图书在版编目(CIP)数据

    你一定爱读的极简未来史(英)克里斯托弗·巴纳特著；侯

    永山译.—北京：北京联合出版公司，2019.1

    ISBN 978-7-5596-2816-9

    Ⅰ.①你… Ⅱ.①克…②侯… Ⅲ.①科学技术-技术史

    -世界-普及读物 Ⅳ.①N091-49

    中国版本图书馆CIP数据核字(2018)第270731号

    著作权合同登记 图字：01-2018-8465号

    25 Things You Need to Know About the Future by Christopher

    Barnatt

    Copyright ? Christopher Barnatt, 2012

    First published in Great Britain in 2012 by Constable, an imprint of

    Constable Robinson Ltd.

    This Chinese language edition is published by arrangement with

    Little, Brown Book Group, London.

    through Big Apple Agency, Inc., Labuan, Malaysia.

    Simplified Chinese translation copyright ? 2019 by Beijing Xiron

    Books Co., Ltd.

    All rights reserved.

    你一定爱读的极简未来史

    作 者：(英)克里斯托弗·巴纳特

    译 者：侯永山

    责任编辑：管 文北京联合出版公司出版

    (北京市西城区德外大街83号楼9层 100088)

    三河市冀华印务有限公司印刷 新华书店经销

    字数：256千字 710毫米×1000毫米 116 印张：18.5

    2019年1月第1版 2019年1月第1次印刷

    ISBN 978-7-5596-2816-9

    定价：45.00元

    未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书部分或全部内容

    版权所有，侵权必究

    如发现图书质量问题，可联系调换。质量投诉电话：010-82069336序言

    用未来的视角塑造我们的生活

    未来我们将会怎样生活？人类会如何演化？这对我们来说是

    两个重要的问题。对于未来可能发生的很多事情，我们感到既害

    怕又担心。

    大概到2030年，一对夫妻就可以自由选择孩子的性别、头发

    的颜色等各种各样的身体特征；各种生物塑料瓶可能会直接从树

    上长出来；数以亿计的人工智能或机器人会对我们俯首帖耳、唯

    命是从；3D打印机会被用来大量制造各种各样的产品，甚至可以

    直接打印出人类的各种器官，就像现在打印照片那样；我们大部

    分的食物有可能在摩天大楼里种出来；人们可以活到150岁或者

    更长；而在那个时候，我们的电脑也已经能独立思考了。就像本

    书接下来二十五章中介绍的那样，已经出现的科学进步大有潜

    力，经常让人震惊不已。

    我们的科技在不久之后就会帮我们去做很多我们原来觉得不

    可思议的事情。与此同时，像石油、淡水等自然资源的短缺也会

    极大地影响我们的生活。过不了十几年，我们就可能会陷入工业

    衰退的旋涡。不管你喜不喜欢，我们正在进入一个前所未有的技

    术发展时代，而与此同时，地球上的粮食开始变得越来越少。

    纵观人类发展史，高级人类文明的发展从来没有像现在这样

    悬而未决。我们没有水晶球可以预言未来即将发生什么。尽管如

    此，我们仍然可以通过研究已然面临的挑战、下一代科学技术和

    流行趋势来洞察未来大概的样子。换句话说，我们可以把对未来

    的视角作为一种工具，来塑造我们的未来。

    对于希望拥有未来视角和想了解未来的人而言，本书是一个工具包。在某些方面，它也是一个改变世界的宣言。从一个层面

    来说，我们要去检验本书二十五章里所论述的改变在未来几十年

    里是否会发生。更重要的层面是，这本书揭示了随着科技的发

    展，未来将给我们带来哪些机会。从生物能开发到资源枯竭，从

    太阳能开发到太空旅行，从气候变化到垂直农业，从清洁核能到

    电动汽车，本书将全力为你提供一个关于未来的蓝图。

    不要因一棵树而忽视了广袤的森林

    对于未来观察者，最危险的事情是只盯着眼前几棵自己感兴

    趣的树，而忽视了广袤的森林。为了避免这个错误，本书二十五

    章被分成五个部分，每个部分都会有一个明确的主题。

    第一部分关注地球和地球资源，名为“富足时代的结束”。不

    管你喜欢不喜欢，我们文明的发展与扩展面临着地区资源枯竭的

    挑战。很多人非常关心这一点。然而，对于未来的塑造者来

    说，“富足时代”的终结要求我们立即行动起来，它将彻底地推动

    创新的历程。

    第二部分转向制造业和农业，以确定“下一个工业浪潮”。从

    青铜时代到铁器时代到蒸汽时代，我们制造东西的主要手段一次

    又一次地决定了我们的生活方式。因此，这部分研究了包括纳米

    技术、3D打印和合成生物学在内的关键制造业的发展。

    第三部分的内容涉及未来的能源和交通，并在“为第三个千

    年加油”的主题下分组进行讨论。没有人确切地知道化石燃料还

    能维持多久，更不用说何时终止使用化石燃料了。然而，我们可

    以肯定的是，化石燃料不会像过去两个世纪那样成为未来文明的

    基石。本部分着重探讨了其他形式的动力，还讨论了如何开发太

    空旅行，以便于从我们的地球之外获得资源。

    第四部分着重于“计算与无机生活”，内容涵盖云计算、人工

    智能和机器人。我们可能仍然在太空中寻找着其他智慧生命，但

    在接下来的几十年里，我们更有可能遇到全新智能的数字物种，这些物种完全是我们自己制造的。

    最后，在“人类2.0”的旗帜下，第五部分将探讨未来的医疗保

    健和寿命延长手段。我们的人口已经在迅速老龄化，而延迟退休

    从经济角度来说是不可取的。随着许多新的医疗方式的出现，不

    久的将来，许多社会规范明显需要重新调整。当我们开始控制自

    己的进化时，许多道德甚至宗教问题也需要得到解决。

    强化你的未来意识

    我们都有关于时间的意识，我们习惯于把时间分成过去、现

    在和未来三个部分。这说明我们每个人都有一定的未来意识。心

    理学家汤姆·隆巴尔多(Tom Lombardo)定义“未来意识”为思考

    和感觉未来的能力。而个体未来意识的差异将导致其对未来预测

    能力的差异。

    本书旨在提高我们对未来的预测能力。通过本书，你会对未

    来可能出现差异的事物有更深刻的理解。虽然直接告诉你明天将

    不同于今日是显而易见的，但是永恒的变与不变之间的规律才是

    最值得被记住的。

    我们的大多数远古祖先终其一生都处于大自然无休止的循环

    过程中。随着季节更替、岁月流逝，昼夜长短变化，气候冷热交

    替，在收获季和宗教节日到来之际，人们总会以一种相同且永不

    过时的方式进行庆祝。数以亿计的人随之出生、成长和死亡，但

    是他们几乎过着同一种模式的生活，区别只是名字不同而已。

    对我们大多数远古祖先来说，生活更像是一个周期的循环，而不像一条向前延伸的直线。如序言图1所示，人们普遍认为生

    命将在一个有限的模式里不断重复下去。过去是这样，现在也

    是，而未来则往往意味着世界毁灭，只能由神来主宰。序言图1：时间观念的改变

    这种对未来感觉的区分，来自我们近代的祖先，他们不光从

    自然中获取资源，还从他们生活的地方开始改变世界。举例说，埃及人修建了金字塔，为后人改变了地貌。一条线性的历史由此

    展开，人们可以追溯金字塔建造之前、建造之时以及之后被金字

    塔这个巨大的坟墓改变的地平线和人们的想法。自从我们的祖先

    开始分辨过去、现在和未来，历史就开始像一条线那样发展了。

    但是，对过去、未来的严格划分，是由科技革命驱动的。铁路、汽车、飞机、互联网以及其他科技成果，更突出地体现了我们这

    个时代和过去那个时代的不同。今天，世界上大多数国家的人们

    已经习惯了看电视、打电话和上网。当然，我们也清楚地知道，对于一两代之前的人来说，我们今天习以为常的生活是多么不可

    思议。

    消除大众的错觉我们对过去与现在之间鸿沟的认识不尽相同，令人惊讶的

    是，许多人对未来的看法仍然有些狭隘。几十年来，大多数个人

    和组织似乎把重点放在了短期视野上，就好像文明一直在试图回

    归到一个周期性的，甚至是静止的时间观念点上一样。

    今天，我们生活的各个方面都在急剧地发生着变化。如果我

    们认为文明只是简单的复制，那就需要拉响警钟了。毋庸置疑，大多数人确实希望在几年之后，穿着不同款式的服装，谈论新款

    的手机。然而，很少有人知道，在短短几十年里，我们现有的原

    材料、制造方法、能源、饮食、预期寿命和旅行的自由可能会发

    生根本性的变化。许多人，尤其是许多实业家、政治家和其他权

    威人士，确实缺乏未来意识。

    人们普遍认为，未来几十年将是现在的升级，这种观点是很

    危险的。最近的全球性金融危机理应让我们对未来的乐观看法提

    出质疑。然而不幸的是，事实并非如此。

    历史上从未有过房地产价格上涨、经济无限扩张的情况。永

    久财富也从未通过金融数学的魔力被创造出来。很多书(不限于

    本书)都在探讨为什么世界上大多数掌控世界的人相信这些事情

    已经变成现实。我说这些话的目的是想说明，我们仍然沉醉于一

    些更危险的大众错觉之中。不仅如此，我们似乎已经形成了一种

    信念，即地球的自然资源是无限的，目前的农业方法可以养活90

    亿人口，发达国家的大多数人大半生都在从事着非生产性的工

    作，人类的进化已经走到了尽头。

    本书将解释为什么未来不会是对今天的克隆，并以此来纠正

    这一错误认识。接下来的二十五章内容将探索未来的发展，如电

    动汽车、太阳能和云计算等，在未来几年内很可能会成为寻常事

    物；如太空旅行、人工智能、量子计算和超人类主义，将会真正

    提升未来可能性的极限。因此，不可避免的是，我所谈及的二十

    五件事情中有些可能是不正确的。然而真正重要的是，本书能够

    帮助我们接触到各种各样未来的可能性和弃旧图新的动力。没有

    人确切地知道几十年后的世界会是什么样子。之所以这样说，是

    鉴于目前面临的挑战和机遇。我敢打赌，到2030年，我们生活的

    方方面面将与今天截然不同。

    下个星期的彩票中奖号码是多少？

    每当听众听说我是未来学家时，他们的反应五花八门。通常

    至少有一个非常热心的人认为“未来”这个主题令人兴奋。然而，在持怀疑态度的听众中，通常也会有一些人不好对付。有些听众

    甚至在我开始演讲前长篇大论地抨击我，指责我的演讲是无稽之

    谈。更常见的是，几个狡猾的反对者会问我能否给出下个星期的

    彩票中奖号码。

    正如我在前文解释的那样，未来研究的目标并不是预测某个

    单一的、确定的未来。相反，我们的目的是尽可能多地提供可接

    受的选项。本书中讨论的二十五件事，每件都可能对许多人的日

    常生活产生重大影响。然而，面对摆在面前的挑战和机遇，哪些

    事件会对我们产生影响将取决于我们所有人做出的选择。

    最重要的是，我希望本书能激发你的想象力。正如温斯顿·丘

    吉尔(Winston Churchill)曾经说的那样，“未来的帝国是思想的

    帝国”。这意味着，我们首先需要在头脑中构建未来，然后才能

    用我们的双手去创造它。有些人可能会带着恐惧、困惑和惊奇被

    动地展望未来；然而，有目的地展望未来无疑更过瘾，也更有益

    处。

    克里斯托弗·巴纳特目 录

    序言

    第一部分 富足时代的结束

    第一章 石油峰值

    第二章 气候变化

    第三章 水峰值

    第四章 粮食短缺

    第五章 资源枯竭

    第二部分 下一个工业浪潮

    第六章 3D打印技术

    第七章 纳米技术

    第八章 基因改造

    第九章 合成生物学

    第十章 垂直农场

    第三部分 为第三个千年加油

    第十一章 电动汽车

    第十二章 风能、波浪能和动能

    第十三章 太阳能

    第十四章 核聚变

    第十五章 太空旅行

    第四部分 计算科学和无机生命

    第十六章 云计算

    第十七章 人工智能

    第十八章 增强现实

    第十九章 量子计算

    第二十章 机器人

    第五部分 “人类2.0”第二十一章 遗传医学

    第二十二章 生物打印

    第二十三章 控制性增强

    第二十四章 延长寿命

    第二十五章 超人类

    后记第一部分

    富足时代的结束第一章 石油峰值

    当我开始写这本书的时候，一个朋友告诉我，这本书应该只

    包含一个主题。他半开玩笑地解释说，在他看来，关于未来，我

    们唯一需要知道的事情是“我们都注定要完蛋”。

    未来，石油、淡水、食品和许多我们目前认为理所当然的事

    情是最不确定的。气候变化和人口增加也会使未来几十年的生活

    更加艰难。然而，即使面对这些挑战，我也拒绝接受“我们都注

    定要完蛋”这一日益盛行的说法。一次又一次，人类文明在巨大

    的逆境面前不断繁荣起来，走向伟大。我们没有理由认为这种情

    况不会再次发生。

    对于未来的艰难不必有所担忧，但理解未来几十年所面临的

    挑战是至关重要的。因此，本书的开头部分就概述了富足时代的

    结束，我想我不必为此向读者致歉吧。但我也想澄清一点，我的

    本意不是散布末日论。更确切地说，我把这些材料预先安排在前

    面是为一些必要的东西做铺垫，这些东西使得进行根本性的改革

    和令人兴奋的创新成为必要。对此，本书后面的章节将做详尽阐

    述。

    最基本的挑战

    如果让我只强调有关未来的一件事，那就是石油峰值。今

    天，石油已经成为工业文明的命脉。因此，未来石油供应的变化

    将对我们的生活产生根本性的影响。

    “石油峰值”指的是全球石油产量达到最高水平的时间点。在

    此之后，我们所剩的石油储量比我们所开采出来的要少。我们是

    否现在已经接近这个时间点，还是会在10年之后、20年之后，或者30年之后接近这个时间点，这是一个极具争议性的话题。不管

    怎样，越来越多的证据表明，石油峰值将会在2030年前后到来。

    例如，2009年9月，英国能源研究中心(UK Energy Research

    Centre)发布了《全球石油消耗报告》(Global Oil Depletion

    Report)。经过对500多项研究成果的复审、对行业数据库的分

    析，以及对14个全球供应预测的比较，得出的结论是：“2030年

    之前的常规石油产量峰值很可能出现，而且在2020年之前出现峰

    值的风险非常大。”

