Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

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]. Пройдет еще несколько сотен миллионов лет, прежде чем цианобактерии научатся использовать энергию видимого солнечного света для превращения CO2 и воды в новые органические вещества, выделяя при этом кислород[2].

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].

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]. 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].

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]. 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]. 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]. 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]. 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].

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]. Пионером этого процесса была Англия: во всех месторождениях угля, сделавших Великобританию ведущей экономикой XIX в., добывали уголь еще до 1640 г.[12]. 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]. 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].

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].

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].

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]. 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].

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]. 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]. 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].

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]. 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]. Другими словами, энергия – это единственная по-настоящему универсальная валюта, и без ее трансформации невозможны никакие процессы (от вращения галактик до жизни эфемерных насекомых)[24].

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].

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 ἔν («в») с ἔργον («работа») и сделал вывод, что существование любого объекта поддерживается ἐνέργεια[26].

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]. 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]. 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]. 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].

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.