能源與人類文明

1、譚國武邱建忠在 文 明 出 現(xiàn) 之 前 , 人類就一直在不自覺地利用 能源 。文 明 的 出 現(xiàn) , 更 是 得益于人類對能源有意識的利用 。而文明發(fā)展的內(nèi)在動力之一 ,正是人類對能源利用能力的逐步提高 。可以說 ,人類文明的發(fā) 展史就是一部能源利用史 。一 、能源利用的歷史回顧人類對于能源的利用存在著明顯的階段性 ,能 源與人類社會的發(fā)展有密切的聯(lián)系 。文明前階段 人類在創(chuàng)造文明之前 ,就在不自 覺地利用能源 。例如 ,原始人類最基本的需求 吃 ,就是利用蘊涵在食物中的生物能 ; 在陽光下取 暖 ,就是利用太陽能 。在這一階段 ,人類對能源的利 用是被動的 ,利用程度也是很低下的 。柴草能源

2、時代人類發(fā)展史上的一大飛躍 ,是 對火的利用 。自從學會利用火 ,人類就慢慢結束了 茹毛飲血 、采摘野果的生活 。開始 ,原始人從天然火 中保存火種 , 以草木取暖 , 吃熟食 , 抵御猛獸侵害 。 利用可燃物燃燒釋放出的化學能 ,人類加快了進化步伐 ,使原始人壽命更長 、對自然的適應能力更強 。 后來 ,人類掌握了取火的方法 ,使得人類的活動范圍 進一步擴大 。同時 ,人類還靠人力 、畜力以及來自太 陽 、風和水的動力從事生產(chǎn)活動 ,逐步發(fā)展了農(nóng)業(yè)文 明 。當然 , 這一階段能源的利用形式也是低級的 。例如依靠畜力拉磨 ,用水車 、風車提水 ,在太陽下干 燥谷物等 。礦物能源時代 對礦物能源

3、的使用 ,早在公元 前幾百年前就開始了 。在中國漢朝時期 ,就有用煤 煉鐵的記載 。人們用這種先進的能源開發(fā)了煉鐵技術 ,使人類在制造工具方面又大大地前進了一步 ,結 合紡織 、造紙等技術的興起 ,極大促進了農(nóng)業(yè)文明的 發(fā)展 。在中國古代 ,人們還發(fā)明了火藥 ,隨后傳到西 方 ,煤炭煉鐵和火藥的利用 ,促進了手工業(yè)的初步發(fā) 展 ,為工業(yè)文明吹響了前奏 。礦物能源的第二次大規(guī)模利用 ,有三個重要事 件 。一是蒸氣機的發(fā)明與使用 。蒸氣機大量使用煤 炭 ,推動各種機械做功 ,促進了第一次工業(yè)革命的興19 卷 2 期 (總 110 期)起 ,為人類跨入工業(yè)社會做出了重要貢獻 。二是石油的發(fā)現(xiàn)和內(nèi)燃機

4、的發(fā)明與使用 ,使工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模 極大地擴大 。三是電力的出現(xiàn) 。以大量煤炭和石油 為燃料的電廠 ,向各個生活和生產(chǎn)領域提供電能 ,極 大地提高了人類的生活和工業(yè)生產(chǎn)水平 ,同時也促進了科技進步 。19 世紀末期 ,水利發(fā)電技術也得到 應用 。電能的大規(guī)模使用 ,促進了第二次工業(yè)文明 的蓬勃發(fā)展 。多能源時代20 世紀 ,隨著礦物能源使用的負 面影響越來越大 ,人們更加重視通過不同途徑尋求能源 。首先是各國紛紛加大水利發(fā)電的開發(fā)力度 , 其次是核能的利用 。利用核能是人類發(fā)展史上的大 事 。核能的軍事利用 ,使人類面臨著毀滅的潛在危 險 。核能的和平利用 ,使人類找到了一種潛力巨大 的能源 。這

