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工業的巨輪──《人類大歷史:從野獸到扮演上帝》

一切的源頭都是太陽能

早在工業革命前的數千年,人類就已經知道如何使用各種不同的能源。像是可以燃燒木材,用火力來煉鐵、取暖、烤蛋糕。用帆取得風力就能推動帆船,用水車取得水力就能用來碾穀子。然而,這些使用方式都有明顯的限制和問題:火力得先取得木材,風力得靠天賞臉,至於水力一定得住在河的附近才成。

還有一個更大的問題,就是我們不知道如何進行能量間的轉換。譬如風力可以推船、水力可以推石磨,但卻沒辦法拿來煮水或煉鐵。相對的,燃燒木頭的熱力也無法推動石磨。在當時想要轉換能量,只能靠一種東西:人類或動物自己的身體。在自然的代謝過程裡,人類和其他動物燃燒有機燃料(也就是食物),把能量轉換為肌肉運動。於是,男男女女或動物攝取穀物和肉類,燃燒碳水化合物和脂肪,再用這些能量來拉車或拖犁。

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在機器不普及的年代,獸力人力是動力的主要來源。圖/wiki

因為所有能量轉換只能靠人類和動物的身體,當時幾乎所有人類活動靠的就是肌肉的力量。人類的肌肉能用來造車蓋房,牛的肌肉能用來拖犁耕田,馬的肌肉能用來運輸貨物。而所有能用來供應這些「有機肌肉機器」的能量來源只有一種:植物。至於植物的能量,則是來自太陽。植物靠光合作用,將太陽能轉為有機化合物。

由此看來,歷史上人類成就的幾乎所有事情,第一步靠的都是將植物取得的太陽能,轉換為肌肉的力量。

正因如此,人類歷史在過去一直是由兩大週期來主導:植物的生長週期,以及太陽能的變化週期(白天和黑夜,夏季和冬季)。

陽光不足、穀物尚未成熟的時候,人類幾乎沒有能量可用。這時穀倉空空,收稅員無事可做,士兵無力行軍或打仗,各個國王也覺得以和為貴。但等到陽光充足、穀類成熟,農民的收穫堆滿了穀倉,收稅員四處忙著收稅,士兵頻頻操練、磨刀利劍,國王也召集大臣,計畫下一場戰事。這一切的源頭都是太陽能—這時候已經取得並封裝在小麥、稻米和馬鈴薯裡了。

廚房裡的祕密

在這之前的幾千年間,人類每天都面對著能源生產史上最重要的發明,卻總是視而不見。每次有哪個家庭主婦或僕人想要燒水泡茶,或是把裝滿了馬鈴薯的鍋子放在爐子上烹煮,這項發明就這樣大剌剌的呈現在他們眼前。在水煮沸的那一刻,水壺或鍋子的蓋子會開始跳上跳下。這時熱能轉換為動能,但是我們過去都只覺得這樣亂跳有點煩人,至於一時忘記而讓水煮乾,就更麻煩了。沒人注意到這件事的真正潛力。

第九世紀中國發明火藥,可說有了小小的突破,能讓熱能轉換成動能。一開始,要用火藥推動彈丸,聽來實在太有悖常理,所以長久以來,火藥只是拿來製作炸彈。直到後來(起因可能是某些炸彈專家在研缽裡磨火藥,磨杵卻被大力炸飛?),才終於發明了槍枝。而要再從火藥發展為有效的火炮,就又過了大約六百年。

即便如此,要將熱能轉化為動能的想法,仍然太過天馬行空,所以要再等三個世紀,人類才發明了下一種使用熱能來移動物品的機器。這項新科技是在英國煤礦坑裡誕生。隨著英國人口膨脹,森林遭到砍伐,一方面是取得木柴做為燃料推動經濟成長,一方面也是為了要有居住地和農業用地。於是,英國逐漸面臨木柴短缺的問題,開始燒煤做為替代品。許多煤礦層都位於會淹水的地區,而且只要淹水,礦工就到不了較低的礦層。

這個問題必須解決。大約在1700年左右,英國的礦井裡開始迴盪著一種奇特的噪音,可說是吹起了工業革命進擊的號角,一開始只是微微在遠方響起,但十年十年過去,聲音也愈趨雄壯,直到最後,整個世界都籠罩在震耳欲聾的聲響之中。