    众所周知，五十多年来，某个特定地区石油产量的上升和下

    降遵循所谓的“钟形曲线”。1956年，地球物理学家马里恩·金·哈

    伯特(Marion King Hubbert)绘制出了第一条“钟形曲线”，用以

    预测美国的石油产量将在何时达到顶峰。哈伯特估计，石油产量

    的顶峰将出现在1966年至1972年。当时大多数人认为哈伯特的说

    法很荒谬。然而，他是对的，真正的高峰发生在1970年。

    图1.1：石油峰值曲线

    图1.1显示了全球石油生产的钟形曲线。为了清晰起见，曲线

    左边给出的历史数据是近似值。正如我们看到的那样，横轴上的

    确切日期也存在争议。这表明，图1.1是大多数当前预测的象征。

    石油峰值之所以重要，是因为当全球石油产量的钟形曲线达

    到顶峰时，石油将开始变得越来越稀缺和昂贵。也有许多评论人士预测，油价上涨将引发金融市场的石油危机。例如，网站

    LifeAfterTheOilCrash指出，当石油需求与供应之间出现10%至

    15%的缺口时，即可能对全球经济产生严重影响。

    但石油峰值并不意味着石油耗尽，明白这一点很重要，尽管

    石油枯竭终究会发生。相反，石油峰值关系到非同小可的近期后

    果——未来20年内，我们将在钟形曲线上触顶。

    我们对液态黄金的依赖

    所有的工业化社会都是以石油为基础的。事实上，要强调人

    类文明对石油的依赖程度是相当困难的。首先，石油是个人出行

    的生命线，在一些国家中，私家车用油几乎占到了石油消耗总量

    的50%。石油也被用于农药生产，以及耕种、收割、包装和运输

    我们的大部分食物。基于这些原因，自2002年以来，许多发达国

    家的每卡路里热量都需要消耗大约10卡路里的石油能量。许多日

    常用品也都是用石油生产的，比如全部或部分用塑料或尼龙制成

    的物品，甚至是柏油路面。

    在普通人家或工作场所，你会发现自己置身于至少部分从石

    油中获得的物品之中。在你的视野中，大部分东西至少经历了一

    次靠石油驱动的旅程。想象一下你的日常生活，如果每件有塑料

    外壳的物品都被移走会是什么景象，更不用说所有的电脑、手机

    和其他电子设备了。DVD是由石油制成的，许多地毯和家具面罩

    也是如此。我们身上穿的大部分衣料至少有些是油基材料制成

    的，甚至纯棉衣服通常也会有尼龙纽扣或配件。洗涤剂、大多数

    化妆品和许多药品也在一定程度上依赖于石油，大量的包装材料

    也是油基材料制成的。因此，一旦石油匮乏、价格昂贵，我们的

    世界将变得面目全非。

    根据国际能源署(International Energy Agency, IEA)的数

    据，世界目前每年消耗40亿吨石油(约300亿桶石油)。预计到

    2030年，需求量将翻一番，仅中国就占了这一预期增幅的一半。全球对石油的依赖程度是惊人的。

    的确，我们在不断地发现新的石油来源。然而，总的说来，我们发现和开采新的石油的速度很慢。因此，我们正在消耗现有

    的石油储备。正如保罗·罗伯茨(Paul Roberts)在他的著作《石

    油的终结》(The End of Oil)中所阐述的那样，自1995年以来，新发现的石油储量仅占全球石油消耗速度的40%左右。石油发现

    与消耗之间的差距也在不断扩大。

    很显然，我们不能寄希望于无限期地发现新的石油储备而继

    续大肆消耗石油。最终，当全球石油产量开始下降并持续走低

    时，我们必定会到达那个时间点。毕竟图1.1所示的石油峰值和钟

    形曲线所表示的就是这个意思。

    2009年，利用英国石油公司发布的《世界能源统计年鉴》

    (BP Statistical Review of World Energy)，网站

    www.theoildrum.com收集数据并发表了一篇文章，直言不讳地指

    出了我们所面临的形势。文中写到，到2009年，全球54个石油生

    产国和地区中，只有14个国家仍在增加石油产量，另外30个国家

    的产量将达到顶峰，剩下的10个国家的产量处于持平或下降状

    态。

    还剩下多少石油？

    目前世界上大约有7万个油田。其中，25个巨型油田产量约

    占常规石油产量的四分之一，100个油田产量占石油生产总量的

    一半。多数大型油田的产量也远远超过了峰值水平，它们的产量

    平均每年至少下降6.5%。要填补这种产出空缺，就需要相当于每

    三年出现一个新的沙特阿拉伯。几乎没有人奢望能够发现更多新

    的巨型油田。

    尽管石油产量容易计算，但对于地下究竟还有多少石油仍存

    在许多争议。同样重要的是，要区分石油储量，即经济上有望开

    采的石油储量和预估总量，后者包括了不一定能开采的石油资源。

    对石油储量的估计常常被分为“已探明的”“很可能的”和“可能

    的”三种。然而，这些术语在使用时界限不清。据一则广为传播

    的报道称，世界现存石油储量大约是1.2万亿桶。这一数字与迄今

    为止全球石油产量的总和大致相同。据估计，目前已探明的、很

    可能的和可能的石油储量，即“终极可采资源”(URR)，可达4

    万亿桶。也就是说，大约2.3万亿桶的最高估计数很具有代表性，而且似乎是最可信的。因此，“还剩下多少石油”的答案是“在1.2

    万亿桶到2.3万亿桶”。

    据报道，石油储量在逐年增加。然而，需要明白的是，这

    种“储量增长”主要是对已知油田规模原始估计的重新审定，而不

    是发现了新油田。此外，还有许多影响石油储量估算的经济和政

    治因素。

    例如，世界上大多数主要的石油生产国都是石油输出国组织

    (OPEC，简称欧佩克)的成员。在1985年，欧佩克的石油储备

    估计有4000亿桶。然而，当时欧佩克决定，每个成员国允许的石

    油生产和销售配额都应由其已探明的储量决定。随后，每个欧佩

    克成员国都对自己的石油储备进行了重新评估，这就意味着到

    1986年，欧佩克拥有7000亿桶石油储备。在2009年末，欧佩克估

    计已探明石油储量的成员国储量仅略高于1万亿桶，并声称这占

    全球已探明石油储量——约1.33万亿桶的80%左右。欧佩克对石

    油储量可能估计过高，这一度引发巨大的争议。几个知名的消息

    来源指出，欧佩克已探明的石油储量不超过9000亿桶。

    在现有油田储量增长的报告中，有些是可信的。原因有二：

    一是因为油价上涨，原来开采成本过高的石油资源得以被开采；

    二是随着石油提取技术不断改进，一些早期的巨型油田的规模似

    乎被低估了。也就是说，储量增长仅限于大型油田、老油田和陆

    上油田，这意味着我们不应该指望它能继续增长下去。

    非常规石油目前，几乎所有对石油储量的估计都只集中在石油上，有时

    也被称为“常规石油”。然而，那些在石油峰值辩论中持乐观态度

    的人认为，对所谓的“非常规石油”的开采，可能会填补石油供应

    量减少所留下的缺口。

    石油是一种很容易流动的液体，可以在不经过处理的情况下

    被泵出。相比之下，非常规石油的黏性要大得多，需要处理或稀

    释后才能提取。非常规石油包括“重油”，以及从油砂、沥青砂

    (沥青)和油页岩中提取的石油。从沥青砂中提取石油不仅是经

    过论证的，而且在技术上是可行的。例如，自2006年以来，加拿

    大从沥青砂中提取的石油日产量已超过100万桶。

    尽管约80%的常规石油储备位于中东，但比例大致相同的非

    常规石油储备却在委内瑞拉、加拿大和美国。据估算，这些国家

    可能拥有超过3万亿桶的非常规石油资源。但从技术上和经济上

    来说，可能只有相对较少部分可以开采。

    即使将技术上和经济上的限制忽略不计，许多其他因素也可

    能限制非常规石油的开采。首先，环境压力可能会阻碍许多地区

    的非常规石油开采。其次，非常规石油的开采所需的能源消耗也

    比传统石油高三倍，因此这使得其开采环保性更低、成本更高。

    此外，使用非常规石油的碳排放量要高于传统石油，这一点也让

    人们很担心。

    英国能源研究中心的《全球石油消耗报告》确实考虑到了非

    常规石油。然而，即便考虑到这一点，该报告仍明确地得出结

    论，2030年之前的峰值可能不只是常规石油生产，而是包括“所

    有的石油生产”。

    理解含义

    根据目前全球每年约300亿桶的石油消耗水平，以及所剩石

    油可能在1.2万亿桶到2.3万亿桶的现状，所有常规石油将在未来

    40年至75年内消耗殆尽。然而，正如已经指出的那样，预计到2030年，全球石油需求量将翻一番。即使那时的石油供需大致持

    平，常规石油产量也会在25年到40年后降至非常低的水平。

    增加一些可实施的非常规石油开采，上述的估计年限可延长

    10年甚至更长时间。然而，即使再有50年，也不足以让我们的文

    明摆脱对液态黄金的依赖。我们还需要记住的是，当我们达到全

    球石油产量下降的峰值，需求开始超过供应的时候，我们将会感

    受到这一影响。

    许多评论人士预计，我们将在2030年之前达到石油峰值，全

    球石油供应紧张，油价大幅上涨很可能在此之前发生。例如，国

    际能源署在2008年曾警告称，全球金融危机之后，许多项目的取

    消或推迟将会造成近期石油供应紧张。2010年，英国政府前首席

    科学家大卫·金爵士(Sir David King)也预测，全球石油需求最

    早将在2014年开始超过供给。2009年，一支由易卜拉欣·萨米·那

    萨维(Ibrahim Sami Nashawi)带领的科威特大学团队也估计2014

    年到达石油峰值。在易卜拉欣·萨米·那萨维的领导下，该学术团

    队基于对哈博特的油田产量钟形曲线模型的改进，阐释了技术变

    化、生态、经济和政治对所有主要产油国的生产趋势的影响。

    2010年，据英国劳埃德保险公司和英国皇家国际事务研究所

    发布的一份白皮书预测，中期石油供应危机已出现端倪。这份重

    量级的出版物还强调，一些人预计石油峰值最早将在2013年出

    现，伴随而来的油价飙升每桶超过了200美元，这种可能性绝非

    危言耸听。

    峰值后的石油价格上涨将会带来重大的影响。首先，这将导

    致所有或部分石油制品价格的上涨。其次，石油价格的上涨也会

    带来其他商品价格上涨，因为大多数商品的运输成本增加了。然

    而，石油供需之间日益扩大的差距所带来的后果，则可能是最严

    重的。

    多数预测表明，石油峰值过后，石油供应量将会在每年下降

    几个百分点。这也可能是在全球石油需求量不断上升的情况下出

    现的。对经济学家来说，未来的供应需求差距可能会因价格上

    涨而被“固定”，因为一些消费者用不起石油了。然而，目前石油对我们的运输、农业和工业生产系统至关重要，因此其对所有需

    求的影响都可能是严重的。例如，第四章讨论到，如果一些农民

    为了提高粮食价格而减产，进而导致粮食产量下降，那么大范围

    的饥荒就很可能会出现。

    关于石油峰值的辩论

    应对未来石油峰值挑战的唯一有效措施是平稳地过渡到后石

    油经济。这个过渡显然需要几十年，而不是几年。因此，石油峰

    值问题需要尽快提到政治和工业议程上来。

    尽管目前迫切需要的是达成广泛的共识和采取一致的行动，但到目前为止，围绕未来石油供应的争论已经形成了两种截然不

    同的派系。一方面，我们有所谓的“早期石油峰值论者”，他们认

    为我们的石油储量约为1.2万亿桶，并将在21世纪内达到峰值；另

    一方面，还有“晚期石油峰值论者”，他们认为我们的石油储量已

    经超过了2万亿桶，并普遍认为，日益先进的提取技术将使以前

    无法开采的常规和非常规石油资源得到充分利用。因此，许多晚

    期石油峰值论者将石油峰值推迟到2030年，甚至更晚。

    上述段落表明了两个完全对立的立场。但遗憾的是，事实并

    非如此。从根本上来说，我们见证了一场激烈的辩论，一派认为

    后石油经济将在10—20年后到来，另一派则相信20—30年之后它

    才会到来。对于那些寻求政治选举或计划中期投资或个人事业的

    人来说，这两种时间跨度可能会有很大的不同。然而，对于更广

    泛的文明而言，从这两种观点中得到的信息是，现在我们就需要

    着手对以石油为基础的经济实施转型，以盘活目前的非经济型储

    备。毕竟，即便是最乐观的晚期石油峰值论者也预测近期油价会

    大幅上涨。

    后石油经济的机遇

    在这一章的开头，我承诺不会散播悲观情绪，仿佛厄运即将

    到来似的。诚然，石油峰值是一个严重的问题，将对我们今后几

    十年的生活产生重大影响。然而，我们也有很多方法可以把未来

    的最大问题转化为未来的机遇。

    最明显的是，人类可以通过开发和利用新的能源和新的交通

    工具以应对石油峰值的到来，从而让局势峰回路转。比如第三部

    分将要详述的，风能、波浪能、太阳能、核能和动能都将在第三

    个千年中各显神通。又如第二部分所概述的，纳米技术和合成生

    物学也为我们提供了人工合成新燃料的希望。扩大种植转基因作

    物会提高粮食产量，同时降低使用基于石油的杀虫剂的需求。

    从更广泛的意义上来说，已经有一些迹象表明工业文明能够

    并且将会更节省能源和资源。例如，第十六章所陈述的云计算技

    术已经使我们能够以数字化的方式进行通信和贸易，从而减少了

    人们和物品的来回移动。此外，第十章也提到，我们有可能在城

    市地区种植一些粮食，从而缩短粮食运输的距离(此书更多分享

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    最后，几乎所有我们用来应对气候变化的措施都可能有助于