5、一時期人類開發(fā)利用的新能源還有太陽能 、風力發(fā)電 、地熱能 、海洋能 、生物質能 、氫能等 。 其中對風能 、水能 、生物質能的利用已經(jīng)大大超越了 古時候效率低下的利用形式 。第三次科技革命以 來 ,尤其是信息技術的發(fā)展 ,極大地提高了能源利用 和管理的效率 ,促進了人類文明的繁榮與發(fā)展 。二 、能源危機每一種文明都有其能源基礎 。農(nóng)業(yè)文明的能源 基礎是柴草能源 ,輔之以畜力 、風力 、水力 、煤炭等 。 開拓耕地和燒炭煉鐵都要砍伐森林 。隨著人口的增 長和農(nóng)田的擴展以及手工業(yè)的發(fā)展 ,森林大量消失 ,終于超過了大自然的再生補償能力 ,發(fā)生了木材燃 料短缺的能源危機 。于是化石礦物燃料 ,首先

6、是煤 , 成了緩解這場危機的新能源 。工業(yè)文明的能源基礎先期主要是煤 、石油 、天然 氣等化石礦物能源 , 近幾十年來還有核能與水電 。隨著工業(yè)文明的迅猛發(fā)展 ,能源問題逐步突出 。 首先是能源短缺問題 。隨著經(jīng)濟的增長 、生活水平的提高 、人口的增加 ,人類對能源的需求越來越 大 ,也越來越依賴它來維持經(jīng)濟的增長 。而化石礦 物能源和核裂變材料都是不可再生能源 。一個國家要發(fā)展農(nóng)業(yè) 、工業(yè) 、國防 、科學技術和提高人民生活 水平 ,都離不開能源 。進入 21 世紀以來 ,能源的國 際市場價格持續(xù)走高 。能源的日益緊缺也造成了國67 際局勢的緊張 。大國紛紛加強對能源產(chǎn)地的控制 ,以奪得未來競

7、爭的優(yōu)勢 。根據(jù)世界能源的消費趨 勢 ,半個世紀后 ,人類將面臨全面的傳統(tǒng)能源短缺問題 (水能除外) 。 其次是大量使用化石礦物能源造成的環(huán)境污染問題 ,包括水污染 、固體廢棄物污染 、大氣污染 、全球 氣候變暖等世界性問題 。到目前為止 ,人類植樹造 林 、排污處理等各種環(huán)境保護措施遠遠無法補償對 環(huán)境造成的污染 。人類要保持經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展 ,維持生態(tài)平衡 , 使工業(yè)文明不致于衰落 ,就必須徹底解決能源問題 , 尋找新的能源 。三 、新能源利用人類要擺脫能源危機 ,出路在于轉向新的能源 構成 、減少對礦物能源的依賴 、加強可再生能源和清潔能源的開發(fā)利用 、轉變能源消費方式 、大力推廣新能源

8、技術和節(jié)能技術 。(1) 加強可再生清潔能源的利用 。利用科技進 步的力量 ,不斷提高水能 、風能 、太陽能 、海洋能 、地 熱能 、生物質能和氫能的利用效率 。利用法律 、政策 大規(guī)模推廣可再生清潔能源的利用 。(2) 進一步改進高效燃燒技術和清潔煤技術的 同時 ,盡量少用礦物能源 ,爭取把更多的礦物能源作 為化工原材料留給未來 ,逐步減少對礦物能源的依 賴 。(3) 改變能源的消費方式 ,加強節(jié)能 。要減少人 類無止境的物質享受對能源的浪費 。市場經(jīng)濟規(guī)律 推動人類的奢侈生活 ,造成對能源和資源的鋪張浪 費 。因此 ,要利用國家調控的力量 ,加強對奢侈品的 生產(chǎn)管理 。利用科技的力量 ,大

9、力發(fā)展節(jié)能技術 ,并 利用法律 、政策宣傳推廣節(jié)能技術 。(4) 發(fā)展高效發(fā)電技術 ,包括磁流體發(fā)電 、燃料 電池 、超導輸電技術等 。大力發(fā)展“第四代核能系 統(tǒng)”?！暗谒拇四芟到y(tǒng)”是一種安全 、清潔高效的核 裂變發(fā)電技術 。其首要要求就是在任何情況下都不 發(fā)生事故 ,至少是不能發(fā)生嚴重事故 。目前國際上 比較一致的看法是 ,高溫氣冷堆是惟一滿足“第四代 核能系統(tǒng)”要求的裝置 。我國清華大學主持研發(fā) ,于2000 年年底正式建成的“10m w 高溫氣冷實驗堆”,是世界上第七座高溫氣冷堆 ,同時也是世界上具有 最高水平的高溫氣冷堆 。這意味著在國際核能界 , 我們已由原來的相對落后躍居領先位置

