這個世界運作的真相

蔡孝祺

發佈於洗腎室裡的讀書筆記2025

2025/12/25 更新2025/12/25 發佈閱讀 25 分鐘

這個世界運作的真相：以數據解析人類經濟和生存的困局與機會

How the World Really Works: A Scientist’s Guide to Our Past, Present and Future

Vaclav Smil 2022 商周出版

分類：論說--理論

★★★☆☆

一句話：

提供「物質層面的現實」的數據，讓一般大眾了解我們的生存必須，以及賴以生存的世界如何運作。

重要字句：

現今世界太過複雜，大多數人對於世界如何運作只有粗淺的了解，都市化和機械化是主要的原因。都市居民和生產方式與設備脫節，只有極少數人從事關於提供文明的能源和構成現代世界的材料的工作。此外科技業和資訊業的興起讓這些所謂較「傳統」的產業和知識受到忽略。

現代世界是能量轉換累積而來的成果。

最基本生存最重要的的化石燃料是用在食物生產上

水泥、鋼鐵、塑膠和氮，這四種現代社會不可或缺的材料，生產過程都大幅依賴化石燃料。

摘要：

了解能源：燃料與電

能量轉換是生命和演化的基礎，現代歷史可視為新能源快速轉型的一系列過程。

能量的結構性轉變：

三十五億年前：開始有簡單的單細胞光合微生物。
四百多萬年前：小型猿猴直立行走，經常待在陸地。
幾十萬年前：首次體外能量的使用，火將植物的化學能轉換為熱能和光。
一萬年前：種植作物，控制一部分地球的總光合作用。
九千年前：馴化動物。人類第一次使用肌肉以外的體外能量。
1500年：有用的機械能當中，90%以上來自於有生命的人力和畜力。
1620年：英國以煤炭來供應熱源超過生質燃料。
18世紀初：蒸汽機，第一個以化石燃料為動力的無生命發動機。
1770年：瓦特改良蒸汽機。
1850年：動能中只有15%來自無生命的發動機：水車、風車和蒸汽機。
1900年：發生顯著變化。初級能源中，現代能源(燃煤和原油)占了一半。
1950年：無生命的發動機(內燃機為主)提供80%以上的機械能。

現階段地球上居民平均擁有的有用能源，約為十九世紀初的七百倍。人均消耗量從1900年的16億焦耳，增加到2000年的61億。

現代經濟學忽略了實際生產過程中能源的重要性，只有在特別具有商業價值的能源價格飆升時，才會特別關注。

能量最常見的定義：作功的能力，且有非常多種形式。

能量取代的問題：價格昂貴；不可能達到所需的規模。

石油：

燃料的能量密度(越高越適合運輸，單位是十億焦耳/噸)：煙煤24-30，煤油和柴油46。就體積而言，燃料的能量密度(十億焦耳/立方公尺)：天然氣0.035，木材10，優質煙煤26，煤油38。
液體燃料(原油)的優點在於更容易生產、儲存、配送，且生產時還可生產出潤滑油或瀝青等非燃料產品。到了1964年，原油超過煤炭成為世界上最重要的化石燃料。
廉價石油帶來經濟的快速擴張，從1950到1973年，美國的GDP就增加為兩倍多。1973到1975年，油價上漲使全球經濟成長率下降了大約90%。
石油在全球商業初級能源供給的比重從1970年的45%，降為2000年的38%和2019年的33%。預期這個比例將因為天然氣以及風力和太陽能發電而進一步下降。

電力：

商業發電始於1882年愛迪生設計的燃煤發電廠，以及一座水力發電廠。1900年，化石燃料不到2%是用於發電，現在約為25%。2020年水力發電占全球發電量16%，2/3來自於煤炭與天然氣。
即使在現代，儲存的電量仍不足以供應一個五十萬人的城市一到兩周的需求。

脫碳：

發電進展速度會最快，因為太陽能或風能每單位的安裝成本已經和化石燃料不相上下。但困難仍在於間歇性問題、儲存電量與輸送問題。
儲存大量電力目前唯一可行的是抽水蓄能，但在把水抽上來的過程會消耗1/4的發電量，其它的能源儲存裝置即使是大都市一天的量都不夠。
除了發電以外的脫碳較為困難，例如理想的核能發電受到強力反彈、長途運輸使用電池的燃料能量密度太低而不可行、四大支柱的製程完全依賴電力。
即使各國投入鉅資大規模擴增再生能源，化石燃料在全球初級能源供給只從87%降到84%。