    我们向后石油经济的转型。事实上，目前我们正在努力减少温室

    气体的排放，这也是我们应对石油峰值影响的最佳策略。

    气候变化及其影响，以及我们未来的应对措施，恰好是下一

    章的内容。第二章 气候变化

    本书中提到的许多主题可能会让你大吃一惊。不过，用一个

    章节专门讨论气候变化问题则并不显得奇怪。

    除了石油峰值，气候变化是我们面临的另一个大挑战。气候

    变化对我们未来的粮食和水的供应有着直接和严重的影响。展望

    未来，气候变化及其应对措施也将推动许多技术创新，对此，本

    书在其他章节将进行详述。

    本章回顾了一些最广为接受的气候变化科学、信息和预测。

    目前，本书的一些材料在某些地区仍存在争议。然而，许多政府

    和其他机构正开始制定相关政策以应对气候变化及其可能产生的

    影响。无论证据的合法性如何，为应对气候变化所产生的新的立

    法机制和商业策略将会影响到我们所有人。从这个意义上说，全

    球民众意识到气候正在发生变化，这种意识的日益增长与实际气

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    气候变化及其影响

    根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on

    Climate Change, IPCC)的说法，现在有大量证据表明气候系统变

    暖是毫无疑问的。目前全球平均温度比一个世纪前高了0.74℃。

    经过测量得知，几十年来，全球平均气温在持续上升。

    气候正在发生变化，因为燃烧化石燃料和其他一些工业活动

    正在增加大气中温室气体的含量。这种高浓度的温室气体会导致

    太阳热量的增加。因此，政府间气候变化专门委员会预测，到

    2100年，全球平均气温将上升至少1.1℃，最高可达6.4℃。全球气温上升几摄氏度，可能听起来并不太多。然而，在世

    界的许多地区，这些变化预计将导致降雨量大增，夏季更干燥、更闷热，干旱也会增加。因此，气候变化对农业的影响将是严重

    的。例如，国际水稻研究所(International Rice Research

    Institute)估计，在未来几十年里，占人类60%主食的大米产量可

    能会下降4%—13%，谷物产量也有可能下降。例如，在气温上升

    2℃之后，南欧的农作物产量预计将下降20%。第四章将更深入地

    探讨气候变化对未来粮食生产的影响。

    尽管气候变化将导致全球平均气温上升，但有些地区可能会

    变得更冷。冰雪的融化已经导致进入北冰洋的淡水数量的增加。

    反过来，人们担心，这可能已经在减缓一种被称为“北大西洋暖

    流”的墨西哥湾暖流。这股暖流向欧洲输送热量。然而，由于冰

    川融化，海洋中盐浓度的降低可能会限制北大西洋暖流所依赖的

    温盐环流的过程。因此，英国和其他北欧国家的平均气温可能在

    20年内下降5℃或更多，因而欧洲北部地区的未来是更热还是更

    冷仍处在争论之中。

    我们确切知道的是，两极地区的冰川融化正在导致海平面上

    升。在过去的一百年里，海平面已经上升了17厘米。政府间气候

    变化专门委员会预测，气候变化将导致全球海平面上升至少18厘

    米，到2100年最高可达59厘米。

    在世界的大部分地区，如果天气不好，海平面上升将导致洪

    水泛滥。在许多地方，海平面上升也会把干涸的土地变成湿地，把湿地变成开阔的水域，侵蚀海滩，增加河口的盐浓度。事实

    上，据估计，由于全球变暖导致的冰原融化或坍塌，最终可能会

    威胁到耕地，而全球每二十个人当中就有一个人依靠耕地生活。

    全球大约有1亿人生活在海拔不到一米的地方。因此，政府

    间气候变化专门委员会预测，海平面上升将会带来非常严重的后

    果。例如，大约五分之一的孟加拉国将会被洪水淹没。政府间气

    候变化专门委员会还预言，由于气候变化，7.5千万—2亿人将面

    临洪水风险。许多大城市都建在江河之上或靠近大江大海的地

    方，当全球气温上升3℃或4℃时，上升的海平面将威胁到许多重

    要的城市，包括伦敦、上海、纽约、东京和香港。由于海平面上升，一些岛国将完全消失。太平洋上的图瓦卢

    (Tuvalu)的珊瑚岛已经面临被海水淹没的事实。因此，该国正

    计划将1.1万名居民迁往新西兰。

    气候变化也将对环境产生更广泛的影响，许多生态系统可能

    严重受损或被摧毁。政府间气候变化专门委员会估计，如果全球

    平均气温上升2℃，15%—40%的物种将面临灭绝。一些气候模型

    甚至预测，如果全球气温再上升一点点，亚马孙雨林将受到严重

    的破坏。

    温室气体的水平

    温室气体在大气中保存热量不仅是一个自然过程，还是地球

    生命生存的必要条件。事实上，如果没有温室效应，地球的平均

    气温可能会低至零下18℃，而不是现在的平均约为15℃。

    大气中存在的几种气体导致地球能保存热量。最重要的是，水蒸气就是一种温室气体。然而，随着工业化进程的加快，真正

    重要的是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮。它们在大气中持续聚

    集。大多数温室气体排放来自燃烧化石燃料、制造水泥、清理土

    地和农业生产。具体来说，当我们燃烧石油、天然气、煤炭和木

    材时，二氧化碳就会释放出来。在制作水泥时，石灰石中也会释

    放出二氧化碳。其中涉及的化学过程，再加上窑中燃料的燃烧和

    其他一般能源需求，这意味着水泥工业产生的二氧化碳排放量约

    占全部二氧化碳排放量的5%。

    此外，为获取木材而砍伐树木，以及为开辟耕地及人类定居

    地而焚烧泥炭地和森林，也会产生大量的二氧化碳。树木、其他

    植被和泥炭地能吸收和储存二氧化碳，它们的毁灭会将二氧化碳

    释放回大气层。事实上，根据全球林冠项目科学家的说法，目前

    正在进行的森林砍伐造成了大约25%的二氧化碳排放量。

    甲烷是一种比二氧化碳效果更强的温室气体，在煤、天然气

    和石油的生产过程中被释放出来。垃圾填埋场、水处理厂会释放甲烷，所有牲畜和其他动物的消化系统也会释放甲烷。而燃烧化

    石燃料、使用肥料以及其他一系列工业活动则会释放一氧化二

    氮。

    温室气体的浓度以二氧化碳的百万分比来衡量，其他气体的

    浓度也照此衡量。今天，大气中温室气体的总浓度约为百万分之

    四百三十。其中二氧化碳的浓度大约为百万分之三百八十。相比

    之下，早在18世纪中期工业革命之前，二氧化碳的浓度为百万分

    之二百八十。1958年，著名的气候学家查理斯·大卫·基林

    (Charles David Keeling)开始进行详细的测量，当年大气中二氧

    化碳的浓度为百万分之三百一十七。即使每年的全球二氧化碳的

    排放量保持稳定，到2050年，大气中二氧化碳的浓度也可能达到

    百万分之五百五十。然而，全球二氧化碳排放量实际上正在迅速

    上升，这意味着到2035年大气中二氧化碳的浓度可能就能达到百

    万分之五百五十。大多数预测表明，这将导致全球气温上升2℃

    以上。正如上文已经说明的，即便全球温度只升高超过2℃，其

    后果也可能相当严重。

    如果人类不想失去对气候变化的控制，那么每年全球温室气

    体排放量就需要减少，与地球移除这些气体的自然能力保持平

    衡。2006年，提供给英国政府的《斯特恩报告》对我们的选择进

    行了详细的分析，它特别提出了一个现实的目标，试图将温室气

    体浓度控制在百万分之四百五十到百万分之五百五十。如要将这

    个温室气体浓度上限稳定在百万分之五百五十，就要求全球温室

    气体排放量在下个十年(2021—2030)达到峰值，到2050年将其

    降至目前水平的25%以下。为了将温室气体浓度稳定在百万分之

    四百五十，需要排放量在这十年(2011—2020)达到峰值，每年

    下降5%以上，那么到2050年其可降至目前水平的70%以下。所有

    这些主张都明确要求全球迅速行动起来，从根本上做出改变。例

    如，斯特恩的研究表明，到2050年，发电企业必须脱碳60%—

    75%，以确保温室气体排放稳定在或低于百万分之五百五十的温

    室气体水平。应对后果

    不管我们现在采取什么措施，气候变化都将持续几十年，由

    气候变化引发或加剧的紧急状况所造成的损失越来越大。例如在

    英国，每个下雪天和冬天极端天气造成的经济损失就高达2.3亿到

    6亿英镑。这样糟糕的日子还将增多——当北大西洋暖流无法进

    入，欧洲北部变冷时，情况更糟。如果情况继续恶化，与天气有

    关的灾害，如2005年的卡特里娜飓风和2011年的澳大利亚洪水可

    能会变得更加频繁。目前，卡特里娜飓风仍然是历史上由天气造

    成的损失最惨重的自然灾害。然而，这种悲惨的纪录将会继续被

    打破。

    面对气候变化，灾后重建计划和准备工作需要加快步伐。

    2010年9月，英国政府意识到了这一点，将重心从单纯的减缓气

    候变化转向适应气候变化。其政府公告包括保护发电站免受洪水

    侵袭的计划，以及在干旱的夏天保护医院免受水资源短缺的影

    响。这些适应气候变化的措施将不可避免地导致我们所有人的税

    收提高和物价上涨。

    在接下来的两章中，我们将了解到许多国家需要采取行动，努力保护他们未来的饮用水和粮食供应。我们还应该想到，由于

    农作物产量下降以及极端天气对农业生产的破坏，粮食价格可能

    会持续上涨。

    在工业化国家，人们吃肉的压力可能会增加。这将有助于减

    少两方面的温室气体排放。一方面，它将减少农场动物的甲烷排

    放；另一方面，它将减少森林砍伐。根据绿色和平组织

    (Greenpeace)的数据，在2004—2005年，超过290万英亩的亚马

    孙雨林被摧毁，变成种植动物饲料的土地；同时，每生产一磅汉

    堡就要毁掉220平方英尺(1)

    的雨林。

    面对气候变化，一些行业，如保险业，也需要从根本上重新

    考虑他们的商业模式。例如，在今天，大多数财产保险覆盖所有

    的风险；在未来，除了火灾险和盗窃险，洪水险和天气损害险也

    会成为独立险种。事实上，如果不发生这种情况，那么许多财产将变得不可投保。

    在不久的将来，大多数国家可能会花费数亿美元、英镑、欧

    元或日元用以改善防洪措施和减少海岸侵蚀。例如，英国环境局

    指出，到2035年政府将不得不每年花费超过10亿英镑用于这些项

    目。然而，这样的代价很有可能被认为太大，因为随着气候变化

    的影响，公民还是不得不搬迁。决定这条界线的位置将会成为一

    个重大的政治问题。到21世纪中叶，政治家们甚至可以承诺国家

    的哪一地区需要保护，哪一地区没有必要保护，哪一地区保护起

    来太费钱，并在此基础上进行竞选活动。

    更紧迫的是，规划实施中需要更加关注气候变化。例如，在

    英国的洪泛平原上，房屋建造继续有增无减。这必须叫停，我们

    需要建造完全不同类型的住宅，它们要能抵御不可避免的、经常

    不断的洪水。在建筑行业，能够应对这种设计上的挑战的公司会

    有更大的发展前途。如果哪家公司开发出全新的建筑方法以减少

    对水泥的依赖，那么，这家公司同样会大获成功。让现有的建筑

    和基础设施适应气候变化是建设方面另一个巨大的挑战和机遇。

    事实上，根据《斯特恩报告》，每年仅在经济合作与发展组织

    (Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)国家中，这样的建筑工程费用可能在15亿到1500亿美

    元。

    阻止未来的气候变化

    与那些消除引起气候变化之因素的措施相比，从根本上应对

    气候变化的措施对我们生活的影响可能较小。除非公众激烈反

    对，否则，大多数政府现在会采取重大的气候变化缓解措施。这

    可能会创造新的行业和机会，然而，由于政府的行动，我们大多

    数人需要改变生活方式。

    对于政府来说，最行之有效的措施是鼓励或诱导人们和企业

    提高他们的能源效率。由于石油峰值和资源枯竭，能源价格在未来几十年将大幅上涨。如果直接或间接地对碳排放征税变得可

    能，那么能源价格将会进一步上涨。虽然转而利用风能、波浪

    能、太阳能和核能将有助于我们减少温室气体的排放，但未来这

    些替代能源将比目前燃烧化石燃料所获得的能源要贵得多。因

    此，毫无疑问，大多数人的生活方式将不得不减少能源消耗。

    幸运的是，技术发展将会让我们的生活变得越来越节能。低

    能耗灯泡的能耗比传统灯泡低80%左右。几年之后，我们甚至能

    用上更高效的LED灯泡。

    据估算，欧盟的低能耗灯泡有可能每年减少2000万吨的碳排

    放。因此，欧盟于2009年禁止生产和进口100瓦磨砂白炽灯泡也

    就不足为奇了。随着许多其他种类的电器变得更加节能，未来类

    似的举措是不可避免的。今天，我正在一个低能耗的41瓦的个人

    电脑和显示屏上输入这些文字。相比之下，一年前，我是在非常

    普遍的能耗是220瓦的台式电脑上输入文字。我们所有人都有很

    多机会减少能源消耗。考虑到并行交付带来的成本节约，用不了

    多久，我们中的许多人会购买低能耗的电子设备。

    人们通过提高能源效率来减少对能源需求是一个方面，但更

    重要的是改变生活习惯。不断上涨的能源价格可能在一定程度上

    促使人们转变观念，更多的人会在不使用电器时关闭电源。他们

    甚至可能减少一些自驾游，少吃进口食品，因为这些食品在到达

    我们的餐桌上之前要旅行几千英里。然而，教育和说服大多数人

    为了保护明天的世界而停止旅行和消费可能是极其困难的。

    正如上一章阐述的，在几十年之内，常规石油的供应将会受

    到越来越多的限制。然而，煤炭和潜在的非常规石油的供应将会

    持续几十年。毫无节制地消耗这些相对丰富的能源会使排放到大

    气中的温室气体更多，从而进一步加剧气候变化。发电站可以安

    装碳捕获设备以减少二氧化碳的排放量。然而，说服那些需要使

    用该技术的厂家同样会很困难，因为这样做会使他们的能源成本

    更加高昂。中国经济增长的80%是由煤炭推动的，目前计划新建

    544座燃煤发电站。西方的道德权威提醒东南亚国家，不要像西

    方国家那样以污染为代价去实现工业化，但收效甚微。道德权威的缺失不可避免地导致森林砍伐，而森林砍伐加重

    了温室气体的排放。目前，我们每年砍伐约5000万英亩(2)

    的雨

    林，这相当于英格兰、苏格兰和威尔士面积的总和。这相当于把

    大约20亿吨二氧化碳释放到大气中。这个排放量远远高于全球运

    输业(包括航空业)的排放量。正如全球林冠项目的负责人安德

    鲁·米切尔(Andrew Mitchell)所指出的，“热带森林是气候变化

    起居室里的大象(3)”。

    大量证据表明，大幅减少森林砍伐是延缓未来气候变化的最

    低廉的手段之一，问题是如何付诸实施。正如已经指出的，对肉

    类需求的增长推动了土地的开垦，以种植动物饲料。从某种程度

    上来说，每个人都可以为减少森林砍伐出一份力。然而，如果要

    说服印度尼西亚、巴西和刚果的人们转向其他行业，就迫切需要

    大量资金和国际支持。我们不能指望这些国家摧毁它们的经济，除非更广泛的世界为它们提供一种切实可行的替代行业，并且这

    个行业对我们所有人的未来都有影响。

    地球工程解决方案？

    我们的政治家们不太可能就减少全球碳排放的措施达成一

    致。在未来的几十年里，大气中的温室气体含量可能会继续显著

    增加。当(如果)这种情形发生的时候，我们将需要一个更彻底

    的应对气候变化的办法，已经提及的任何办法都无济于事了。事

    实上，当今许多人之所以反对那些应对气候变化的措施，是因为

    他们认为我们将来能够在全球范围内实施宏大的技术性解决方

    案。

    未来的“地球工程”已经提出了控制气候变化的方案，包括液

    化工业排放的二氧化碳，并将它们埋在地下，或者培育新的海洋

    藻类来吸收海洋中更多的二氧化碳。或者如第七章阐述的，也许

    有一天，可以建立以纳米技术为基础的温室气体过滤工厂，从大

    气中提取多余的温室气体。从战略上来说，这些工厂遍布全球，它们有可能将温室气体浓度恢复到工业化以前的水平。而另一个

    最雄心勃勃的气候变化解决方案可能涉及在太空中建造太阳帆。

    地球接收到的太阳辐射水平几乎是不变的。气候变化已经开

    始发生，因为大气中温室气体浓度的增加导致地球保留了过多的

    热量。为了防止这种情况发生，目前讨论的所有气候变化缓解措

    施都试图控制温室气体排放水平。然而，基础物理学告诉我们，如果太阳辐射量减少，我们就能幸福地生活在更高的温室气体浓

    度中。

    从理论上来讲，巨大的太阳帆可以建造在轨道上来遮蔽地

    球，阻止我们接收到过多的太阳辐射。虽然面积巨大，但可能只

    需要用几百个原子厚的塑料或金属制成。今天制造这样的帆是不

    太可能的，然而，在第七章中讨论的纳米技术的发展表明，太阳

    帆的建造可能在未来十几年内成为可能。

    2001年，肯尼斯·伊·罗伊(Kenneth I.Roy)在空间技术和应

    用国际论坛(Space Technology and Applications International

    Forum)上发表的一份白皮书指出，10万平方千米的太阳帆可能

    足以让人类控制气候变化。这样的帆也有可能产生电力传送到地

    球。即使有了今天最好的空间访问技术，在地面上建造这样的帆

    并将它们送入轨道也是不太可能的。事实上，据罗伊说，10万平

    方千米的帆可能重达4000万吨。因此，太阳帆必须在太空中建

    造，而且可能使用从月球或小行星上开采的原材料。

    太阳帆听起来不可思议，而且造价非常昂贵。但是，在20世

    纪60年代初，人类首次登陆月球，而那次登月计划并未抱有拯救

    地球的野心。目前，用太阳帆解决全球变暖难题可能还只是一个

    荒唐的想法。然而几十年以后，相对于彻底地改变人们的生活方

    式，包括说服数十亿人少消费和减少旅行，太阳帆可能是个更可

    行的选择。

    学会关心未来在接下来的几十年里，气候变化将对我们所有人产生越来越

    大的影响。对一些人来说，这些影响将仅限于食品价格的上涨，以及极端天气带来的偶尔的轻微破坏。然而，对于世界人口中不

    幸的大多数来说，气候变化将导致洪水、干旱以及由此造成的食

    物和水的短缺。毫无疑问，世界上较贫困地区的许多人将死于气

    候变化所导致的灾害。

    人类在应对气候变化方面所面临的困难是，让当今越来越多

    的人开始关心未来的全球人口。作为20世纪资本主义研究领域的

    思想领袖，著名经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯(John Maynard

    Keynes)曾辩称：“从长远来看，我们都已死亡。”他的推论是，企业、政府和个人可以忽视其行为的长远后果，这样可能带来几

    十年的便利。然而，凯恩斯和他的追随者忽略了一个简单的事

    实，从长远的角度来看，我们的孩子及其后代将仍然活着，并将

    承受我们当前自私愚蠢所造成的后果。与2008年的金融危机一

    样，气候变化也足以让我们抛弃20世纪那些“衣冠禽兽”所宣扬的

    短期经济逻辑。这一点在英国政府的《斯特恩报告》中彰显出

    来。该报告最令人吃惊的开场白之一是，人们接受了“气候变化

    是有史以来最严重、最广泛的市场失灵”的说法。随后，该报告

    根据经济逻辑所提出建议的方式可谓相当离奇。

    除了石油峰值，气候变化有一种不可能消失的物理确定性，我们必须行动起来。考虑到全球人口的增长，石油峰值和气候变

    化都可能对未来的农业生产和淡水供应产生重大影响。因此，接

    下来的两章将讨论未来可能出现的粮食短缺和所谓的“水峰值”现

    象。

    (1) 1平方英尺约为0.09平方米。

    (2) 1英亩约为4047平方米。

    (3) “起居室里的大象”，指显而易见却被人们刻意回避及无视的问题。第三章 水峰值

    不管信不信，每个人都听说过气候变化。即使他们不知

    道“石油峰值”这个词，大多数人都知道最终我们将耗尽石油。然

    而，跟一般人提到“水峰值”这个词，最常见的反应是一脸茫然。

    水峰值指的是我们达到可用淡水供应的自然极限的时间点。

    超过水峰值意味着对淡水的需求将开始超过供给。根据联合国的

    数据，到2025年，将有18亿人面临“绝对缺水”的局面，全球三分

    之二的人口可能面临淡水供应紧张或限制。

    我们星球上有些地区的淡水显然比其他地区的淡水多。因

    此，世界上不同的地方将会在不同的时间达到当地的水峰值。联

    合国认为，全球43个国家约有7亿人生活在缺水的环境中。目

    前，所有这些人都居住在非洲、南亚和其他干旱频繁的地区。然

    而，中国和欧洲的部分地区现在也被联合国列为“中高级别缺水

    地区”。

    遍地有水吗？

    当第一次听到水峰值时，许多人的最初反应是难以置信。就

    像他们经常争论的那样，世界上超过三分之二的地方都被水覆盖

    着!在太阳系中，我们的地球有时甚至被称为“蓝色星球”。与石

    油和其他化石燃料不同，大多数水在被消耗后还会自然再生。那

    么，我们的水会不会用完呢？

    据估计，地球上大约有14亿立方千米的水。然而，大约97%

    的水是咸的，不适合农业或人类饮用。此外，绝大多数的淡水都

    被冻在了极地冰囊里，其余的大部分都在土壤中，或者在地下很

    深的地方，无法获取。因此，可供人类和其他所有陆地生命饮用的淡水少得可怜，淡水来自湖泊、溪流、降雨、融雪、冰川融水

    和可开采的地下水和地下蓄水层。诚然，这一全球储备仍然非常

    庞大，然而，它的分布也很不均匀。

    随着时间的推移，几乎所有当地的淡水资源都会自然地补

    充。这是通过地球的水文循环、降水、地表径流和从海洋到陆地

    的大气湿度的转移而发生的。然而，在特定的气候条件下，任何

    特定的淡水资源的补给速度几乎是固定不变的。因此，如果用水

    量超出它们自然的补充水平，所有的淡水资源都将面临它们自己

    的产量峰值。

    图3.1为地下水蓄水层单一水源的潜在水峰值曲线。如图所

    示，蓄水层的自然补给水的获取遵循钟形曲线，其产量超过顶峰

    就不可避免地下降到自然补给水平!喜欢本书吗？更多免费书下

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    图3.1：水峰值曲线

    一些地下水蓄水层的补给相当迅速，因此，其自然补给水平

    很可能高于图3.1的垂直轴。然而，其他所谓的“化石地下水”来源

    已经积累了数千年，自然补给要么很慢，要么根本没有。例如，美国奥加拉拉蓄水层和沙特阿拉伯的乌姆拉德马(Umm Er

    Radhuma)没有有效的自然补给能力，最终将被抽干。世界上许多地区已经或即将面临地下水的生产高峰。例如，德里、拉贾斯坦邦和印度的许多其他地区都依靠地下水资源，而

