足夠大,就可以抵消系統自身的熵產生,使系統的總熵減少,逐步從無序向新的有序方向發展,形成並維持一個低熵的非平衡態的有序結構。這樣,普利高津在不違反熱力學第二定律的條件下,通過引入負熵流來抵消熵產生,說明了開放系統可能從混沌無序狀態向新的有序狀態轉化,從而解決了克勞修斯和達爾文的矛盾。

而「人之道,則不然,損不足以奉有餘」,其背後的含義就是,在一定時空範圍內,人類作為一種生物可以規避熵增原則,通過從外界引入負熵流(消耗外界的資源和能源),使得自身長時間保持高度有序,維持低熵狀態存在,這是人類的生物學意義所在。

開放系統能夠維持低熵的關鍵在於能夠從外界引入負熵,但如果把系統擴大一點,把外部也包含進去,就會發現,新的大範圍系統的總體熵是增加的,整體的無序度是增加的。

這個原理應用到生活中,所帶來的結果比較殘酷,說的直白一點就是:我們越是想讓一個地方有序,就越是會導致總體的更加無序。我們付出的努力越多,使用的技術越高,所導致的總體無序程度就越大。比如清理垃圾,雖然我們面前的垃圾不見了,可運輸垃圾和處理垃圾產生的消耗卻增加了,這裡還包括相關工具的製造耗費;再比如洗衣服,眼前的衣服雖然被我們洗乾淨了,可洗衣服所耗用的水、電、洗衣機、化學洗滌劑以及污水的處理都隨之增加。這種事例隨時隨刻存在於我們身邊,總之,把一個地方弄乾凈,就會導致另一個地方變髒,而且,以現代人精益求精的標準,只會讓更多的地方變髒。

4.1.2負熵流和文明層次的躍進

熵概念的提出引導人類從一個全新的角度來看待文明的變遷。

通過熵可以區分有效能量和無效能量,有效能量在開發應用過程中不可逆地轉化為無效能量,並同時增加外部世界的混亂無序度——熵!因此,即使能量守恆,文明也會發現,一定時空範圍內,可用的能量似乎越來越少。為了維持低熵狀態,追逐負熵流成了所有文明的本能。在文明擴張過程中,人類繁衍遵循指數式增長規律,相應地,負熵流也必須跟上步伐。

要滿足指數式擴張所需要的負熵流,大致有兩種方法。

第一種是同層次的量的擴張。農業文明負熵流主要來自於固定太陽能的糧食生產,因此,所有的早期農耕文明都把占據可耕地作為社會的核心使命。以中國文明為例,從黃河旁的兩個小部落開始,逐步向外拓展。到唐朝中葉的時候,中國文明最終把東亞大陸上能夠穩定產糧的絕大部分地盤占據了,文明邁上了頂峰。再比如煤炭的產量,英國從1800年的1000萬噸,到1850年的4980萬噸,再到1870年的11200萬噸,蒸汽機和煤炭的指數式增長最終使得英國成為第一個全球性帝國。

第二種是引入新層次的負熵流。文明總會受空間的限制,相應的,同層次負熵流的數量擴張總有極限,這時,必須找到新層次的可開發負熵流,否則,文明就會遇到不可逾越的台階。19世紀下半葉,煤炭的極限開始顯露。一個很簡單的事實是:蒸汽機推重比太低,永遠不能推動飛行器上天。幸運的是,新出現的石油和電力幫助地球文明躍遷到新的層次,大大拓展了人類的活動範圍。

在工業革命以前,人類社會維持有序的外來負熵流主要來自太陽。通過農業活動,人類實現了太陽能的初步利用,獲得了糧食、燃料和建材,使得人類社會能世代繁衍並逐步脫離蠻荒狀態,建立起初等文明。這種農業文明,按照現在的眼光看來,其實是很低級的,有序度不高。依靠這種對太陽能的初步利用和負熵流,農業社會可以維持很長時間。事實上,由於技術天花板的存在,各大農業文明的負熵流獲取在很久以前就達到了極限,文明也隨即陷入停滯。

農業文明的極限最終被瓦特改進的蒸汽機所打破。

站在21世紀的時間坐標點,回顧人類文明層次的變化,可以看出,通過農業活動來把太陽能轉換成生物能,所提供的負熵流根本不能支撐如今的工業化社會。人類現在主要通過化石能源——過去數千萬年沉澱下來的太陽能來提供負熵流。

第一次工業革命,人類大規模開採煤礦,資本主義所展示出來的生產力是過去農業社會所不能想像的。第二次工業革命,石油和電力(部分通過水力發電來實現)成了能源產業的核心,人類對能源的利用達到了一個全新的台階,相應內燃機與電動機的開發和利用,讓龐大的地球變成了一個小小的村莊。

節奏到第三次工業革命的時候戛然而止。平常所說的第三次工業革命,從能源供應和控制角度來講,只能算是半次工業革命。

可能很多人會反駁,信息技術和生物技術在1945年後取得了很大進展。

不錯,20世紀50年代後,信息技術取得了飛速進展,生物技術也有若干進步。但最關鍵的能源技術上,很可惜,邁出了幾小步,但之後一直沒有突破性進展。

從能源的獲取角度來說,裂變核反應堆被大規模推廣開來,但從目前角度而言,根本不能取代傳統的化石能源,在一次能源中占的比例很低。全球核電占一次能源比例中,世界各國平均水平是5.8%。

單從發電量而言,核電比例甚至是逐步下降(過去10年,中國修了很多火電廠)