了解食物生產：食物的幕後推手──化石燃料

對地球生態系統影響最大的就是食物生產，已占非冰河土地的三分之一。

食物生產的發展：

古埃及時期每公頃耕地的人口密度約1.3人，已經比覓食社會高出兩三個數量級。到十六世紀明朝的集約化耕作才達到每公頃3人。
1950年，世界能為8.9億人提供足夠的食物，2019年已經上升至70億人。營養不良率從人口的1/3降至1/10。

最基本生存最重要的的化石燃料是用在食物生產上：包括作業機械的燃料、運送、灌溉、生產(農業機械、肥料、農用化學品)、溫室。除了太陽能量之外的人為能源補貼才是作物產量增加的重要原因。

以小麥為例，1807年生產每公頃需要150小時人力，以及大約70小時牛力，產量為一噸。2021年只需要不到兩小時的人力，產量約為3.5噸。生產一公斤美國小麥的人力從10分鐘縮短為不到2秒。

殺蟲劑和除草劑都是高度能源密集型產品，但肥料(氮、磷、鉀)雖然所需能源較少，但需要大量使用以提高產量。1909年哈伯發明了合成氨，加上引進了高產量品種和更高的氮肥使用量，創造了綠色革命。

生產食物的能源：

生產一公斤麵包原料大約需要80毫升的柴油當量，但碾磨穀物、烘焙、配送所消耗的能源當量可能高達600毫升。
食用雞肉的飼料成本每公斤約150-750毫升的柴油當量，飼料的跨洲貿易讓能源成本進一步上升。若加上屠宰、加工、烹飪，一公斤雞肉需要的總能量至少300-350毫升。
溫室番茄是施肥量數一數二的作物，加上設備、水、暖氣，約為650毫升/公斤，和一般人想像得不同，成本高得驚人且番茄裡面95%是水。
捕撈海生動物能源密度最高的是雙殼貝類，消耗能源最低從100毫升/公斤(如沙丁魚)到10公升/公斤(龍蝦、野生中型蝦)。水產養殖的海洋物種是肉食性，需要富含蛋白質的魚粉和魚油。地中海鱸魚的養殖能源成本是2-2.5公升/公斤。較不受歡迎的草食性鯉魚通常不超過300毫升/公斤。
從1900年到2000年，農業中的人為能源補貼增加為90倍，主要投入於農用化學品和機械消耗。生產一公斤糧食所需的勞動力減少98%以上。
如果想要脫碳完全回到有機種植，需要大多數人回到農村生活，額外幾百隻的牲畜，以及更大面積的農地。
若以動物的排泄物為肥料含氮0.5%，還不計入揮發的損失，尿素則含有46%的氮。全球的農作物收成中，至少有一半是歸功於合成含氮化合物，不可能以有機來源取代。

減少食物浪費：

全球損失了總食品供應量的至少三分之一。
適度食用肉類，每年吃的肉量不需超過成人的體重即可獲得足夠的蛋白質，而許多高收入國家每年的肉類供應量接近人均100公斤。
減少肉類食用可以減少作物收成量，因為大部分的穀物是當做動物飼料。

了解材料世界：水泥、鋼鐵、塑膠和氮

這四種材料對於食物和能源供給這兩個生存必需品相當重要，對於現代社會的運作不可或缺，而且不可能在不久的將來被大規模取代。它們的生產取決於化石燃料，其中一些燃料還為合成氨以及塑膠提供原料，生產過程中消耗世界主要能源供給的17%，占二氧化碳排放量25%。到2050年這些產業都不太可能消除對化石燃料的依賴。

氨：

如果沒有合成氨(氮肥)，約四十億人將無法生存。1913年，第一座使用「哈伯--博施法」的合成氨工廠啟用。
氨80%用於作物施肥，其於用於製造硝酸、炸藥、窗戶等等，我們可以透過減少吃肉、減少食物浪費和更有效使用肥料以降低對氮的依賴。
目前占大宗的尿素是含氮量最高的固態肥料(46%)。
每年合成的氨約1.5億噸，近60%的肥料用於亞洲，非洲大陸的使用量不到歐洲的三分之一。