    地下水的消耗速度几乎是自然资源补给的两倍。其他过度开采地

    下水蓄水层的国家包括中国、伊朗、以色列、墨西哥和西班牙。

    总的来说，世界上大约一半的人口生活在地下水位下降的国

    家，在某些地方，这种情况正以惊人的速度发生。例如，位于中

    国华北平原腹地的河北省，其蓄水层不断下降。更糟糕的是，在

    印度北部的古吉拉特邦，地下水位每年的下降速度比中国河北省

    更快。由于这些地区的水井要么已经干涸，要么每年都需要加

    深，农业将不可避免地受到影响，危机逼近。

    大部分不是来自地下蓄水层的水是从湖泊和溪流中获取的。

    当雪或冰川融化的时候，这些水源通过降雨和径流得到了自然补

    充。然而，如果用水的速度超过了其补给速度，那么湖泊和溪流

    仍然会出现产量峰值，如图3.1所示。毋庸置疑，大多数开放性水

    源的自然补给速度都高于垂直轴。

    水、气候变化和环境

    不幸的是，人类对淡水日益增长的需求并不是造成供应压力

    的唯一因素。正如上一章所详述的，气候变化也将对此产生越来

    越大的影响。即使全球气温有微小变化也足以改变降雨强度和持

    续时间，导致湖泊蒸发得更快，从而引发更多的干旱。在未来几

    十年里，由于冰川减少，依赖冰川融化径流的社区也会面临当地

    的水峰值。随着全球气温升高，气候变暖，饮用水的需求也会增

    加，灌溉系统的需求量也将增加，因为以前由雨水自然灌溉的农

    作物需要人工灌溉了。

    在世界的某些地方，人类、农业和工业的用水量也开始造成

    潜在的不可逆转的环境破坏。2009年，太平洋研究所(Pacific

    Institute)试图通过引入“生态水峰值”来强调这一危险。正如《世

    界水资源报告》(The World’s Water)所指出的，人类的每一个新的用水项目同时“降低了水支持生态系统的作用，并削弱了其

    服务人类的能力”。那些暂时被占用或移动的水源曾经是陆地生

    物、鸟类、水生植物和动物的栖息地。

    当某个地区消耗的水超过了生态可维持的峰值时，其影响可

    能是非常严重的。例如，自1900年以来，世界上一半的湿地已经

    消失。这不仅导致了许多物种的灭绝，还导致了许多人类居住的

    旱地地区洪水泛滥。河流因提供饮水和农业灌溉而枯竭，这经常

    导致自然植被缺水，继而导致野生动物的食物短缺和栖息地的丧

    失，最终造成土壤侵蚀。

    在20世纪，人类对淡水的消耗增加了9倍。一些预测表明，我们现在正在利用几乎一半的可再生和可获得的淡水资源。如果

    我们的用水量继续增加，那么必然会对许多生态系统造成严重破

    坏，其结果不言而喻。

    水峰值的影响

    水峰值是未来的一个挑战，其影响非常广泛，包括对人类和

    非人类。人类文明所消耗的大约8%的水用于饮用和基本的家庭用

    途。在大多数发达国家，这种国内供应在未来可能会受到更大的

    限制，但不会有断供危险。然而，在许多地区，粮食生产所需的

    大量水资源的供应却很难说。

    人类用水至少有70%被用于农业。例如，生产一吨粮食所需

    的水量约为1000吨，而生产一吨大米所需的水量高达5000吨。在

    任何降雨不足的地区，所有或部分的水必须通过灌溉提供。因

    此，一些主要的农业地区目前过度用水将在未来引起严重后果。

    例如，世界银行(World Bank)报告称，中国海河流域的用

    水量超出了其自然补给量。一旦水资源枯竭，预计每年供应缺口

    达400亿吨。这意味着该地区的粮食收成将减少4000万吨，这些

    粮食足以养活约1.2亿人。从中国的总体上来看，小麦和粮食产量

    在1997年达到了顶峰，两种主要农作物的产量都在下降，部分原因就是缺水。

    印度的情况可能更糟。例如，在印度南部的泰米尔纳德邦

    (Tamil Nadu)，水位下降已经导致小型农场95%的水井干涸。

    在全国范围内，集约耕作方式使印度的小麦和水稻总产量仍然保

    持增长态势。然而，在全国大部分地区地下水位下降的情况下，用不了十几年，灌溉用水的缺失可能会导致粮食产量下降。印度

    已经处在粮食供应和消费紧缺的边缘，这很可能会导致一场人道

    主义灾难。

    我们将在下一章了解到，水峰值只是可能限制未来全球粮食

    供应的挑战之一。然而，随着水资源短缺变得越来越严重，它将

    不可避免地影响到农业以外的领域。前联合国秘书长潘基文多次

    警告说，用不了几十年，缺水将威胁到经济增长、人权、健康和

    人身安全以及国家安全。

    国内水供应不足对健康和安全的潜在影响是不言而喻的。而

    水峰值将导致粮食短缺，其影响更是不可低估。虽然水供应不足

    对更广泛的工业和经济上的影响可能不会那么明显，但也不能小

    觑。

    许多工业过程都是高度耗水的，大约22%的水用于工业。例

    如，在生产金属、化学品、纸制品和电子元件时需要大量的水。

    在煤炭、石油、天然气和其他燃料的开采以及大多数发电系统的

    运行中，水也是至关重要的。事实上，美国的燃料生产和发电行

    业的用水需求仅次于农业。

    2010年3月，由国际民调公司(Globe Scan)和商业智库可持

    续发展组织开展的一项对1200名可持续发展专家的调查报告显

    示，未来的水资源短缺将“推动全球产业转型”。正如可持续发展

    专家杰夫·埃里克森(Jeff Erikson)所指出的，淡水稀缺将渗透到

    商业的方方面面。例如，目前计划在中国建立新工厂的任何公司

    都需要考虑喜马拉雅冰川的融化，这些冰川是中国最重要河流的

    源头。与此同时，美国的制造商未来可能不得不将工厂从越来越

    干燥的西南地区重新搬回水资源丰富的大湖地区。水峰值解决方案

    “水峰值”这个词正越来越多地被用来表示水稀缺性情况，与

    石油峰值的情况类似。在某些方面，采用同样的术语是必要的，尤其是当它有助于提高商业和公众意识的时候。然而，未来的石

    油和水资源的稀缺是非常不同的，从而需要一些不同的解决方

    案，认识到这一点也很重要。

    与水不同，石油的使用几乎完全是消耗性的。换句话说，除

    了一些塑料的回收，一旦我们使用了石油，它就被烧掉了，不能

    再使用了。相比之下，几乎所有的用水都是非消耗性的。然而，有些水在使用过后，可能在几百年甚至几千年之内人类无法饮

    用；但如果有足够的时间和技术支持，即使是工业污染最严重的

    水资源也有可能再次被使用。

    虽然将石油从地球的一个地方输送到另一个地方很合算，但

    长距离运输大量的水是不可能的。这意味着，与石油形成鲜明对

    比的是，在许多地方，水会变得越来越稀缺，而在其他地方，水

    则很充足。对许多人来说，水峰值的最大后果将不是当地缺水，而是来自世界各地的食品和其他商品的供应减少，因为食品和其

    他商品的供应地出现了干旱。这可能是欧洲等地区将面临的一个

    大问题，因为欧洲已经依赖于从他国进口食品，如印度、南非和

    埃塞俄比亚，而这些国家已经面临缺水的挑战。我们所有人都会

    受到水峰值的影响，只是方式不同而已。

    我们应对石油峰值的长期解决方案主要涉及开发和采用替代

    燃料和制造材料。与此相反，淡水的替代品并非唾手可得。对于

    那些住在海边的人来说，海水淡化厂将是一个选择，而有些地区

    已经建设了海水淡化厂。目前，海水淡化的成本非常高。然而，正如第七章所讨论的，在未来，纳米技术的发展可能会让海水淡

    化变得很划算。

    石油峰值和水峰值的共同点就是要求我们必须更有效地利用

    每一种资源。为此，一些研究水峰值的人认为，我们需要走“更

    温和的道路”。这将需要发展一种更一体化、更持久的方法，以制造出传统上依赖水的产品。

    例如，主张采取更温和路线的人建议我们开发更节水的洗涤

    和卫生设施，而不是继续走我们目前的“硬路”，如建造更多的水

    坝、水泵、管道和水处理厂。许多国家可以把用水量与水质相匹

    配，在许多降雨丰富的国家，住宅可以利用雨水冲洗厕所和浇花

    园。同样，一些农业和工业用水的需求可能会从回收的废水中得

    到满足，而不是使用被提纯的饮用水。

    水峰值近在眼前

    短期内，对于发达国家的大多数人来说，水峰值不可能带来

    直接的、局部的影响。但值得注意的是，水资源短缺已经远远超

    出了传统的干旱地区。例如，2010年9月，几家新闻机构报道

    说，塞浦路斯已经成为欧洲第一个体验水峰值的国家。

    位于地中海的塞浦路斯大约有100万人口，也是数百万人的

    年度旅游目的地。传统上，岛上的水源来自地下蓄水层。然而，由于海水侵入，这些水源已经枯竭了。这些含水层的水变咸，不

    适合饮用了。植被也因此受到严重影响，有些地区50%的树木因

    缺水而死亡，继而土壤侵蚀也开始对土地造成损害。

    在经历了四年的干旱之后，2008年，塞浦路斯政府不得不花

    费3900万美元从希腊进口好几油轮的淡水。即便如此，每家每天

    也只有几个小时的供水。整个岛上的许多农场动物都死了。

    正如塞浦路斯的水开发主管索福克瑞斯·阿尔特拉里斯

    (Sofoclis Aletraris)告诉美国有线电视新闻网(CNN)的，该国

    的“水文化”正在发生变化，现如今，没有哪名塞浦路斯人还会将

    水视为寻常之物。塞浦路斯政府现在也在对海水淡化厂进行大量

    投资，并计划从处理海水中获取满足其城市所需的饮用水。正如

    这个案例所显示的，水峰值是一个真正的挑战，一些国家已经开

    始转变观念并实施技术解决方案。

    文明的流动

    大多数成规模的早期人类定居点都发现于大江岸边，这并非

    巧合。纵观历史，文明总是不得不找到足够的水源。在未来，这

    也不太可能改变。因此，许多目前依赖过度抽取地下水蓄水层的

    国家迟早需要搬迁。在水峰值的情况下，世界贸易格局也有可能

    大幅改变，水峰值甚至有可能影响各国未来在全球的主导地位。

    与大多数商业分析师交谈，他们会告诉你，未来的经济看中

    国和印度。然而，这两个国家在迅速实现工业化的进程中部分利

    用了它们的水资源，并且对水资源的利用远远超出了它们的自然

    补给速度。因此，中国和印度在世界范围内崛起的过程中可能还

    将面临不小的挑战。水峰值已经是未来的一张重要王牌，大多数

    分析师没有将其考虑在内。

    在过去的50年里，发达国家允许自己与许多实际的生活方式

    分开。但不久，水峰值现象就可能会扭转这一趋势。今天，大多

    数人幸运地生活在一个发达国家，他们仍然认为水是取之不尽、用之不竭的资源。我们中的许多人甚至每天都会浪费大量的淡

    水，而这些浪费掉的水足以让地球上其他地方一个快渴死的人起

    死回生。考虑到水并不是一种可运输的资源，我们对此无能为

    力。

    同样值得反思的是，目前地球上只有一半的人从水龙头里取

    水。很多生活在缺水地区的人，最大的愿望就是拥有这样一个水

    龙头，而不必担心它会干涸。因此，任何人都不能否认，提供充

    足且满足全球需求的水是个巨大挑战。而最重要的是，这是全球

    人类以前从未遇过的挑战。第四章 粮食短缺

    到2030年，地球上的人口可能至少达到80亿，而未来的粮食

    供给，在石油峰值、气候变化和水峰值的影响下，将会减少，由

    此会引起非常严重的后果。具体来说，石油将变得更稀少、更昂

    贵，这将改变粮食生产和运输的方式及其带来的经济效益。气候

    变化已经降低了农业产量，同时也削弱了一些地区种植现有作物

    的能力。越来越少的淡水将进一步减少农作物产量，有些地区甚

    至会颗粒无收。

    除了石油峰值、气候变化和水峰值之外，还有五个主要挑战

    威胁着未来的粮食安全。首先，由于人口膨胀，越来越多的人需

    要从相同的或不断减少的农业用地中得到粮食。其次，随着工业

    化的继续推进，肉类在人类平均饮食中的比例正在增加，这将进

    一步消耗我们的农业资源。再次，鱼类资源正在减少。又次，我

    们正在见证所谓的“非粮食农业”的增长，越来越多的土地被用来

    种植制造生物燃料和其他石油替代品所需的农作物。最后，同时

    也是最重要的是，合理比例的农业用地的生产率正在下降。

    幸运的是，我们已经认识到几项创新可以使我们在未来生产

    足够的粮食。这些解决方案包括利用基因技术改造农作物以提高

    其产量和质量(将在第八章讨论)，以及垂直农业(将在第十章

    讨论)。饮食的改变，以及更多地转向当地粮食生产，所有这些

    都有助于解决粮食短缺问题。这说明我们必须意识到在未来的几

    十年里，粮食供应可能会减少，我们的饮食习惯需要随之改变。

    石油峰值和粮食供应

    正如第一章所指出的，现在发达国家每吃一卡路里的食物，就需要消耗大约10卡路里的石油能量。换句话说，一盒一千克的

    早餐麦片的生产和运输需要消耗大约半加仑(1)