這就是蒸汽機。

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瓦特蒸汽機模型。圖/wiki

蒸汽機種類繁多,但都有一個共同的原理:燃燒某種燃料,例如煤,再用產生的熱將水煮沸,產生蒸汽;接著蒸汽推動活塞,讓活塞來回移動,而連接到活塞的任何機械裝置也就跟著移動。這麼一來,熱能便轉換為動能了!在十八世紀的英國煤礦坑裡,是將活塞連接到幫浦,好把礦井底部的水給抽出來。最早的引擎效率低到難以想像。光是想抽出一點點的水,就得燒掉極大量的煤。然而,當時礦煤充足、又近在咫尺,倒是沒人在意。隨後的幾十年間,英國人改善了蒸汽機的效率,還把它請出了礦坑,用在紡織機和軋棉機上。紡織生產彷彿脫胎換骨,開始廉價生產愈來愈大量的紡織品。轉眼之間,英國就取得了世界工廠的地位。但更重要的是,把蒸汽機請出礦坑,可說是打破了一項重要的心理關卡。如果燒煤能夠讓紡織機動起來,為什麼不能讓其他的設備,像是車輛,也這麼動起來?

釋放物質蘊含的力量

1825年,一名英國工程師將蒸汽機裝到了一輛滿載煤炭的貨車上,讓引擎將這輛貨車沿著鐵軌,將煤炭從礦場送到約二十公里外的港口。這是史上第一臺蒸汽動力火車。想當然耳,既然蒸汽可用於運送煤炭,為什麼不能運送其他商品呢?甚至,為什麼不能載運人呢? 1830年9月15日,第一條商業化鐵路開通,連接了利物浦與曼徹斯特,用的同樣是與抽水或紡織相同的蒸汽動力。不過短短二十年後,英國的鐵軌長度已達數萬公里。從此之後,人類就深深著迷於如何使用機器和引擎,轉換各種能量。只要發明出適當的機器,世界上任何地方、任何類型的能量都能為我們所用。舉例來說,物理學家發現原子內儲存著巨大的能量,就開始思考要如何釋放這種能量,用來發電、推動潛艇,或是摧毀城市。從中國煉丹術士發現火藥,到土耳其人用大炮粉碎君士坦丁堡的城牆,之間足足過了六百年。但是從愛因斯坦發現質量可以轉化為能量(也就是E=mc2)之後,僅僅過了四十年,原子彈就已經落在廣島和長崎上空,核電廠也如雨後春筍般遍布全球。

另一項重要發明是內燃機,僅僅花了不到一個世代的時間,就徹底改革了人類的運輸,也讓石油變成一種液態的政治權力。在這之前數千年,我們早就知道了石油的存在,但只用來為屋頂防水、替軸輪潤滑。就算到了大約一個多世紀前,大家還是認為石油就只有這些用處。說要為石油流血打仗,簡直是笑話。當時為了土地、黃金、胡椒或奴隸打仗,或許天經地義,但為了石油,可是萬萬說不過去。

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石油其實在幾千年前就已出現在人類的文明中,但直到內燃機的出現,才讓石油變成一項各方勢力角逐的資產。圖:wiki

至於電力的發展更為驚人。在兩個世紀前,電力對經濟還毫無影響力,多半只是用來做些神祕的科學實驗,或廉價的魔術把戲。

但有了一系列的發明之後,電力就成了我們有求必應的神燈精靈。

手指一彈,就能印刷出書本、織出衣服、保持蔬菜新鮮、冰棒不融化,還能煮晚餐、處決死刑犯、記錄我們的想法和笑容、讓夜間亮起燈光,還讓我們有無數的電視節目可看。我們很少有人瞭解電力運作的機制,但更少人能夠想像生活中沒有電力該怎麼辦。

能源的大海汪洋

工業革命的核心,其實就是能源轉換的革命。我們已經一再看到,我們能使用的能源似乎無窮無盡。講得更精確些,唯一的限制只在於我們的無知。每隔幾十年,我們就能找到新的能源來源,所以人類能運用的能源總量是不斷增加的。

為什麼這麼多人擔心我們會耗盡所有能源?為什麼他們擔心我們用完所有化石燃料之後,會有一場大災難?顯然,這世界缺的不是能源,而是「能夠駕馭並轉換成符合我們所需」的知識。如果與太陽任一天放射出的能量相比,全球所有化石燃料所儲存的能源,簡直是微不足道。太陽的能量只有一小部分會到達地球,但即使是這一小部分,就已經高達每年3,766,800艾焦(exajoule,exa代表10的18次方,焦耳joule是能量單位,在地心引力下將一顆質量1公斤的蘋果抬升1公尺,所需的能量就是1焦耳;艾焦是10的18次方焦耳,這可是要抬舉很多很多顆蘋果呦。)全球所有植物行光合作用,也只能保留大約3,000艾焦的能量。現在,人類所有活動和產業每年約消耗500艾焦的能量,而地球只要大約短短90分鐘,就能從太陽接收到這麼多能量。而且,這還只是太陽能而已。我們還有其他巨大的能量來源,像是核能、像是萬有引力。萬有引力最明顯的例子,就是因為受到地球與月球相互吸引而形成的潮汐作用。