塑膠：

全球產量以熱塑性塑膠為主，低密度和高密度乙烯PE占20%以上，聚丙烯PP占10%以上。塑膠從1950年的兩百萬噸增加到2000年的1.5億噸，2019年約3.7億噸。
熱塑性塑膠結合了低比重和相對高硬度兩種特點，可用於重型管道、化學槽、汽車內外零件與大燈殼、飛機內部。
塑膠在醫療用品和個人防護裝備也扮演不可或缺的角色。

鋼：

現代的鋼由鑄鐵製成，將高碳含量降成重量百分比0.08-2.1%，具抗壓強度且抗拉強度也提高，抗拉強度為鋁的七倍，硬度為鋁的四倍，而且很耐熱。
鐵在地殼中含量豐富(6%)，僅次於氧、矽和鋁，年產量約為25億噸，主要產地是澳洲、巴西和中國，資源量超過8000億噸。
鋼的種類有碳鋼(橋樑、冰箱、齒輪、剪刀)；合金鋼(合金用以改善物理性質)；不鏽鋼(含有鉻)、工具鋼(抗拉強度更高，可用於切割金屬、製作模具)。
我們使用的所有產品，幾乎都是用鋼製的工具和機器提取、加工、成型和配送。
現代大眾運輸的橋樑、路燈燈桿、交通號誌、防撞護欄、纜車鋼塔、高壓輸電塔都需使用鋼。鋼材約占飛機重量的10%，每輛汽車平均含有900公斤的鋼材。貨櫃船使用標準尺寸的鋼箱運輸貨物。
煉鋼的能源密集度相當高，約占全球初級能源供應的6%，占化石燃料燃燒排放的碳7-9%，和生產水泥比例差不多。
鋼可用電弧爐回收利用，但電力需求非常大。富裕經濟體幾乎回收了所有的汽車廢料，結構鋼材的再利用率也大於90%。中國、印度和土耳其是最大的廢鋼買家。

混凝土：

混凝土的抗壓強度相當好，但抗拉強度較弱，加入鋼網等加強材料可以改善。
羅馬萬神殿的穹頂是直徑最大的無筋混凝土建築，至今兩千年仍完好無缺。
現代水泥在1824年由英國泥水匠阿斯普丁取得專利。1930年辛辛那提的英格爾大樓是世界上第一座鋼筋混凝土摩天大樓。
中國在1985年超過美國成為第一大生產國，2019年產量為22億噸，占全球總量的一半多一點，用於大眾運輸、建築、發電廠。

展望：

如果當今的低收入現代化國家都複製中國的經驗，這些材料的用量都將倍數增加。如果目前不使用化石燃料，就無法生產這些不可或缺的材料。
綠色發電的大型風力渦輪機也是化石燃料的化身。
電動汽車需要依賴的新材料包括鋰、鈷、鎳，其開採和加工也需要大量額外的化石燃料。

了解全球化：引擎、微晶片和運輸

本章主要解釋技術進步如何推動全球化的浪潮。

全球商品貿易每年接近20兆美元，全國外國直接投資在這20年增加兩倍接近1.5兆美元。

全球化不過是人類構建出來的現象，經濟社會的發展並非註定如此。

中國目前是全球化最大的受益者，從1980到2015，因為重新加入全球經濟體系，極端貧困的人口減少了94%。

全球化的起源相當的早，但直到1492年納入新大陸以及1519年首次環繞世界，才真正符合全球化的定義。

在結合了可靠的定位方式(1765年的天文鐘)、蒸汽動力取代風帆(1880年採用高效能的發動機)、螺旋槳(1840年代)、鋼製船體(1877年開始)，全球化邁進了一大步。

電報是第一個全球通訊工具，第一條橫跨大西洋的電纜於1858年鋪設。當電纜將各洲大陸連接，資訊帶動了國際貿易。

隨著洲際運輸持續發展，加上1840年代以後鐵路快速建設，創造了第一波真正大規模的全球化浪潮。

在兩次世界大戰之間的幾十年裡，柴油引擎，往復式汽油發動機的飛機和無線電通訊，推動了進一步的全球化。1950年以後的這段時期(-1974)，主要是以效率更強大的柴油引擎設計；新的燃氣渦輪機作為噴射客機的推進器；貨櫃化的洲際運輸；伴隨電腦而來的資訊處理能力。這個階段全球的年平均成長率和每人平均所得，是上次全球化浪潮的2.5倍。