    的石油。尽管许多

    人可能没有意识到，但石油峰值确实威胁着我们的驾车出行和航

    空能力以及未来的粮食供应。

    在20世纪五六十年代，世界农业发生了“绿色革命”，生产力

    提高了几百个百分点，部分原因是发展了新的作物品种。然而，增加农业生产主要依靠的是以石油为燃料的农业机械和灌溉系

    统，以及以石油为基础的杀虫剂和无机肥料。正如统计数据所显

    示的，今天的粮食生产仍然高度依赖石油。虽然我们不会坐在餐

    桌旁直接把石油倒在盘子里喝下去，但我们大多数人都是通过间

    接摄入石油来填饱肚子的。

    目前，如果停止使用基于石油的杀虫剂，人类就无法养活自

    己。然而，在未来，基因改造作物更能抵抗疾病，这可能使我们

    在农田里使用较少的石油。有机纳米技术也有可能作为传统农药

    的替代品而发展起来。作为另一种选择，未来的小型机器人可能

    会在我们的农田里忙碌或盘旋在我们农田的上空，寻找并消灭捕

    食珍贵粮食的昆虫和其他害虫。

    如果要维持现有的粮食生产水平，目前的灌溉系统和农业机

    械也是必不可少的。虽然这些不需要石油推动，但我们确实需要

    马上着手考虑如何用其他方式提供动力。更紧迫的是，我们还需

    要在离家更近的地方开始粮食生产。我们现在所吃的粮食大多来

    自几百英里甚至几千英里之外。这些粮食也常常或至少部分需要

    塑料包装。因此，在这些特殊方面减少粮食对石油的依赖应该是

    当务之急。

    气候变化和粮食生产

    全球平均温度每上升1℃可能导致全球的玉米、水稻和小麦

    的产量下降约10%。海平面上升，再加上格陵兰岛和南极西部冰

    原的加速融化，甚至有可能导致亚洲各水稻种植三角洲洪水泛滥。当然，在世界的某些地方，平均气温的适度上升可能会增加

    某些农产品产量。例如，20世纪后期，一些热带水果可以在英格

    兰南部生长。然而，总体而言，气候变化将阻碍而不是帮助全球

    粮食生产。

    正如英国政府的《斯特恩报告》所言，“气候变化将导致全

    球范围内因营养不良而死亡的人数增加”。由于气候变化带来的

    恶劣天气，世界各地将在一定程度上遭受更大的作物损失和作物

    质量下降，在某些国家，这种影响可能是灾难性的。

    例如，政府间气候变化专门委员会的一名来自菲律宾的成员

    罗德尔·D.拉斯考(Rodel D.Lasco)博士预测，日益频繁的洪水

    和干旱将极大地降低该国数百万英亩农田的生产力。全球变暖也

    有引发珊瑚礁死亡的风险。菲律宾非常关注的另一个问题是，几

    乎所有的小岛屿社区都靠捕捞该地区2.7万平方千米的珊瑚为生。

    水峰值和粮食短缺

    世界上大约一半的人口生活在地下水位下降的国家。据估

    计，目前全球约有4亿人都是通过过度抽取水源来灌溉农田的，其中中国有1.3亿人，印度有1.75亿人。人类平均每天消耗大约4

    升水。但是，一个人每天摄入的食物至少需要2000升水才能生产

    出来。因此，未来的水供应不足很可能导致粮食短缺。

    沙特阿拉伯的粮食生产是最容易受到水资源短缺影响的国家

    之一。该国几乎所有的粮食都是从依赖于化石地下水蓄水层灌溉

    的土地上生产出来的，而化石地下水蓄水层是无法补给的。多年

    来，沙特阿拉伯利用其石油财富补贴小麦的产量，其成本是世界

    平均水平的5倍。然而，由于地下蓄水层已经被抽干，小麦产量

    从1992年峰值的410万吨下降到2010年的120万吨左右。由于透支

    未来几十年的地下水，其最大的地下水蓄水层日渐枯竭，沙特阿

    拉伯已全面禁止小麦种植。

    沙特阿拉伯提供了最极端的例子，说明了水资源的峰值将如何限制未来的粮食生产。然而，世界经济论坛(World Economic

    Forum)更笼统地预测，如果不采取行动，到2030年，水资源短

    缺可能会使世界粮食产量减少30%。这相当于从全球粮食供应中

    去除印度和美国目前生产的所有粮食。

    幸运的是，现有的水供应可以更有效地利用。由于蒸发和径

    流，许多灌溉系统浪费了超过50%的供水。然而，高低压自动喷

    水装置可以减少30%的水浪费，而滴灌可以使灌溉系统的水利用

    率提高一倍。由种植喜水作物(如水稻)转变为种植耐旱作物

    (像小麦)，也可以显著提高蛋白质产量，而灌溉水平不变。鉴

    于这个原因，北京周围的水稻生产现在正在逐步停止，而埃及也

    在限制稻米生产，以支持其他谷物生产(此书更多分享搜索@雅

    书B)。

    我们的人口增长

    每年大约会新增7900万人需要喂养。这些新增的人口大多分

    布在水资源日益匮乏的地区，且这些地区的人们已经开始挨饿。

    随着世界人口的进一步增多，食品和淡水的短缺也可能引发人道

    主义危机。

    即使对本章所强调的所有其他问题都忽略不计，到2030年地

    球上的人口达到80亿时，世界上现有的农业用地和目前的农业生

    产方式能否让人人吃饱，仍值得商榷。除此之外，如果不采取根

    本性的行动来改变我们的饮食方式及种植方法，那么到2050年，养活90亿或更多的人将是绝对不可能的。而且，这些必需的改变

    也需要几十年的时间才能实现。

    日益增长的肉类消费

    富含肉类的饮食更消耗资源。这是因为供人类食用的动物都必须经历从出生到被屠宰的过程。因此，当我们吃肉时，我们就

    间接地消耗掉了所选动物在其一生中所吃掉的食物的数量。

    目前世界上吃肉最多的国家是加拿大和美国。为了给这些国

    家供应牛肉、猪肉和家禽肉，每年每人需要收获大约800千克的

    谷物。谷物的绝大部分被喂给动物，它们将其转化为肉类蛋白质

    供人类食用。相比之下，像印度这样贫穷的国家，平均每人每年

    需要的粮食不足200千克。几乎所有这些谷物都直接作为素食的

    一部分被直接食用。

    幸运的是，全世界超过50%的牲畜只吃草而不吃谷物。它们

    吃草的牧场也常常位于陡峭之地或干旱之地，无法用于种植粮食

    作物。因此，在这片土地上放牧则是有效地利用了农业资源。然

    而，适宜放牧的草原是有限的，粮食仍然被广泛用于喂养大多数

    家禽以及许多猪。

    工业化程度越高，人们消耗的肉类越多。例如，在中国，1995年人均肉类消费量为25千克，到2008年已经上升到53千克。

    生产1千克肉需要消耗大约5千克的谷物。因此，虽然中国人口在

    1995年至2008年只增长了10%，但在这13年间，粮食消耗却增加

    了4倍。中国和其他快速工业化国家对肉类需求的增长并没有放

    缓的迹象。世界银行估计，到2030年，全球肉类需求预计将增长

    85%。

    即使不考虑人口增长，在未来一二十年里，全球肉类需求将

    开始明显超过全球肉类供应。控制气候变化也需要少养排放甲烷

    的家畜。因此，任何食用大量肉类的人都应该在接下来的20年里

    开始吃更多的素食。

    日益减少的鱼类资源

    不幸的是，我们无法用增加海产品的办法来应对可能下降的

    家畜供应。四分之三的鱼类资源已经被捕捞，这种捕捞已经超过

    鱼类资源的产能，不得不进入休渔期以恢复元气。在未来，鱼的供应量将会越来越少。事实上，根据2010年年底出版的十年《海

    洋生物普查》(Census of Marine Life)，除非采取必要措施，否

    则到2050年全球范围内的捕鱼业将完全崩溃。

    简单地说，目前世界上的海洋捕捞量远远超出其自然补给速

    度。如果我们不停止目前的做法，那么鱼库存补给的自然比率就

    有接近于零的危险。实际上，我们已经达到甚至越过了“鱼峰

    值”，这将对未来全球的食物供应产生非常重大的影响。

    《海洋生物普查》为十组大型海洋物种的数量建立了历史基

    准线。其中包括洄游鱼类(在淡水和咸水之间游动)、礁石鱼和

    深海鱼类。《海洋生物普查》发现，这些鱼类的大多数已经减少

    了近90%，其中最主要的原因是过度捕捞和栖息地被破坏——几

    乎所有海洋都受到了人类活动的影响。许多科学家认为，即使尚

    未达到历史基准线，海洋生物也将很快濒临灭绝。因此，不幸的

    是，海洋在未来给人类提供食物方面，应该列在“问题”一栏，而

    不是“解决方案”一栏。

    非食品农业

    如果说石油峰值、气候变化、水峰值、人口增长、肉类消费

    的增加和鱼类资源的减少还不够严重的话，那么越来越多的土地

    正在被用于非粮食农业则应该称得上严重。最值得注意的是，大

    量的土地被用于种植玉米、油菜、甘蔗和其他农作物，用于生产

    生物燃料。例如，根据国际能源署的数据，从2001年到2008年，全球生物柴油产量增长了10倍，达到每年109亿升。

    每一英亩用于种植生物燃料作物的土地原来都被用于粮食生

    产。到21世纪下半叶，生物燃料可能是许多工业过程中必不可少

    的化石燃料替代品。因此，生物燃料的生产仍将是必不可少的。

    燃烧生物燃料产生的碳排放要比燃烧等量的化石燃料少。从

    理论上讲，改用生物燃料有助于减缓气候变化。然而，在实践

    中，越来越多的人认识到，转化为生产生物燃料的雨林、泥炭地和其他地区的碳排放量，远远超过最终的生物燃料。至少目前来

    说，如果生物燃料是在现有农田上种植的作物生产出来的，那么

    它就是环保的。但这样一来，加大生产生物燃料将不可避免地减

    少全球的粮食供应。

    土地的所有权和生产力

    由于已经阐明的许多原因，可行的农业用地正在变成一种稀

    缺的和更昂贵的资源。因此，一些发达国家的企业和政府现在花

    费数十亿美元购买其他国家的农田以保证未来的粮食供应，就不

    足为奇了。

    非洲的土地已经被用来为英国超市种植粮食。尽管如此，生

    活在这些农场附近的非洲人仍在挨饿。其他在非洲购买农田的国

    家包括卡塔尔、约旦、科威特、沙特阿拉伯、韩国等。利比亚在

    乌克兰购买了25万英亩土地。

    外国收购贫困国家的土地，所掠走的不仅仅是土地，还有其

    他重要的自然资源。例如，任何在非洲购买土地的国家，运出水

    果或蔬菜的同时，也带走了干旱大陆的水。正如上一章所指出

    的，大量的水不能远距离运输。然而，在外国进行的任何农田收

    购都是间接的水收购。因此，富裕国家在海外的购买行为和大面

    积种植行为是不是有可能、能不能被接受，仍然是一个富有争议

    的问题。韩国也曾计划在马达加斯加购买大量土地。

    许多可耕土地的价值也在减少，土壤侵蚀已经降低了全球约

    30%的农业用地的生产力。随着过度放牧、过度耕作和森林砍伐

    在许多快速工业化地区泛滥，土地沙漠化的脚步也不可避免地在

    加快。尤其在中国，土壤被侵蚀已经迫使大约2.4万个村庄完全或

    部分地放弃了农田。在远古时代，许多人类文明因无法在自己的

    本土生存而消亡。对于当今全球很多强大的国家来说，除非它们

    开始改变自己的生活方式，否则在相对不远的未来，它们也将面

    临远古人类文明类似的命运。比较乐观的一面是，一些农业用地的生产潜力开始增大。通

    常情况下，这种潜力增大是每年从相同的田地里种植一种以上的

    作物达到的。的确，在1950—2000年，世界粮食产量增长了三

    倍，这得益于亚洲地区合理的多种作物混合种植。作物的基因改

    良——将在第八章中讨论——可能增加未来的多品种种植。在新

    的作物品种实验室中，抗病能力更强、抗旱和抗寒能力更强的作

    物也可以提高农业用地产量。在未来，我们也可能在以前贫瘠的

    土地上种植新的或耐受力更强的作物品种，收获粮食。

    宝贵的粮食

    从2006年中期到2008年中期，大米、小麦、玉米和大豆的价

    格大约上涨了两倍。2008年的全球金融危机可能导致了油价暂时

    稳定，甚至略有下降。然而，到2011年年初，全球食品价格再次

    快速上涨，并再创新高。因此，2006年至2008年粮食价格飙升的

    情况很可能会再次发生，因为正如本章所概述的，未来粮食生产

    将会受到限制。粮食歉收也已经促使一些国家限制粮食出口，比

    如2010年遭遇粮食歉收的俄罗斯，2011年因洪水导致粮食歉收的

    澳大利亚。在发展中国家，充足的粮食供应一直是一个大问题。

    然而，在10年之内，无论在国内还是国外，粮食供应都将成为每

    个国家的头等大事。

    从技术上来说，在未来的几十年里，地球上的每个人可能不

    愁填饱肚子。然而，这需要我们对所生产的粮食进行实质性的改

    变——包括我们食物链中广泛的基因改造，以及数十亿人饮食方

    式的改变。因此，在未来一二十年，粮食短缺问题将不会得到有

    效的解决。

    近年来，世界上饥饿人口的数量一直在上升，超过10亿人面

    临营养不良。每天大约有1.6万名儿童死于饥饿。保护全球粮食安

    全的行动和措施不可能立刻见效，因此，粮食问题不容乐观。事实上，正如地球政策研究所(Earth Policy Institute)的莱斯特·R.

    布朗(Lester R.Brown)在2010年1月的《未来学家》(The

    Futurist)中所言：“除非主要国家集体动员稳定生产，稳定气

    候，稳定地下蓄水层，保护土壤，保护农田，并限制使用谷物来

    生产汽车燃料，否则粮食安全问题将进一步恶化。”

    除了能源和其他大多数资源，食品也将变得更加昂贵。因

    此，大多数人将不得不把收入的大部分花在食物上。现在发达国

    家也不能想吃什么就吃什么了，大富豪和极端自私的人除外。

    我们也可以确信，在未来，我们的粮食将更多地在当地种

    植，从而减少长途运输带来的资源消耗。我们吃的东西也可能会

    受到基因改造的影响，许多欧洲人可能不喜欢这个概念。然而，在美国，甚至非洲的部分地区，转基因食品链已经成为现实。

    在21世纪第二个十年开始的时候，未来的粮食短缺很可能会

    破坏国家的稳定，动摇政权，引发严重的贸易限制，甚至引发战

    争。因此，应对未来全球粮食安全的挑战很可能会带来巨大的痛

    苦。然而，从积极的一面看，这也可能增加对粮食和粮食供应的

    关注，使当今发达国家的人口与自然世界重新联系起来。我们所

    有人的生存都依赖于农业。在未来，这一点将变得更加明确，而

    不再是数百万人可以轻易忽视的东西了。

    (1) 1加仑(美制)约为3.8升。第五章 资源枯竭

    不管你喜不喜欢，富足的时代已经结束了。除了石油、水和

    食物之外，在未来的几十年里，许多其他原材料也将变得稀缺。

    而目前，我们就已经面临几种金属的短缺，而这些金属在电子和

    电子元器件生产中至关重要。因此，我们将不得不少消耗一点，更加珍视原材料。

    在自然资源萎缩的情况下，人类继续扩张。如果忽视这一

    点，未来这种日渐危险的事态可能会在全球范围内引发冲突。因

    此，我们需要改变我们的资源利用方式，以继续维持今天全球的

    相对和谐。等到无米下锅的时候再去想办法是不明智的生存策

    略。

    2011年5月，联合国环境规划署(UNEP)的一份报告把我们

    的立场阐述得很明确。正如报告所解释的，如果放任不管，到

    2050年，人类对自然资源的需求可能会增加到每年约1400亿吨的

    矿物、矿石、矿物燃料和生物量。这是我们目前资源消耗速度的

    三倍，远远超过了可持续发展的水平。正如联合国环境规划署的

    执行主任阿希姆·施泰纳(Achim Steiner)后来所解释的，我们需

    要“紧急反思”资源利用与经济繁荣之间的关系。或者简而言之，我们将不得不以更少的投入实现更多的产出。

    一切都有峰值吗？

    大多数分析人士预计，我们将在2013—2030年达到石油峰

    值。与此同时，我们目前从地面提取的许多其他资源预计将在大

    致相同的时期达到峰值。例如，锌(Zinc，用于制造多种电池)