從能源的轉換和利用上而言,蒸汽機、內燃機和電動機依舊占據著主導地位。火箭發動機、航空發動機都是第二次工業革命巔峰的產物,1970年後,改進逐步停滯,導致航天技術和航空技術差不多在以龜速前進。依靠現在的火箭發動機,登陸火星只是妄想。想像中的核發動機還是只能停留在科幻小說中。信息技術改進了能源的控制,提高了能源使用效率,但無法解決人類現在面臨的根本問題——新層次能源的來源和轉換。

開發負熵流遇到了麻煩,時間一長,經濟危機就不可避免了。不少學者認為,2008年金融危機的背後是高漲的能源價格。從1947年到20世紀末,除了20世紀70~80年代之間在中東地區發生的幾次戰爭使其發生一次脈衝式波動外,國際原油價格一直趨於平穩。21世紀以來,受美國房產泡泡和中國經濟迅速增長的推動,國際原油價格一路攀升,2008年7月11日紐約原油期貨價格創下了147.27美元/桶的歷史最高記錄,高能源導致高通脹,高通脹導致高利率,泡沫隨即破滅。

能源短缺到金融危機的傳導路徑

從那以後,石油價格再也沒有回到上個世紀末的低價,能源問題成了橫亘在世界各國面前的攔路虎。歐債危機和中國經濟放緩可以讓能源價格暫時回落,但世界經濟若稍有大一點的增長,能源價格就會飆升。人類社會要想大步前進,跨上新的層次,外界必須能提供更多的廉價負熵流,否則的話,經濟危機只會一波接一波,直到人類文明的各個子團體暫時達到一種平衡態。但不幸的是,農業社會的平衡態理論上可以維持到太陽的末日為止,現今工業社會的平衡態是一種建立在有限化石能源上的不穩定結構,不能長時間存在。

不跨越新的技術台階,開發新層次的負熵流,人類的文明層次就不可能發生質的躍進。

背景簡介:本文是資水東流博士的作品《技術大停滯》的第三版《範式春夢中的地球工業文明:低熵體的困境和下一級技術台階》,原發於新浪博客(和),作者授權風雲之聲發布。全文87000字,風雲之聲分為多期連載。你不需要同意作者的所有觀點,事實上許多觀點也都可以商榷。但作者提出的基本問題是真實存在的,事關人類的生死存亡,你一經思考就會深深印入腦海,縈繞於心。對於關心人類命運的讀者,這是一篇不可不讀的文章。

附:全文目錄如下

前言

1 文明和技術

1.1 範式粗談

1.2 人類文明所經歷的範式轉換

1.3 範式牢籠

1.4 科學和技術之間存在的鴻溝

1.4.1 科學的本質

1.4.2 技術的核心

1.4.3 從瓦特談起:蒸汽機引發的正反饋

1.4.4 需求不是救命稻草

1.5 科技利益集團

2 科技利益集團鼓吹的範式春夢:所謂的技術大爆炸

2.1 渲染和洗腦

2.2 論文和專利:天文數字後的荒謬

2.3 比特世界和真實世界

2.4 部分和整體

3 範式春夢外的陰影

3.1 人類面臨的技術窘境

3.1.1 能源轉換技術的停滯

3.1.2 新能源的窘境

3.1.3 農業,醫療和生物技術

3.1.4 信息技術深度上的麻煩

3.1.5 其它方面的技術

3.2 眾多的技術噱頭

3.2.1 早早敗落的太陽能/光伏噱頭

3.2.2 經久不衰的人工智慧大噱頭

3.2.3 神乎其神的量子計算機噱頭

3.2.4 牛逼哄哄的納米材料噱頭

3.2.5 近年來的新噱頭


3.3 博士民工和生物技術的挫折

3.3.1 生物噱頭的緣起和影響

3.3.2 研究範式和問題

4 低熵體的困境和所面臨的技術台階

4.1 從熱力學第二定律談起

4.1.1 《道德經》的智慧

4.1.2 負熵流和文明層次的躍進

4.2 科技樹的主幹和分叉

4.3 永遠的50年和可控核聚變

4.3.1 永動機之夢

4.3.2 可控核聚變的難產和噱頭

4.4 冷靜思考:未來不一定會更好

5 台階前的坑:人類社會的宿命

5.1 耗散結構理論的社會學意義

5.2 大競爭環境的消失

5.3 被全球化抹掉的差異性和人類社會的熱力學平衡

5.4 老齡化自鎖

5.5 如何填坑?

6 台階的本質:複雜度魔鬼

6.1 何謂複雜度

6.2 紛繁世界背後的兩條規則:適者生存和資本回報預期

6.3技術進步和技術革命:複雜度的變遷

6.3.1 運輸/動力系統的演進例子

6.3.2 技術革命的特點和複雜度的變化

6.3.3 正在面臨的高複雜度科學魔鬼

6.3.4 源自技術根底的困境

6.4 高複雜度帶來的諸多惡果(more is different)

6.4.1 吾知也有涯和生死競賽

6.4.2 維護成本

6.4.3 來自社會的負反饋

6.5 簡單的數學推導

7 寂靜星空所隱含的恐怖前景

7.1 大寂靜和費米悖論

7.2 細思恐極的三種情景

7.3 宇宙大篩子

7.4 一根小火柴

8 反思和總結

8.1 復活節島的悲劇

8.2 冷靜不代表悲觀

8.3 研發需要範式革命

8.3.1 從中心極限定理和大數定律說起

8.3.2 現行科研體制的弊端

責任編輯:黃澹寧

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