由於中國、印度和俄羅斯逐漸參與全球的貿易和旅遊流通，國際貿易的比重從1973年約30%上升至2008年的61%，貿易總量幾乎成長六倍。

全球化在2000年代中期達到轉折點，商品生產價值鏈的貿易密集度明顯降低，而且現在全球商品貿易中，只有大約18%是來自較低的勞動力成本，且比重一質下降。全球價值鏈變得越來越知識密集。

了解風險：從病毒、飲食到意外

風險的來源：人類身體的高複雜度；大自然的力量不可預測；複雜機器的人為疏失。

飲食：風險最小的飲食型態(預期壽命可達八十歲以上的相關飲食)

作者忽略媒體上不可信的飲食建議，以及依賴參與者回想飲食的期刊文獻。
日本(女性預期壽命87.7歲)和美國每天消費的食物能量總數十分接近，蛋白質消費量都遠高於所需的最低標準。差距在於脂肪攝取量(美男多45%)和糖分(美國高出70%)。
西班牙(女性預期壽命86.2歲)傳統遵循地中海飲食，雖然因平均收入提高增加了更多肉類(日本平均值的兩倍)、脂肪和糖分，心血管死亡率卻一直下降。
飲食只是影響壽命的其中一個要素，但這是相對簡單的風險評估方式。

風險容忍度：

風險的認知本質上就很主觀，可以說沒有所謂的「客觀風險」。風險認知取決於我們對特定危險的理解(熟悉的風險還是新的風險)以及文化環境。
風險的錯誤認知包含人們認為自己能控制或是可以評估可能出現的結果(習慣於低估自願、熟悉的風險)，就會比較願意去從事危險的行為，而將非自願風險看得更為嚴重。
恐懼感在風險感知中相當重要，例如恐怖攻擊的不可預測性和被媒體渲染的恐懼。
例子：儘管核能發電不會影響國民平均壽命，也能防止化石燃料發電空汙造成的死亡，對於吸菸、開車(車禍每年造成全球超過120萬人死亡)、暴飲暴食來說，對核能發電還是有普遍過度的恐懼。

量化風險：

並不容易，且沒有完美的衡量標準。
2017美國每十萬人死因發生頻率：兇殺案(6)、白血病(7.2)、意外跌倒(11.2)、乳癌(13.1)、胰臟癌(13.5)、糖尿病(25.7)、交通事故(52.2)
心血管疾病是所有富裕國家的主要死因。
如果換算每小時風險暴露的死亡率，駕駛的危險比搭飛機多出一個數量級，如果與待在家中相比，駕駛期間的平均死亡機率增加約50%。
致命天災，例如龍捲風、洪水和地震的每小時風險暴露死亡率比只是活著的風險低三個甚至更多數量級，因此居民在同一個地點重建家園的決定並非不理性或魯莽。但值得注意的是，根據再保險公司的統計，全球每年天災發生的頻率和付出的經濟成本都在增加。

終結文明的風險：

COVID大流行證明，即使是連每幾十年就會重複出現的風險，我們長期以來都尚未準備好如何應變。
日冕物質拋射(1859, 1903, 1921)不會致命且罕見，但會造成電子產品和電網的巨大破壞。

病毒大流行：

H2N2(1957-1959)造成110萬人死亡，總死亡率為十萬分之38。H3N2(1968-1970)造成100萬人死亡，總死亡率為十萬分之28。H1N1(2009)造成20萬人死亡，總死亡率為十萬分之3。季節性流感的死亡率約為十萬分之6，七成為65歲以上。
2007到2015期間，世界經濟論壇公布的全球風險報告以金融危機排名第一，大流行威脅從沒有位居前三大風險。

面臨風險的問題：

我們對於影響層面廣但出現頻率較低的風險，總是沒有做好準備。
對於剛發生的可怕經驗高估相關風險。
大眾對風險的反映主要來自於對於未知的事情造成的恐懼，而非評估比較之後得實際結果。