    和钽(Tantalum，用于生产可充电电池、电容器和电阻器)预计在2025—2035年达到峰值。与此同时，锑(Antimony，在半导体

    生产中必不可少)将在2020—2040年达到顶峰。

    一些重要的贵金属可能会出现供应短缺。例如，铟

    (Indium)——液晶平板显示器生产中的一个重要元素，到2020

    年可能会非常稀缺，除非发现新的储量。铟的价格也反映了这一

    点，从2003年的每千克40美元跃升到2011年的每千克600美元以

    上。目前在制造发光二极管(led)和一些太阳能电池中至关重要

    的镓(Gallium)的供应也有可能不稳定。甚至常见的铜和锡的储

    备，在2050年以后也无法满足日益增长的全球需求。因此，现在

    有些人说“一切都有峰值”或许并不夸张。

    目前所有旨在减少对化石燃料依赖的措施都使我们更依赖于

    其他资源，而这些资源本身很快就会变得稀缺。例如，尽管我们

    可以用传统的核电站取代燃煤发电站，但这些电站目前都是由铀

    (Uranium)推动的。不幸的是，可利用的铀储量可能只够开采

    80年。电动汽车的广泛应用(如第十一章所述)也将极大地增加

    我们对锂(Lithium)、锌、钽和钴(Cobalt)等贵金属的依赖，因为这些金属在可充电电池的生产中都是必不可少的。同样，传

    统太阳能电池的使用(如第十三章所述)将增加我们对镓、银和

    金的依赖。

    所谓的稀土金属(REMs)的供应也可能变得极其稀缺。稀

    土金属是我们已经依赖的17种金属的一组，而大多数下一代能源

    技术都可能非常依赖它。例如，稀土金属钕(Neodymium)是世

    界上最强的磁铁，因此用于生产发电机和电动机。类似地，稀土

    金属镝(Dysprosium)能让电动马达磁铁的重量减轻90%，而稀

    土金属铽(Terbium)则能让电灯更有效率。如果未来没有了稀

    土金属的供应，我们将无法使用传统的方法制造电动汽车、风力

    涡轮机、太阳能电池或低能耗灯泡，更不用说激光器、计算机存

    储器、硬盘驱动器和智能手机了。

    对西方来说，最感到担忧的是，如今中国的稀土金属矿石开

    采占了全球稀土金属矿石开采量的97%。中国还参与了相关金属

    几乎所有的生产，生产了约80%的稀土磁铁。有报道，在未来几

    年内，中国的稀土金属产量仅够满足其国内需求。而在过去十年里，全球对稀土的需求从大约4万吨增长到12万吨以上。因此，许多绿色技术的发展面临重大风险。

    除中国之外，其他国家也确实存在稀土金属储备。因此，其

    他国家已经开启开采稀土金属的计划，也就不足为奇了。然而，开采这些稀土金属可能需要多年时间。稀土金属的开采过程非常

    脏，会造成严重污染。因此，几乎没有哪个国家会欢迎在他们家

    门口设立稀土金属采矿区，而这反过来又会减缓西方的稀土金属

    生产。在2020年之前，至少短期内稀土金属匮乏是不可避免的。

    因此，必须实施意义重大的稀土金属回收计划。

    少投入多产出

    一直以来，我们的大吃大喝令我们的祖先感到羞愧。然而，我们可以做五件事来应对资源消耗的许多挑战。这些方法是减少

    消耗、修复而不是取代、增加循环利用、减少浪费，以及最终在

    长期实现从太空获取资源。这些方法都不可能孤立奏效。因此，我们需要采取几种方法一起上的多元化策略。

    减少全球对物质和能源的需求将使地球上的有限供应持续更

    长时间。面对日益发展的工业化，实现任何这样的削减似乎是不

    可能的。然而，气候变化已经改变了许多国家对能源和资源效率

    的看法和政策。实际措施也开始发挥作用。例如，节能灯泡正变

    得越来越普及，而节能电脑也紧随其后。事实上，早在2005年，英特尔就提出了“每瓦性能表现”的新口号。

    数字技术也使越来越多的人获得了消耗更少资源的服务。例

    如，音乐产业已经将其大部分的产出进行了“非物质化”，现在数

    字下载的销售几乎相当于销售了更多的资源密集型光盘。到21世

    纪末，大量的文本和视频发行也可能是数字化的。Kindle电子书

    阅读器已经成为亚马逊网站最畅销的产品。2011年1月，甚至有

    报道称，亚马逊网站的Kindle电子书销量已经超过了传统平装书。

    回归产品修复时代

    另一种降低资源耗竭影响的方法是修复而不是简单地更换破

    损的东西，毕竟这是人类历史上惯用的做法，直到20世纪下半

    叶“一次性文化”的到来。为此，制造商需要着手设计能够被修复

    的产品，并让“计划报废”成为历史。随着资源消耗的增长，价格

    的上涨和原材料的缺乏也可能会使一些市场朝着这个方向发展。

    然而，政府进行干预可能会迫使制造商停止生产一次性产品。

    电子工业出现的问题已经有了解决方案。今天购买一台DVD

    刻录机，当驱动器出现故障时，整台机器就报废了，结果导致其

    完好的机壳、调谐器、遥控器和电源也随之一起报废了。相反，如果台式电脑或笔记本电脑上的DVD驱动器出现故障，则很容易

    进行更换，因为它是标准部件。事实上，没有一家DVD刻录机制

    造商使用标准的、可更换的驱动器，这表明许多现有产品的设计

    水平有待提高。

    不管制造商或政府是否采取行动，未来许多产品将变得更容

    易修复。正如下一章将讨论的，其中一个原因是3D打印机可以在

    任何时候、任何地方提供任何部件。如今，一个塑料或金属部件

    的破损经常使整个物品丧失功能。然而，在未来，3D打印机将轻

    而易举地复制损坏的部件，即使制造商没有提供备用件。未来随

    着纳米技术(第七章)和合成生物学(第九章)的发展，我们甚

    至可能建造出自我修复机器。技术进步将再一次拯救稀缺资源。

    增加循环利用

    应对资源枯竭的第三个措施是增加循环利用。实际上，这将

    使我们能够将之前认为废弃的原料转化为新的资源。制造商需要再次行动起来。“摇篮到摇篮”这个术语已经被用来指在设计阶

    段，产品的每个组件都能够重复使用或被回收利用。这样的发展

    也有可能与更常规的产品修复相结合。

    当我还是个孩子的时候，我的母亲经常告诉我，未来的人们

    会开采我们的垃圾填埋场，我敢肯定她几十年前的预言是正确

    的。现在从某些废旧电路板中提取黄金比从一些黄金矿石中提取

    黄金要便宜得多。如果你告诉大多数人他们可能在扔掉金子，他

    们会感到震惊。虽然在电脑、手机和音频插孔触点中使用了少量

    的黄金，但大多数人仍然习惯性地丢弃它们。

    我们可能很快就会回收路边的灰尘。现在，在汽车中安装的

    催化式排气净化器可以减少尾气污染物的排放，这些净化器都使

    用了一些铂(Platinum)，这是世界上的一种非常稀有、昂贵的

    金属。在英国，路边的灰尘中现在含有多达百万分之一的铂。因

    此，研究人员正在利用细菌工艺流程开发一种设备，它能够有效

    提取我们城市中新的精密金属矿藏。

    减少浪费

    第四个应对资源枯竭的措施是减少材料浪费的数量。这也可

    以通过多种方式实现。首先，随着许多原材料价格的上涨，企业

    可能会减少从生产线上丢弃的材料数量。他们也肯定会进一步减

    少那些永远不会出售的商品的库存，下一章将对此进行深入讨

    论。因为3D打印技术使按需进行数字制造成为可能，从而为减少

    库存提供了巨大的可能性。相应地，也就可以防止无用的东西堆

    满仓库和零售商店。如今，许多商店都堆满了那些永远不会被出

    售的产品。在书店里四处走动，思考陈列的书当中有多少最终会

    成为滞销书，这确实发人深省。如果企业更多地了解客户并采用

    按需生产的策略，这种浪费行为会大大减少。

    另一种减少浪费的方法，是在产品包装上使用更少的材料。

    许多制造商已经开始使用更小巧、更具持续性、消耗资源更少的盒子和纸箱来包装他们的产品，而且这种趋势很可能会持续下

    去。我们甚至可以回到从前的时代，那时许多分销和购买的产品

    很少包装或根本没有包装。以前这是一种常见的做法，一个世纪

    前，人们几乎想象不到购买的水果、男装、女装和许多其他物品

    是放在塑封的盒子里的，而不是直接放在袋子里。对于大型制造

    商、批发商和零售网点来说，做出这种改变将会很困难，因为这

    会影响到他们的整个分销链。然而，由于许多资源的价格螺旋式

    上升，无包装产品可能会更便宜，从而刺激人们以新的方式去工

    作和购物。

    从太空中获取资源

    在地球这样一个封闭的系统中，实现持续的经济增长和人口

    扩张是不可能的。因此，我们应对资源枯竭的最终和长远措施是

    从地球以外获取原材料。纵观历史，我们的祖先为了寻找新的土

    地和新的财富而不断地从家乡冒险远行，我们有理由相信这种情

    况还会发生。事实上，正如我在2011年年中所写的，美国国家航

    空航天局(NASA)给一家私营机构拨发了一笔重要资金，这家

    机构正在开发第一代商用宇宙飞船。谷歌还赞助了一项名为“月

    球X奖”的竞赛，其中29家私营公司正在就将一架机器人飞船送上

    月球展开竞争。

    我们唯一可以依赖的中长期资源很可能来自太阳的辐射。我

    们目前消耗的所有东西都是有限的。总有一天，我们的粮食袋子

    会空空如也。当我们在第十五章讨论太空旅行的时候，我们需要

    未雨绸缪，否则我们将逐渐走向灭绝。

    未来的挑战及解决方案石油峰值、气候变化、水峰值、粮食短缺和更广泛的资源消

    耗都是自然的必然。然而，正如我在第一章开始时所主张的，它

    们不应该成为末日论者的武器。当然，在未来这五项关键挑战将

    促使个人生活方式和更广泛的全球文明模式的根本性改变。历史

    上，我们也曾经历过实际或潜在的逆境，而正是这些逆境成就了

    伟大而根本的创新。

    像大多数未来主义者一样，我每天都有精神分裂的感觉。一

    方面，我不断地意识到挑战的存在——如资源枯竭，这可能会限

    制我们未来的成就；而另一方面，我也同样意识到，在许多方

    面，许多前沿的创新可以改变和改善我们的生活。

    全球文明不久将开始触及一些实际的资源限制。然而，在面

    对这些挑战的同时，我们正站在技术迅猛发展的边缘。从某种意

    义上说，人类文明现在必须学会利用其日益增长的智慧来应对日

    益减少的有形机遇。这也是每个人随着年龄增长而不得不面对的

    挑战，因此也不是什么可怕的事情。

    由于大多数青少年缺乏生活阅历，他们知道得很少。然而，由于他们精力充沛、衣食无忧，大多数年轻人不愿意考虑这一

    点。不幸的是，当大多数人到三四十岁时，他们的健康状况和活

    力就会开始下滑。不过幸运的是，到了这个年龄，大多数人都获

    得了相当多的知识和经验。因此，虽然青春的逝去可能会令人遗

    憾，但大多数三四十岁的人仍对余生充满期待，尽管他们知道自

    己已经走过了他们的生理高峰。

    与人类相比，我认为人类文明现在处于三十岁出头的年纪。

    因此，我们共同的青春期已经远远地被抛在我们身后了。虽然这

    可能有点令人难过，但它绝不意味着文明即将灭亡，或者我们注

    定失败。生活将会是不同的，也许会非常不同，因为我们的生活

    将更多地依赖于智慧，而不是物质资源。这里说的“不同”可能至

    少和今天一样好，而且可能会更好。

    与大多数年轻人一样，迄今为止，人类文明已经取得了巨大

    的进步，但几乎失去了控制。然而，这种情况正在发生改变。事

    实上，在接下来的二十个章节中，大多数话题都涉及如何操纵我们生活的世界。我们将越来越多地制造出我们想要的东西、利用

    更广泛的能源资源、制造新的智能形式及重新塑造自我。在资源

    枯竭的背景下，人类控制的主要目标是未来将会发生的事情。这

    是不是一件好事，尤其是对地球上其他所有生命来说，是一种合

    理的质疑。然而，关于技术可能性的潘多拉盒子一旦打开，就不

    可能被关闭。无论我们是鼓吹者还是怀疑者，我们都有充分的理

    由去了解更多即将到来的技术革新。第二部分

    下一个工业浪潮第六章 3D打印技术

    在历史上很多时候，新技术改变了事物的生产方式，例如，蒸汽动力、流水生产线和电脑都改变了工业景观。今天，我们正

    站在许多类似的工业革命的边缘，因此在接下来的五章里，我们

    将来研究那些在未来几十年改变制造业和农业的尖端技术。

    利用新兴的纳米科学技术，越来越多的制造商将能生产出具

    有原子精度的产品。生物科学革命也即将到来，这将使农民和实

    业家能够控制生命本身，并在这个过程中创造出转基因植物和动

    物，以及下一代生物燃料和生物塑料。由于合成生物学的进步，我们甚至可以开始培育全新的生命形式，而这些人造的新生命形

    式将纯粹是为了生产某些化学物质。我们甚至可以在城市巨大的

    玻璃摩天大楼里生产食品和其他农产品，这就是所谓的“垂直农

    场”。

    纳米技术、基因改造、合成生物学和垂直农业，都可能改变

    当今许多标准的生产方法。然而，它们仍然需要非常大的改进和

    公众的认可。相比之下，第五次全新的制造业革命将很快到来，即3D打印技术。它将使塑料和金属部件乃至此类材质的整个产品

    都可以使用类似于喷墨打印机和我们目前用于输出文件和照片的

    激光打印机打印出来。3D打印技术也诞生于计算机行业，而计算

    机行业经历了实践的考验和革新，因此3D打印技术是一个成熟行

    业的成果，前景看好。

    1984年的未来

    第一台3D打印机是查尔斯·赫尔(Charles Hull)在1984年发

    明的。当时，赫尔使用专门的紫外线灯来硬化被称为“光固化聚合物”的液体塑料树脂。赫尔意识到，这在固化液体塑料树脂容

    器的特定部件方面存在着巨大潜力，由此促成一个3D物体的成

    型。

    在经历很多个漫漫长夜和周末之后，赫尔发明了一种能够用

    计算机控制紫外线激光束的仪器，并用这个仪器将一桶光固化聚

    合物塑形成一个物体的表层。在这个表层之下，有一个喷光固化

    聚合物的升降台，打印过程中它会下降，在已塑形表层之下再喷

    一层光固化聚合物，而计算机控制的激光束继续固化这层光固化

    聚合物，这个过程不断重复，最终赫尔造出了一个小巧的蓝色塑

    料杯。

    赫尔将他的3D打印过程命名为“3D光刻”。他还很快获得了一

    项专利，并成立了一家名为3D系统的公司，专门研发商用“3D光

    刻机”。到1988年，他们为大众市场提供了第二代3D打印机。

    目前3D光刻技术是应用最广泛的3D打印技术，并且可能还

    会继续流行。由于它打印的速度相当慢，而且只能使用特定的塑

    料树脂制造单一颜色的物体，因此立体光刻可能会受到限制。然

    而，立体光刻作为一种3D激光打印技术，其程序非常精确。现

    在，3D打印机也有各种尺寸，小到5英寸×5英寸的、大到20英寸

    ×60英寸的都有。

    3D打印机一旦打印出物体，该物体就需要从它的印刷平台上

    分离下来。此后它们通常还需被置于强烈的紫外线下一个小时左

    右，以便其完全定型。在这之后，通常就可以按要求对它们进行

    打磨、打底漆、刷漆或电镀等后续工序。虽然早期的3D打印机只

    能输出相当脆的塑料，但现在已经开发出了广泛的可光固化树

    脂。这使得打印非常坚硬和灵活的物体成为可能。

    立体光刻3D打印技术已经被广泛应用，最常见的是被用来创

    建新产品的功能原型。因此，在许多行业，立体光刻打印主要用

    于快速建模。例如，一个汽车工程师可以为一个新的齿轮箱测试

    打印部件，以检查所有的部件是如何组合在一起的。一些设计师

    现在也使用立体光刻打印来创建概念模型。例如，一个营销机构

    可能会使用立体打印机来制作一个新的洗发水瓶子的模型。立体打印机也越来越多地被用来制造最终生产模具的模具主

    件，并铸造出最终用途的塑料或金属零件。因此，你已经拥有的

    一些产品，它们的原始模具很有可能就是由立体打印机制作出来

    的。

    随着可光固化树脂的发展，一些公司甚至开始直接使用立体

    打印机制造最终的生产组件。当只需要生产几百个部件时，这种

    做法通常比使用传统的生产线要划算得多。立体打印技术还可以

    用于高度个性化的制造，因为每个部件都可以通过3D打印做出

    来。

    一系列过程

    在20世纪80年代末和90年代初，随着立体打印技术的发展，许多其他3D打印工艺或“添加剂制造”技术也被开发出来。第一个

    是“熔融沉积成型工艺”(FDM)，该工艺是通过移动打印头将热

    塑性塑料从加热的喷嘴挤出，按照预定轨迹逐层进行熔体沉积，最终成型。斯科特·克伦普(Scott Crump)于1988年发明了熔融

    沉积成型法，并成立了斯特塔西(Stratasys)3D打印公司，开发

    和销售FDM 3D打印机。

    就像立体印刷术一样，如今的FDM 3D打印机越来越多地被

    用于制作概念模型、产品原型、模具主件，甚至是最终组件。

    FDM的优点之一是，它可以使用与注塑成型相同类型的热塑性塑

    料来制造3D物体。因此，FDM印刷零件的材料性能与传统制造

    工艺的材料性能完全相同。

    第二种3D打印技术是“选择性激光烧结工艺”(SLS)。这是

    由得克萨斯大学的卡尔·德卡德(Carl Deckard)在20世纪80年代

    发明的，但直到1992年才实现商业化。SLS 3D打印机通过铺设连

    续的粉末层来打印物体。然后，每一物体层都被选择性地固化

    ——或者“烧结”——用高温激光将粉末颗粒熔合在一起。选择性

    激光烧结工艺的另一种非常微妙的变体叫选择性激光熔化工艺(SLM)。这种工艺是将用来形成打印物体的粉末颗粒用激光完

    全熔化，而不仅仅是通过加热将它们熔合在一起。

    通过使用不同的粉末，SLS用激光完全熔化或SLM 3D打印机