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若能好好善用太陽源源不絕提供的能量,我們或許能夠真正保護一個乾淨的地球。圖:Bruno Caimi

在工業革命之前,人類的能源市場幾乎完全只能靠植物。這就像是住在一座容量每年3,000艾焦的水庫旁邊,想辦法盡可能多抽一點水出來。然而,到了工業革命時期,人類發現能使用的能源不是一座水庫,而是一整片海洋,容量可能有幾十億艾焦。我們唯一需要的,只是更好的抽水幫浦罷了。

提煉原料新法

學習如何有效駕馭和轉換能量之後,也解決了另一個阻礙經濟成長的問題:原料短缺。等到人類找出方法駕馭大量而又廉價的能源之後,就開始能夠取得過去無法運用的原料,像是在西伯利亞荒原採集鐵礦;或者從愈來愈遠的地方將原料運來,像是從澳洲將羊毛運到英國的紡織廠。同時,科學上的突破也讓人類能夠發明全新的原料,例如塑膠;或是發現先前未知的天然原料,例如矽和鋁。

化學家一直要到1820年代,才發現了鋁這種金屬,但當時要從礦石中分離出鋁,非常困難、而且昂貴。於是,有幾十年時間,鋁的價值甚至比黃金還要高得多。在1860年代,法國皇帝拿破崙三世還會用鋁質餐具來宴請最尊貴的客人,至於那些二等的客人,就只能用黃金刀叉來湊合湊合。

但是到了十九世紀末,化學家發現了一種電解法,能夠大量、廉價提煉鋁,目前全球的鋁生產量堂堂達到每年3,000萬噸。如果拿破崙三世聽說這些屬民的後代,居然拿鋁做成拋棄式的鋁箔,用來包三明治、外帶剩菜,用完就丟,想必會大驚失色。

兩千年前,地中海盆地的人如果屬於乾性膚質,就會在手上抹橄欖油。而今天他們抹的是護手霜。我在附近一家店裡隨便買了一條簡單的現代護手霜,裡面的成分如下:

去離子水、硬脂酸、甘油、辛酸/癸酸甘油酯、丙二醇、肉荳蔻、酸異丙酯、人參根提取物、香料、鯨蠟醇、三乙醇胺、矽靈、熊果葉萃取物、抗壞血酸磷酸鎂、咪唑烷基脲、對羥基苯甲酸甲酯、樟腦、對羥基苯甲酸丙酯、羥基異己基3-環己基甲醛、羥基香茅醛、芳樟醇、丁苯基甲基丙醛、香茅醛、苧烯、香葉醇。

以上幾乎所有的成分,都是在過去兩世紀間才發明或發現的。

第一次世界大戰期間,德國遭到封鎖,造成原物料嚴重短缺,特別是可做成爆炸物的硝石,更是奇缺無比。德國本身不產硝石,當時最大的硝石產地在智利和印度。雖然用氨來取代硝石,也可以有同樣的效果,但當時要生產氨的成本還非常高。可以說德國人走運,他們的同胞、猶太裔化學家哈柏(Fritz Haber),在1908年發展了一套技術,幾乎只需要用空氣就能製備出氨。德國人很快將哈柏研發的技術投入工業生產,只要靠著空氣當原料,就能製作爆炸物。

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德國科學家哈柏(Fritz Haber),因為在第一次世界大戰期間他鑽研於化學武器工作,也被稱為「化學戰爭之父」。圖:wiki

有學者認為,要不是有哈柏的發現,德國絕無可能撐到1918年的11月。 而且,這項發現還讓哈柏贏得了1918年的諾貝爾獎,但可以想見他得的是化學獎,可不是和平獎。(哈柏在第一次世界大戰期間,也是引導使用毒氣的先驅。)


立體書封

 

人類大歷史:從野獸到扮演上帝》,天下文化出版。

本書作者 哈拉瑞(Yuval Noah Harari)希望滿足讀者的是:「請給我單單一本書,不到五百頁的篇幅,用清晰可讀的散文,不填塞一堆令人暈頭轉向的年份、人名、地名、稱號,就能涵蓋了人類如何崛起、如何被農作物綁架……乃至影響現代生活甚巨的資本主義、一神教、自由人文主義、基因工程……如何興盛的重大脈絡,讓我洞悉其中的關鍵和意涵。」

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