10、 。68 在擺脫能源危機 、利用新能源方面 ,各國要在立法 、貿(mào)易 、科技和國際援助等領域加強合作 。為了人 類文明的持續(xù)健康發(fā)展 ,為了人與自然的和諧 ,必須從使用傳統(tǒng)能源轉變?yōu)槭褂眯履茉?。四 、人類未來的希望 核聚變能新能源的廣泛使用 ,必然能使人類的能源危機 得以緩解 ,使工業(yè)文明更具有生態(tài)文明的特點 。但 由于各自的局限性 ,許多新能源都不能全天候 、全空 間使用 。礦產(chǎn)資源是人類文明重要的物質基礎 。地球上的一次能源和礦產(chǎn)資源儲量是有限的 ,隨著人 類社會的發(fā)展 ,資源將越來越少 ,即使部分資源的回 收利用也必定難以彌補需求 。因此 ,人類終究有一 天要走出地球搖籃 ,邁向宇宙文明

11、 。在這個過程中 , 地球上許多能源 ,都難以滿足人類文明發(fā)展的需要 。不過 ,也許核聚變可以擔當重任 。 核聚變能利用的是輕元素核聚變所釋放的能量 。目前實驗反應利用的是氫的同位素氘 ( d) 和氚( t) 在特定的高溫和約束條件下進行的可以控制的 核聚變反應 ,聚合成新的原子核氦并釋放出巨大的 能量 。1 千克氘和氚的混合物進行熱核聚變反應釋 放的能量相當于 9000 噸汽油燃燒的能量 ,是同等重 量鈾核裂變反應所釋放能量的大約 5 倍 。核燃料氘 和氚等可從海水中提取 。1 千克海水中提取的核燃 料聚變釋放的能量相當于 300 升汽油燃燒釋放的能 量 。人類若能掌握成熟的提煉技術 ,就等

12、于找到了 取之不盡 、用之不竭的能源 。若人類能夠開發(fā)月球 資源 ,月球上還有豐富的核聚變材料氦 3 。核聚變能的軍事應用 ,早已通過氫彈得以實現(xiàn) 。 但核聚變能的和平利用 ,目前還沒有實現(xiàn) 。受控核聚變的實驗研究始于 20 世紀 60 年代 ,由于困難太 大 ,人們曾一度對其失去信心 。到 90 年代 ,受控核 聚變的研究取得了突破性進展 。歐洲和美國都建成 了輸出功率大于輸入功率的實驗裝置 。這一成功鼓 舞了人們的士氣 ,相關國家紛紛加大受控核聚變研究的投入 。全球大約有 40 多個國家開展了受控核 聚變的理論研究和實驗研究 。同時 ,由于受控核聚 變研究需要耗費巨大的人力 、財力 ,促使

13、國際間進一 步合作 。目前 ,歐盟 、中國 、美國 、日本 、韓國 、俄羅斯 和印度共同參與國際熱核聚變實驗反應堆 ( i t er)計劃 。值得一提的是 ,中國耗時 8 年 、耗資 2 億元人民 幣自主設計建造的新一代熱核聚變裝置 ( ea s t) 于現(xiàn)代物理知識 1994-2015 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 細推物理須行樂何用浮名絆此生漫談物理學家的體育愛好胡保革王洪鵬有一些教師在介紹物理學家的奇聞逸事時 ,往往過分強調他們對科學研究

14、的態(tài)度 ,把他們研究的 內(nèi)容描繪得高深莫測 ,使很多初學物理的學生認為物理學家都是一些“書呆子”。這種認識當然是片面 。物以類聚 、人以群分 ,物理學家無疑具有一些共 同的特征 ,但這種特征更多地表現(xiàn)在科學研究工作 中 。而在日常生活中 ,他們也是普通人 ,也有業(yè)余愛好 。如此看來 ,要全方位地介紹物理學家 、使學生正 確理解物理學家 、培養(yǎng)學生對物理的學習樂趣 ,也需 要向學生介紹物理學家作為“人”的一面 。實際上 ,大多數(shù)物理學家都是既懂工作 、又會生 活的精英 。在他們的業(yè)余愛好中 ,體育 、音樂 、文學 、戲劇占了很大比例 ,散步 、旅行也很受歡迎 ,少數(shù)的 還對美術 、文學創(chuàng)作 、收