了解環境：我們唯一擁有的生物圈

適合居住的安全地球限度planetary boundaries

氣候變遷(全球暖化)
海洋酸化(危害依賴碳酸鈣建構身體的海洋生物)
平流層臭氧遭到破壞
大氣中的氣溶膠濃度
對氮和磷循環的干擾(這些營養物質會進入淡水和沿海)
乾淨水源使用
土地利用改變
生物多樣性喪失
化學汙染

氧氣：

全球人口每年大約需要27億噸氧氣，占大氣中存在氧氣比率的0.00023%。
地球上的陸地植物大約含有5000億噸的碳，即使全部燒毀也只會消耗0.1%的氧氣。
氧氣在大氣中的存在其實一直非常穩定，森林大火的危害不包括使我們缺氧。

水：

問題不在短缺，而在於分布不均且管理不當。
每年人均生存必要約750公升的水，其他需求每天最少也要15-20公升。
水在國家整體經濟中扮演關鍵的角色，特別是食物生產。

食物：

食物生產已使用了地球非冰河土地的三分之一，新農地的總體成長率已大幅趨緩。如果採用更好的耕作方式和減少浪費，就能減少土地和氮肥用量
磷和鉀目前沒有立刻枯竭的問題，真正的問題在於當它們在水中(富營養現象使藻類過度生長)會對環境和經濟產生什麼後果。減少肉類消費以降低生產飼料穀物的需求會是最重要的調整措施。

全球暖化：

我們早在至少150年前，就已經意識到且清楚明瞭溫室氣體排放的問題，並非最近的超級電腦或是氣後模型所得到的預測。
1861年，諾貝爾獎得主阿瑞尼斯首先算出二氧化碳含量在工業革命之後加倍，導致全球表面溫度升高，並提供相當準確的預測。
在2010年代後期，全球陸地和海洋表面的平均溫度，比二十世紀高出一度。
溫室效應的作用，來自透過占不到1%的二氧化碳和甲烷吸收向外散發的紅外線輻射，調節地球的大氣溫度。
水氣是向外輻射最重要的吸收體，大部分的大氣暖化都是由它促成，但它不能控制大氣溫度，因為變化的溫度決定多少水能以氣體形式存在。所以地球的自然暖化是由微量氣體控制。

溫室氣體：

化石燃料和水泥的生產產生的二氧化碳(1900年290ppm，2020年420ppm)，占人為暖化效應的75%
來自稻田、垃圾掩埋場、牛和天然氣生產的甲烷及一氧化二氮。

實質有效的脫碳措施：

技術進步：增加轉換效率；增加核能與水力發電；製程減少浪費。
生產和管理轉變：轉向天然氣；降低能源密集度、材料回收。
降低牛肉的比重，提高飼養效率。
減少不必要的食物貿易。

對水的影響：

全球人均供水量減少，更多人面臨水資源不足。
避免供水短缺，管理需求的成效更大。
全球暖化使水循環加劇，降雨更多但更不平均。
增加植物的水分流失，但植物的水分利用效率也會增加(二氧化碳增加)。

暖化的未知與現實：

有些節能措施(隔熱材料、三層玻璃窗、高效率暖氣爐、減少排放量比一般汽車多25%的休旅車)可以增加生活的舒適度而且有效節能；有些刻意發展的新能源轉型反而增加化石燃料的消耗。
經過了幾次大型氣候會議，從1992到2019，全球二氧化碳排放量上升了65%。
過去三十年，全球人均能源需求增加了20%，能源需求能大幅下降的前提是大幅減少擁有商品、降低數位化、能源轉換和儲存的創新可以迅速普及。
如何使用再生能源生產現代文明的四大支柱，以及將運輸無碳化，所謂的「綠色新政」也缺乏實際的做法。以德國為例，在20年間將風能和太陽能發電比重提高到40%以上，化石燃料比重僅從84%降到78%。
目前需要依賴碳的活動規模龐大、成本很高，而且技術無法立刻革新。

對於熱帶森林砍伐或生物多樣性喪失、土壤侵蝕或全球暖化這些問題，其實都沒有快速、通用且普遍可行的解決方案。全球暖化最大的人為因素就是燃燒燃料，但燃燒燃料正是構成現代文明的巨大能源基礎。如果非碳能源要在十年到三十年間完全取代化石燃料，唯一的方法是，我們願意大幅降低所有富裕國家的生活水準，且不允許亞洲和非洲現代化國家改善他們的土地。