    可以输出各种材料的物品，如聚苯乙烯制品、尼龙制品、玻璃制

    品、陶瓷制品、钢铁制品、钛制品、铝制品，以及后来的纯银制

    品。因此，SLS 3D打印机不仅能用于快速成型，还可用于生产最

    终组件，这一点不足为奇。3D系统现在是SLS 3D打印机的主要

    供应商，它在2001年获得了德卡德专利。

    最终的主流技术是在大多数家庭和办公室彩色打印机中使用

    的2D喷墨打印工艺的3D版本。它使用喷墨打印头将液体胶水

    或“黏合剂溶液”逐次喷到粉末层上。这个程序是1993年麻省理工

    学院(MIT)开发的，后来Z公司(通常被称为Z公司)获得授

    权，将其商业化。到2005年，Z公司推出了突破性的Z510——第

    一台3D打印机，它能将高清晰度的物体印在颜色上，即用喷墨打

    印头逐层地在粉末层上喷洒四种不同颜色的黏合剂。

    六年后，Z公司开始销售一系列单色和彩色3D打印机。这些

    立式打印机连接到一个标准的电脑上，打印点数多达600个，打

    印喷嘴则多达1520个。截至2011年，Z公司的3D打印机可以打印

    体积达10英寸×15英寸×8英寸的物体，并能使用卡盒补给打印材

    料。

    在革命的边缘

    3D打印技术才刚刚开始成熟。许多公司，包括3D系统、斯

    特塔西、Z公司、Solid Scape、Fortus和桌面工厂(Desktop

    Factory)，现在都销售3D打印机。然而，浏览它们的网站，你在

    惊讶之余，很可能还会有点失望。

    目前的3D打印机令人惊叹，不仅能通过计算机建模或数字扫

    描打印各种材料的物品，有时甚至能实现彩色打印。但令人失望

    的是，目前大多数物品需要花很长时间才能打印出来。物品在打印成型之后，还必须进行固化，其中通常需要移除支撑材料或多

    余部分。目前，3D打印机已经能够打印出具有互连部件的物品，比如一组工作齿轮。但是，要实现混合各种材料打印出任何物

    品，3D打印技术还有很长的路要走。

    如今，很多公司会利用3D打印机创建产品原型和模具主件。

    虽然这听起来似乎不那么可靠，但其带来的结果却令人印象深

    刻。例如，印度燃气涡轮研究中心(Gas Turbine Research

    Establishment，简称GTRE)利用3D打印技术，大大缩减了卡佛

    里(Kaveri)发动机的设计时间和成本。在30天内，3D打印机就

    打印出包含约2500个组件的发动机原型。而采用传统技术，制造

    这个发动机原型则需要约一年的时间。

    此外，新型混合动力汽车Urbee的创造者使用3D打印技术制

    作出了一辆可驾驶的新型汽车原型。正如上述两个例子所表明

    的，在即将到来的3D打印革命中，3D打印技术将使复杂的产品

    测试成为可能，从而使产品可以更快地推向市场。

    虽然使用3D打印机可以提高效率，但在许多最终产品通过

    3D打印制作出来之前，3D打印革命将不会在公众中产生广泛的

    影响力。这种“直接数字制造”(DDM)已不再是空穴来风，一些

    富有开拓精神的公司已经站在推倒传统制造的边缘。事实上，2011年2月，《经济学人》(The Economist)报道称，3D打印输

    出的物品中，约有20%是最终产品。

    直接数字制造

    直接数字制造的一个重要计划是一个叫MERLIN的项目。这

    涉及由劳斯莱斯协调的由六个主要航空发动机制造商组成的财

    团。MERLIN的目标是在民用航空发动机的生产中使用加法制造

    工艺。这将把工具成本降为零，并且环保节能，因为3D打印方法

    浪费的材料比大多数传统制造工艺少得多。虽然MERLIN可能允许直接数字制造在几年时间内用于制造

    航空发动机，但一些公司已经在利用3D打印技术制作最终组件，甚至是整个产品。其中一个例子是Mercury Customs——一家高端

    定制摩托车和汽车零部件制造商。该公司正在使用斯特塔西公司

    的多维FDM打印机来制造一个独特的钨钴钛硬质合金周期挡板。

    其特点是集成了LED灯，这是传统的注射成型技术无法制造出来

    的。

    第二个率先使用DDM技术的摩托车制造商是Klock Werks

    Kustom Cycles公司。该公司利用一个名为SolidWorks的3D模型组

    件来设计定制的零部件。所设计的这些零部件有时就是通过FDM

    用聚碳酸酯打印出来，而不是用铝或塑料注塑成型。

    有一次，Klock Werks公司只有5天时间来制作一辆定制的摩

    托车来参加一个电视节目。为了按时完工，该公司的工程师3D打

    印了摩托车的仪表盘、叉管、前照灯挡板、支架、底板和车轮隔

    套。组装好的摩托车接着又安装了一个美国摩托车手协会的陆地

    速度记录仪，以最终证明所有3D打印部件的耐用性。

    高速骑摩托车是危险的。因此，另一个DDM先驱——

    Bespoke Innovation——正在使用3D打印技术定制假肢。在未来，该公司还计划利用3D打印技术制作整个假臂、假腿。通过使用

    3D扫描仪可以从截肢者那里获得精确的测量数据，并应用于定制

    假肢的设计中。3D打印的假肢将比现成的、通用的传统型假肢更

    加舒适，其成本也将减少90%左右。

    一些基于网络的公司——包括3Dproparts.com、Sculpteo.com

    和Shapeways.com——已经可以将任何人的设计3D打印出来。这

    使得独立设计师可以直接把产品带到市场上，而不必委托工厂制

    作产品或备货。例如，一位名叫杰夫·贝尔(Jeff Bare)的独立设

    计师开始销售一款名为“帆布包”的柔性版iPad保护套，它是3D打

    印的，并在Shapeways上进行销售。

    目前，最能充分利用3D打印制造潜力的公司是位于阿姆斯特

    丹的自由制造师公司(Freedom of Creation)。该公司由企业家詹

    尼·基塔宁(Janne Kyttanen)在2000年创立。这个开创性的设计和研究公司将由3D打印机打印出来的产品销往25个国家，包括桌

    灯、壁灯、托盘、桌子、椅子、书包、耳环、项链、鞋子、帽子

    架和苹果手机外壳。

    自由制造师公司和其他上述公司使用现成的3D打印机制作相

    对较小的组件和最终产品。然而在未来，定制的3D打印机可能会

    被用来制作非常大的东西。例如，英国拉夫堡大学的一个团队目

    前正在开发3D混凝土打印机，这些打印机可能被用于打印建筑部

    件甚至整栋建筑。目前，该小组正在研制一种能够打印混凝土组

    件的技术，其尺寸可达2米×2.5米×5米。而且，这些组件可以被

    组装成更大的成品。

    在未来，建筑的直接数字化制造可以消除传统建筑方法固有

    的许多限制，首先，它几乎可以制造出任何形状的建筑。混凝土

    打印机也可以通过制造蜂窝状或部分中空的混凝土墙来节省材料

    和增强隔音功能。

    数字运输、存储和复制

    在接下来的十年或不久的将来，3D打印将成为主流的制造工

    艺。这将使新产品能够更快地交付市场，同时可以定制更高层次

    的产品。然而，更重要的是，主流的3D打印也将促进广泛的数字

    运输、存储和复制。

    今天，许多东西都是来自销售点以外几千英里的地方。因

    此，大多数产品价格的七分之一是直接或间接的运输成本。世界

    各地的航运产品也消耗大量石油和其他逐渐减少的资源。因此，如果我们开始用数字化而不是物理的方式运输产品，那将是有益

    的。

    数字交通的理念非常简单。制造商不用运输实物，而是使用

    互联网将数字文件转移到当地的3D打印部门，在尽可能接近他们

    的销售点打印出来。上述3D打印先锋——自由制造师公司十年来

    一直崇尚数字运输，获益匪浅。正如其创始人在其网站上所说：“自由制造师公司相信未来的数据是设计产品，产品的销售

    方式与在互联网上销售图像和音乐的方式相同。”

    数字运输可能会引发制造业革命。未来，大多数城市和村镇

    都会有自己的3D打印部门，制造商可以直接将产品数据发送给它

    们打印出来。产品生产企业也可以自己设置这样的部门来管理这

    些3D打印设备。小产品甚至可以直接从网站传送到家用3D打印

    机，大零售商可能会选择直接以数字化的方式接收大部分产品库

    存，以便可以直接在店里打印出来。每个拥有3D打印机的人仍然

    需要3D打印材料补给。这样一来，未来还需要发明3D打印材料

    分解器，以便将旧的3D打印产品或部件回收，处理成新材料。在

    接下来的三章中，基因或纳米技术甚至可以实现在世界上的任何

    地方培养、种植3D打印材料，或就地生产3D打印材料。

    与数字运输密切相关的是它们的数字存储。如今，任何零售

    商所提供的产品数量是有限的，因为产品的陈列室和仓库空间有

    限。但是，一旦产品可以实现3D打印，这些产品的数据就可以存

    储在本地计算机或者互联网上，如此任何拥有3D打印机的零售商

    都可以有效地提供任何数量的产品，而不需要维持大量的实物库

    存。数字存储不仅让零售商避免了商品缺货的问题，也让他们不

    必再面对清理滞销品的麻烦。如今，数字印刷机和电子书阅读器

    不仅意味着书永远不会断货，也降低了出版商的库存压力。未

    来，3D打印机可以对整个产品和零部件进行同样的操作。

    在存储空间有限的情况下，数字存储的产品和备件可能变得

    至关重要。美国国家航空航天局已经在国际空间站上测试了一台

    3D打印机，还宣布了它对高分辨率3D打印机的要求，以便在深

    度太空执行任务期间生产航天器部件。美国陆军还试验了一种车

    载3D打印机，以便在战场上输出备用坦克和其他车辆的部件。

    配上3D扫描仪，未来的3D打印机将能实现对几乎所有损坏

    的部件数字复制。今天，许多物品中的一个零件坏了，因为没有

    配件，这整个物品就不得不彻底丢弃。但正如我们所见，在资源

    耗尽之前，我们必须放弃这种浪费的做法。因此，我们很可能在

    每条大街上都能看到维修店。有了3D扫描仪和3D打印机，这些

    设备的工匠和技术人员将能够扫描损坏的部件，在电脑中进行数字化修复并且打印替代品。任何人都可以拿起任何物品，然后

    说：“我可以要三个这样的东西吗，必须是同样的材质、同样的

    颜色？”也许在十年以后，获得一个复制品就像去复印店里复印

    文件一样容易。

    这些发展将引发各种各样的问题，同时带来各种可能性。例

    如，今天我们在购买产品时，不能选择材料的质量，但未来或许

    可以自由选择。另外，“真品”的概念也会受到质疑。雕塑家芭丝

    谢芭·格罗斯曼(Bathsheba Grossman)利用3D打印机创作出了她

    的作品，并有可能批量生产这一“真品”。因此，艺术品和其他物

    品的真实性将变得越来越难以验证。格罗斯曼生产的每一尊雕像

    都是同样的杰作。但是，从她的作品扫描中也可以看到一尊复制

    的雕像，更别说是从她的数字文件中3D打印出来的一件“假”艺术

    品。在未来，艺术作品的所有权可以等同于对数字数据的所有

    权。

    未来，博物馆可以根据要求把展品打印出来。这些展品可能

    来自数码收藏，也可能来自全球的艺术品档案中那些扫描下来的

    年久失传或太过精致的原件。考古学家们已经对木乃伊进行了扫

    描，并打印出了它们的骨骼，而不需要撕开千年的绷带。这既有

    趣又有益。然而，这样的扫描和复制可能会让知识产权管理成为

    一场噩梦。因为数字发行及音乐和视频复制，传媒行业已开始陷

    入混乱。因此，面对经常性的扫描和无尽休的复制，传统的艺术

    家和制造商将会做出怎样的反应呢？我们拭目以待吧。

    制作你自己的3D打印机

    目前大多数3D打印机的售价为数千美元，其中大部分型号的

    打印机售价在1万到2万美元。不过，对于那些囊中羞涩的爱好者

    来说，可以通过另一种途径来实现自己的3D打印。

    对于那些时间充裕的人，自己制作3D打印机已经成为可能，因为源代码开放在线社区开发并免费提供了制作3D打印机的设计方案。目前有两个这样的在线社区，分别是RepRap和

    Fab@Home。

    RepRap，即自我复制型3D打印原型机，是一种能实现自行

    建造的3D打印机，能够打印规格为8英寸×8英寸×5英寸的塑料物

    体。这意味着RepRap可以打印许多自己的组件。一旦一个人建立

    了一个RepRap，他们的朋友就可以创建另一台RepRap。购买制

    作RepRap所需的材料需要花费大约500美元。你可以在reprap.org

    上找到更多相关信息。

    Fab@Home是另一个开放源代码的3D打印推广网站，其雄心

    勃勃的目标是“改变我们的生活方式”。更具体地说，Fab@Home

    是一个打印机和程序的平台，可以生成功能性的3D物品。

    自建的Fab@Home打印机通过在层层之间注射打印材料来实

    现3D打印，其注射工具可以使用多种材料，可能包括硅树脂、水

    泥、不锈钢、蛋糕糖霜、冰和奶酪。由Fab@home计划打印的成

    品包括电池、手电筒、自行车链轮、玩具部件和各种食品。目

    前，建造一个“I型”Fab@Home的成本是2400美元，而它的“II

    型”即将推出，预计可将整个成本降低到1300美元左右。你可以

    浏览fabathome.org获取更多相关信息。

    “圣诞老人机”时代

    3D打印发展非常迅速，已经成为非常真实而且非常有用的技

    术。如今的3D打印机和未来的“圣诞老人机”(Santa machine)设

    备之间的鸿沟仍然很宽，未来的“圣诞老人机”可以打印出几乎所

    有我们能够想到的东西。然而，值得注意的是，仅仅在20年前，一台黑白的2D喷墨打印机还是一个新奇的东西。即使在10年前，台式打印机输出的照片也比不上传统的运用光化学洗出来的照

    片。鉴于目前在家打印出高质量的照片已经变得稀松平常，因此

    关于未来10到20年3D打印将有重大发展的预测是合情合理的。在“全能”3D打印机问世之前，以现有的3D打印技术水平，在

    一系列行业中开发所需的3D打印技术也大有可为。例如，在过去

    的几年里，牙医们已经开始行动，他们直接通过3D扫描并运用

    3D打印机来制作牙科设备。与传统方法相比，这能更快地制作出

    高质量的牙科设备。用不了多久，当你去牙科就诊时，牙医就可

    以扫描你的牙齿，为你制作出新的塑料或金属牙冠。

    说到牙齿，我们可能很快就会把它们和食物定制联系在一

    起。正如上面提到的，自动构建的Fab@Home打印机已经可以用

    蛋糕霜、冰和奶酪制作食物。2010年7月，麻省理工学院的两名

    研究生制订了一项3D打印计划，即“个人食品工厂”计划，以实现

    从许多冷藏罐里打印食物。

    未来的食品打印机可以让那些没有任何烹饪技能的人制作出

    美味可口的食品。除了一些大厨之外，任何人都不太可能强烈反

    对食品打印机的制造和销售。然而，当涉及3D生物打印技术的发

    展时，情况或许并非如此。这种前沿技术可以3D打印活体组织，在未来，定制人体器官甚至无创手术技术都有可能实现。目前，商业生物塑料已经面世。对于这种特殊的3D打印技术，我将在第

    二十二章详尽阐述。

    通过将数字数据被“原子化”变为现实，3D打印机有效地在现

    实世界和网络世界架起了一座桥梁。在未来，任何让事情变得更

    好、更便宜、更个性化的方法也可能会有更大的需求。作为未来

    的一项技术，3D打印将使任何备用零件的数字运输、储存和复制

    成为现实。3D打印之所以备受青睐，是因为原材料变得越来越稀

    缺。然而，接下来的几章将会证明，3D打印只是众多创新制造技

    术的冰山一角。第七章 纳米技术

    每个物体都是由原子构成的。你、我、你厨房里的冰箱，甚

    至花园周围悠闲漫步的乌龟都是由原子构成的。然而，当冰箱被

    制造出来时，其原子就被移动到冰箱的结构中。事实上，目前的

    制造方法，包括铸造、切割、压制、焊接、旋紧和胶粘，被比作

    戴着拳击手套用乐高积木来制造东西。换句话说，尽管目前的制

    造方法确实允许我们将原子集合移动，但它们不能让我们在任何

    原子精度水平上定位物质的个体构造块。

    纳米技术是在纳米尺度上理解和操纵材料的科学。一纳米只

    有一米的十亿分之一，或者说是几个原子的端到端的长度。通俗

    点说，人类的头发直径约为5万纳米，而大多数纸的厚度大约为

    10万纳米。

    任何一个在1纳米到100纳米的精度水平上的制造或其他过程

    都可以被理解为运用了纳米技术。这意味着纳米技术是一个非常

    多样化的领域。事实上，新兴纳米技术项目所保持的产品库存已

    经列出了超过1000种完全或部分依赖纳米技术的产品。其产品由

    24个国家的近500家公司生产，这些日常用品包括微处理器、电

    池、汽车涂料、纺织品、药品和化妆品。

    机会科学

    1986年，纳米技术先驱埃里克·德雷克斯勒(Eric Drexler)出

    版了他开创性的著作《创造的发动机》(Engines of Creation)，首次引起了公众的关注。这一开创性的著作有效地建立起了纳米

    技术领域的基础，2007年被更新为免费的21周年纪念电子书。

    纳米技术的未来前景是创造各种新的、改进的材料和产品。作为承认其巨大潜力的例证，2001年，美国政府建立了国家纳米

    技术计划(NNI)，协调25个联邦机构的工作，促进纳米技术的

    发展。这个25年项目已经投资了140亿美元，这只是最高层对纳

    米技术重要性的认可。国家纳米技术计划解释说：“纳米技术的

    力量源于它对多种技术和工业领域的变革潜力，包括航空航天、农业、生物技术、国土安全与国防、能源、环境改善、信息技

    术、医药和交通。”