15、藏等有興趣 ,很多人甚至有 多種愛好 。在音樂方面 ,例如牛頓喜歡六弦提琴 ,愛 因斯坦喜歡小提琴 、鋼琴 ,普朗克喜歡鋼琴 。愛因斯 坦在 6 歲時就學拉小提琴 ,曾經(jīng)夢想成為一名小提琴演奏員 ,后來雖然放棄了這一夢想 ,但是對小提琴 的感情卻始終如一 。在談及音樂和科學的關系時 ,愛因 斯 坦 認 為 世 界 可 以“由 音 樂 的 音 符 組 成 , 也 可以 由 數(shù) 學 公 式 組 成 ?！倍砹_斯第 一 位 全 能 型 科 學 家 羅 蒙 諾 索 夫 ( m . v .lo mno sov ,1711 1765) 寫 有 長 詩 、贈 詩 、悲 劇 及 諷 刺文章 ,創(chuàng)造了富有哲理和崇

16、尚激情的頌詩等 ,以致 很多人認為有兩個羅蒙諾索夫 。馮卡門在科學 、技術及教育等方面都有卓越貢獻 ,是“航空航天時代的 科學奇才”,被譽為“火箭之父”。他喜歡收藏東方的 珍玩器物 ?？茖W雜志對馮卡門 1929 年的中國之 行做了報道 ,稱 “: 馮卡門平生酷愛東方文物 ,言及 在家中 ,辟有精室 ,專為陳列中國及日本珍玩器物之用 。飲食亦嗜中國之調味 ?！?物理學家的體育愛好可以說多種多樣 ,本文僅做簡要介紹 。富蘭克林喜歡游泳 、騎馬 、舉重 ,普朗 克熱愛登山和散步 ,盧瑟福喜歡足球 、登山 ,玻爾喜 歡足球 、乒乓球 、帆船 、滑雪 ,愛因斯坦喜歡登山 、劃船 、自行車 ,居里夫人喜歡

17、滑雪 、游泳 、騎自行車 ,費 米喜歡網(wǎng)球 、登山 、跑步 ,布勞恩幾乎是全能運動員 。2006 年 9 月 28 日首次成功完成放電實驗 。這次試驗是由中國科學院等離子體物理研究所 ea s t 國家 大科學工程實施 ,獲得電流 200 千安 、時間接近 3 秒 的高溫等離子體放電 。ea s t 集全超導和非圓截面 兩大特點于一身 ( 全超導表示約束等離子體的磁體為全超導磁體 ,非圓截面是指等離子體截面為非圓 截面 ,這是一種比圓截面更先進的等離子體位形) , 且具有主動冷卻結構 ,能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的 、具有先進運行 模式的等離子體 。ea s t 成為世界上第一個建成并 正式投入運行的全超導非

18、圓截面核聚變實驗裝置 , 標志著我國核聚變研究已達到國際先進水平 。據(jù)新 華網(wǎng)北京 07 年 1 月 22 日報道 ,不久前 ,我國科學家 通過給位于成都附近的中國環(huán)流器二號 a 核聚變 實驗裝置不斷加熱 ,使其內(nèi)的等離子體電子溫度“躍 升”到 5500 萬攝氏度 ,朝聚變裝置“點火”所需的上 億攝氏度高溫邁進了一大步 ,成為迄今為止我國磁 約束核聚變裝置達到的最高等離子體溫度 ,標志著19 卷 2 期 (總 110 期)我國磁約束核聚變研究再上一個新臺階 。ea s t 和中國環(huán)流器二號 a 核聚變裝置是我國目前擁有的 兩個較為著名的核聚變實驗裝置 ,它們必將為人類 的能源事業(yè)做出巨大貢獻 。若未來穩(wěn)態(tài)運行的熱核聚變反應堆能夠投入商業(yè)運行 ,就能提供無限的 、潔凈的 、安全的能源 ,將使 人類未來很長一段時間的能源問題得到徹底解決 。 核能除了發(fā)電 ,還可供熱 ,以及作為動力能源 。由于 核動力不需要空氣