展望未來，若要推動有意義的變革，主要的力量越來越會落在亞洲的現代化經濟體上：排除掉高收入、低人口成長或負人口成長的日本、南韓和台灣，亞洲現在的排放量占了全球的一半。

撒哈拉以南的非洲地區，目前的轉型速度慢得多，但是在未來三十年內，目前約十一億的總人口將增加近一倍，人口數量會比中國（是所有低收入經濟體渴望仿效的國家）多出近50%，一項對非洲大陸電力未來的重要評估，顯示出將由化石燃料發電占主導地位。

富裕國家可以大幅減少人均能源使用量，同時仍能維持舒適的生活品質，普遍推行簡單的技術方案，也會產生顯著的累積效應，包括強制安裝三層玻璃窗，或是更耐用的車輛設計；將食物浪費減半，改變全球的肉類消費量，就可以減少碳排放，卻不會減少食物供給的品質。顯而易見的是，在即將到來的典型低碳「革命」清單中，這些措施並沒有列在上面，而低碳革命往往是依賴目前仍未完成的大規模電力儲存，或是不切實際的承諾，例如說要大規模捕獲碳儲存在地下。

了解未來：終結與無限

現在任何人都可以預測，即使沒有任何數學背景，只要使用外掛軟體或單純只是做出毫無根據的定性預測。現代預測的數量會跟品質成反比，這一點跟許多其他新發展的成果（資訊流、教育大眾化）一樣。

過去對於全球道路運輸電動化的近期預測，幾乎一致高估了實際的比例：在2014年到2016年間，預測到2020年會高達8-11％，而實際上只有2.5%。

可怕的預言和完全不切實際的承諾比比皆是。最近愈演愈烈的災難性事件，主要集中在整體環境退化（environmental degradation），特別是擔憂全球氣候變遷。一些預言聲稱，若要避免全球災難，我們可能只剩大約十年的準備時間，而在2020年1月，瑞典環保少女桑伯格（Greta Thunberg）甚至說只剩八年。……這種一再重複且能加以預測的預言(不論出發點多麼善意)，並沒有提供任何實用的建議，教我們如何採取最佳的技術解決方案、教我們如何最有效的方式在法律上約束全球一起合作、或是教我們如何解決艱鉅的挑戰，像是說服人們需要投入大筆支出，但在未來幾十年都看不到成效。

大型複雜系統的慣性是來自於基本的能源和材料需求，以及營運的規模。對能源和材料的需求，經常會受到追求更高的效率和生產流程優化所影響，但改善效率和相對的去材料化都有實際上的限制，而新替代品帶來的優勢將被成本抵銷。

在這個文明中，生產出來的基本商品，現在要服務的對象接近八十億人，因此任何偏離既定作法的行為也會一再碰到規模上的限制。

儘管新的再生能源(風能、太陽能、新的生物燃料)供應量在二十一世紀的前二十年中，大幅增加約五十倍，但全球對化石碳的依賴只略微下降，從總供應量的87%降到85%，這個相對較小的降幅主要可歸因於水力發電擴大，而水力發電是一種舊的再生能源形式。

所有電子設備的電力來源主要有兩種：一種是於1184年發明的蒸汽渦輪發動機；另一種是1938年開始應用在商業上的燃氣渦輪機。雖然花一個世代的時間就可以用行動電話取代十億台有線電話，可是在同樣的時間內，不太可能以太陽能電池或風力渦輪機，取代蒸汽渦輪發動機和燃氣渦輪機產生的幾兆瓦電力。這整個發電、轉換和傳輸電力的產業，需要大規模的基礎設施來建造、重建和維護。

新冠肺炎以完美(而且代價昂貴)的方式提醒了全球，我們規畫未來的能力有限，而且就算在接下來的世代，這一點也不會突然大幅改變。……人們沒有從適當的歷史觀點看待這個挑戰，其實我們還經歷了三次顯著(而且更好理解)的事件，卻沒有在我們集體的記憶中留下任何深刻的印象。

處理全球氣候變遷的困難之處：