    国家纳米技术计划指出：“在纳米尺度上的图像、测量、模

    型和操作能力将会影响到我们的经济和日常生活的方方面

    面。”越来越多的纳米技术将被用来制造更强、更轻、更便宜、更快、更节能、更环保的东西。事实上，德雷克斯勒曾很自信地

    预测，未来的纳米工厂将能够“将简单的化学原料转化成大型

    的、原子精确的产品，而且价格低廉，能耗适中。”纳米技术已

    经使10亿甚至更多的晶体管被放置在一个微芯片上，等离子电视

    屏幕变得更大、更薄，防晒产品能够提供更好的紫外线保护，纺

    织物变得更耐磨。然而，真正的纳米技术革命方兴未艾。

    至少从理论上讲，纳米技术可以使人类在原子层面上控制所

    有形式的物质。在未来，纳米技术可以让我们制造和实现几乎任

    何我们可以想象的东西。德雷克斯勒坚信，一场根本性的纳米技

    术革命可能即将到来。他解释说：“在过去的50年里，微观世界

    的技术活力令人难以置信。尽管汽车、飞机、房屋和家具在性能

    和成本上的变化不是很明显，但DNA和微电子方面却出现了技术

    爆炸，其基本能力受超过10亿种因素的作用而大为提升。(超过

    一定的门槛)……这些发展将从微观世界中迸发出来，并转化为

    人类甚至是行星层面上的技术。”

    用原子修补的方法

    操纵纳米层面上的物质可以通过两种不同的方式来实现。第

    一种是“自上而下”的方式，涉及对传统材料的操纵，在纳米层面

    上改变它们的组成，或者在它们的表面形成纳米级结构。第二种是“自下而上”的方法，基于对单个原子和分子的纳米结构的组

    装。

    当前几乎所有的纳米技术发展都是基于自上而下的方式。这

    种技术被广泛用于制造硅芯片。该技术使用了一种被称为纳米光

    刻的紫外线摄影法将微处理器和计算机内存储器中的信息蚀刻到

    硅片上。采用这种技术，英特尔最新的制造工厂近年来一直在生

    产只有32纳米宽的微芯片。该公司还投资了大约80亿美元用于升

    级制造设备，使其能够生产出只有22纳米宽的新一代芯片。

    其他常见的自上而下的工序是将微小的纳米颗粒加入到传统

    材料中，以制造所谓的“纳米复合材料”。例如，纳米防晒霜就是

    通过在传统的乳液中添加纳米尺寸的钛和氧化锌颗粒制成的。纳

    米银也越来越多地被添加到医疗和清洁产品中。银的抗菌性经证

    明对杀死一系列细菌非常有效。

    最常见的纳米复合添加剂是碳纳米管。这种材料是由呈六边

    形晶格状的碳原子排列而形成的直径为1纳米的小管。这种材料

    非常坚硬，强度实际上是钢的117倍，可能是理论上强度最大的

    材料之一。因此，碳纳米管已经被添加到包括玻璃、钢铁和塑料

    在内的一系列传统材料中，以提高它们的强度。

    现在许多公司已经开发了复杂的化学过程，从而能够大规模

    生产碳纳米管。他们生产的碳纳米管的长度可达几厘米，通常每

    克售价几百美元。一些公司，比如拜耳材料科技公司，现在已经

    有了可以每年生产30吨甚至更多碳纳米管的工厂。到21世纪末，全球碳纳米管市场预计将达到数十亿美元。这不仅是由于它们被

    用于加强其他材料，还因为它们在下一代纳米电子学中的潜在应

    用。

    未来的纳米级工厂

    尽管经过纳米处理的传统材料已经进入大众市场，但从单个

    原子或纳米组件“自下而上”的制作技术却远没有那么先进。这就是说，自下而上的纳米技术是一个活跃的研究领域，在未来，我

    们几乎可以让任何东西变成其他东西。重要的是，随着自下而上

    纳米技术的广泛应用，所有的“污染物”和“废弃物”都将成为一堆

    等待被重新排列成有价值东西的原子。

    纳米结构可以由单个原子或分子两种方式组成。第一种方式

    被称为“定位组装”，涉及使用更大的工具来移动单个原子或分

    子；第二种方式叫“自我组装”，是纳米级物体在纳米级上构建或

    操纵其他物体。

    定位组装的实验正在进行。例如，早在1989年，IBM阿尔马

    登研究中心一名物理学家唐·艾格勒(Don Eigler)成为第一个操

    纵单个原子的人。艾格勒的做法是通过扫描隧道显微镜(STM)

    来推动35个氙(Xenon)原子。在他完成工作之后，他甚至用它

    们拼出了字母“IBM”，从而创造了最小的公司标志。

    如果借助扫描隧道显微镜将原子推到指定位置很难理解，那

    么自我组装、自下而上的纳米技术听起来就像是纯粹的科幻小说

    了。事实上，几十年来，使用“纳米机器人”在原子尺度上创造和

    修理东西的想法一直是未来主义小说、电影和电视节目的热门主

    题。然而，纳米技术的自我组装并不是幻想。生命本身就是基于

    这个过程，所有的生物都依赖于分子的自我组装技术。

    迄今为止，还没有人能创造出科幻小说里那样的自我复制的

    纳米机器人。然而，在所谓的“分子自我组装”方面已经有了一些

    成功的实验。这种技术利用化学规则，用DNA分子来组成不同形

    状。例如，在2010年10月，有报道称纽约大学和哥伦比亚大学的

    两个研究小组制造了“DNA机器人”雏形。这些令人难以置信的小

    机器是由DNA分子组成的，将其“程序化”之后可以用来执行简单

    的任务。

    例如，纽约的DNA机器人已经在8种不同的模式中组装了黄

    金粒子。与此同时，哥伦比亚大学的研究团队已经为其DNA机器

    人设定了启动、停止、转弯和移动的程序。他们的“DNA步行

    者”有三条或多条由一系列基因酶组成的腿。由于受到一系列生

    物化学物质的化学吸引，它的每条腿都能向前移动，这是一种化学控制手段。从理论上来看，利用这些和其他技术发展，将来我

    们会建造出分子工厂来制造化学化合物甚至纳米级计算机。

    纳米电子学

    纳米技术的潜在前景让人欣喜不已，但是人们同样可能轻视

    那些已经被证明的纳米应用及其发展潜力。接下来将简要介绍纳

    米技术在未来十年左右的实际走向。

    如前所述，纳米技术目前被用于制造最先进的硅晶片，其组

    件尺寸只有22纳米。这种“互补金属氧化物半导体”(CMOS)芯

    片是由一层仅0.9纳米厚的金属氧化物制成的。因此，我们将很快

    达到互补金属氧化物半导体技术的小型化极限。在2020年以后，我们在计算机上的持续性能改进将不得不依赖于其他技术。

    世界各地的研究团队现在都专注于开发互补金属氧化物半导

    体纳米电子。例如，在2007年，IBM的一个团队创建了第一个完

    美的单分子开关，从而在分子层面为构建计算组件铺平了道路。

    未来的纳米电子器件也将利用碳纳米管的超导特性。因为这

    些微小的管道以一种不同于普通金属的方式导电，所以它们不会

    散射电子。这意味着碳纳米管布线可能被用于制造可操作的电子

    电路，其规模远小于现有的硅制造技术。

    除了碳纳米管，另一种具有许多未来应用潜力的纳米材料是

    石墨烯。石墨烯是由一层排列成蜂窝状结构的单层碳原子组成

    的，具有相当惊人的强度、灵活性、透明度和导电性。虽然石墨

    烯是在1962年发现的，但直到最近，除了一些非常小的薄片，它

    仍无法量产。不过在2010年，韩国三星集团和成均馆大学的研究

    人员成功地在一种柔韧、透明、63厘米宽的涤纶薄板上制造了一

    层连续的纯石墨烯。由于这一成就，未来的石墨烯很可能被用来

    生产高度灵活的显示器和触摸屏。石墨烯也可用于未来太阳能电

    池的生产。纳米材料和纳米涂层

    纳米技术将越来越多地被用于改善许多材料的性能。具有防

    污防水功能的纳米涂层的纺织品已经相当普遍了。一些建筑也开

    始使用具有“自我清洁”功能的纳米涂层玻璃，可以防止灰尘粘在

    玻璃上。虽然这些发展看起来似乎还不成熟，但窗户清洁工和清

    洁剂制造商仍应予以严肃对待。

    在某些传统材料中加入碳纳米管已经引发了一些相当新奇的

    发明。例如，美国科学和能源研究实验室的科学家们正在开发一

    种可自动加热的油漆，以防止飞机上冰层堆积。这种油漆含有碳

    纳米管，在不久的将来将应用于机翼和其他重要的飞行器表面。

    在寒冷条件下，飞行员将通过飞机的电子系统“激活”油漆。这些

    科学家认为，纳米可加热油漆将是一个具有颠覆性意义的除冰方

    式。更重要的是，这种涂料将比任何功效类似的除冰溶液要轻

    100倍。

    在塑料工业中，将纳米级添加剂引入传统材料也将逐步促进

    新的纳米复合材料的开发。纳米级添加剂将使其强度和外观得到

    改进，而且成本更低。例如，一些汽车保险杠已经用加入了纳米

    黏土的塑料制成，以提高耐冲击性。纳米复合泡沫也已经被创造

    出来，虽然看起来和固体塑料一样，但轻得多。因此，这些泡沫

    很可能被广泛用于生产一次性杯子和快餐容器、包装材料、家庭

    保暖、地毯衬垫和垫子等产品。

    而另一种潜在的纳米材料开发是按需结合。未来，这种材质

    的安全接头可以将金属和塑料牢牢地固定在一起，而且这种接头

    可能在几年后被原子“停用”，以便于回收。

    纳米医学

    在医学上采用纳米技术也是非常合乎逻辑的。数百年来，医生一直在发展手术技术，这些技术使手术的精确度越来越高。因

    此，服用纳米药物可谓是一种自然进化，可能导致外科和药学的

    融合。

    1999年6月，诺贝尔化学奖得主、纳米技术先驱理查德·斯莫

    利(Richard Smalley)在美国众议院的一次听证会上论证了这一

    观点，正是这些听证会促成了美国纳米技术计划的出台。当时，斯莫利正在接受化疗。然而，他预言他手术所用的那种“非常钝

    的工具”会在20年内淘汰。斯莫利相信，针对患者突变细胞的纳

    米药物将研发出来，并且副作用极小。他断言，他所患上的那种

    癌症将成为过去。

    斯莫利于2005年死于癌症。然而，如今有几个团队正在开发

    纳米机器人，以实现未来治疗癌症药物的定向投放。其中一个这

    样的项目设在蒙特利尔理工学院。正如纳米机器人实验室主任西

    尔万·马特尔(Sylvain Martel)所解释的，这将对癌症治疗产生巨

    大的影响，因为纳米机器人将来能够通过血流直接将治疗药物送

    达肿瘤部位。

    马特尔团队开发的纳米机器人由磁性药物载体和鞭毛细菌发

    动机组成。研究小组使用磁共振成像(MRI)将信息反馈给一个

    控制器，该控制器通过病人的血管引导纳米机器人。这使他们能

    够通过传统的导尿技术向无法进入的部位运送药物。2009年9

    月，马特尔预测，要花3到5年时间才能完善对纳米机器人转向机

    制的计算机控制。卡内基·梅隆大学的第二个项目也在研究将类似

    的可编程纳米机器人用于靶向药物传递。

    另一项研究计划有望在21世纪末实现在医疗实践中使用纳米

    机器人。该计划的领导者是瑞士苏黎世联邦理工学院机器人和智

    能系统研究所的布莱德利·纳尔逊(Bradley Nelson)。纳尔逊的

    一个研究项目是开发用于视网膜手术的纳米机器人。他认为，这

    甚至可能在十年内成为可能。

    与此同时，南加利福尼亚大学分子机器人实验室主任阿里斯

    蒂德·雷基沙(Aristides Requicha)领导的团队有望彻底推翻当前

    的医学模式。雷基沙的目标是专注于预防而不是治疗，其方法是让成群的纳米机器人不断地在血液中漫游，在病人出现任何症状

    之前寻找并杀死病原体。雷基沙的长期目标是“制造人造的、最

    好是可编程的细胞”。当我们在第二十四章中展望生命的延长

    时，我们将会再次谈到创造这种人工纳米技术免疫系统的潜在深

    远影响。

    虽然纳米机器人在我们的血液中巡逻可能是几十年以后的

    事，但其他几项纳米科技在保健方面的进展却更接近实际应用。

    例如，由欧洲联盟资助、总部设在巴斯大学的一个项目正在开发

    新的智能纳米技术绷带。这种绷带可以通过纳米囊释放抗生素来

    对抗感染。然而，真正聪明的是，只有绷带检测到致病细菌时，抗生素才会被释放。反过来，这降低了病人接受不必要的药物治

    疗的风险，而服药可能产生耐药性。

    另一个与健康有关的开发是用纳米技术净化水质。作为南非

    希望工程的一部分，斯泰伦博斯大学水务学院的研究人员正在开

    发一个革命性的水过滤系统，并将其加入传统的过滤包。这种过

    滤包内含活性炭和纳米纤维，而这些纤维与杀菌薄膜结合在一

    起，预计成本约为半美分。用户只需在容器中放置这样一个过滤

    包，当脏水通过这个过滤包时，活性炭会去除不需要的化学物质

    和杂质，而纳米纤维上的生物化合物会破坏有害微生物。因此，当场饮用脏水是安全的。

    小科学解决未来大问题

    纳米电子、纳米材料、纳米涂层和纳米医学可能会改变许多

    工业部门和许多人的生活。此外，本书第一部分所指出的一些最

    基本的全球性挑战，也有可能利用纳米技术得到解决。例如，可

    能有几种纳米技术可以用来解决气候变化问题。如第二章所述，一种解决方案可能包括在太空中建造巨大的太阳帆，遮挡太阳对

    地球散发的热量。这可能会抑制全球变暖，而不是减少大气中温

    室气体的含量。巨大的太阳帆必须非常薄。因此，它们几乎肯定必须使用自

    上而下或自下而上的纳米技术在太空中制造。这就面临着将所需

    材料送入地球轨道的挑战。一个有争议的解决方案是开采来自月

    球或小行星的矿物质。然而，另一种解决方案可能是建造一种太

    空电梯，它可以携带材料进入轨道，而不需要通过发射宇宙飞船

    才能实现。

    太空电梯是一种理论上的未来电梯，它将从地面上升到地球

    静止轨道上的空间平台。因此，这样的装置可以极大地方便进入

    太空。然而，它也会带来许多巨大的建设挑战。这其中最重要的

    一点是，它的电缆长度达数千英里。如果这种电缆由任何现有的

    材料制成，那么它就会在自己的重量下坍塌。然而，未来碳纳米

    管有可能被用来制造太空电梯电缆。第十五章将会提到，由于纳

    米技术的存在，太空电梯现在在理论上至少是解决气候变化问题

    的一个未来可能性。如果我们选择用太阳帆来阻止全球变暖，那

    么太空电梯也可能是必不可少的。

    另一个应对气候变化的大规模替代方案可能是在全球范围内

    建造大气过滤装置。正如埃里克·德雷克斯勒在2007年出版的《创

    造的发动机》中所描述的，未来的纳米技术有可能被用来从大气

    中提取温室气体。他承认这可能需要十年的时间，而实现他所建

    议的巨大的太阳能电池阵列来提供的几兆瓦的电力就更加遥远

    了。然而，德雷克斯勒仍然相信，未来纳米技术的发展将使去除

    和储存从工业革命以来就在大气中积累的过剩二氧化碳变得可

    能，也负担得起。

    在不久的将来，纳米技术也有可能帮助人们解决水峰值的挑

    战。它可以通过低成本、低能耗的海水淡化来实现这一目标。美

    国能源部的劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经找到了利用纳米技术

    从海水中去除盐分的方法。这种方法使用碳纳米管滤除或“排

    斥”组成普通盐的离子。如果这项技术能够进一步发展，那么它

    将有助于大大增加沿海地区现有的淡水供应，进而有助于缓解全

    球的粮食短缺。

    考虑到未来的纳米技术有可能让几乎所有的东西可以由各种

    原子建造出来，理论上它们可以帮助解决未来的燃料和食物短缺问题。这表明在可预见的未来，新燃料和食品储备的发展可能会

    导致基因改造和合成生物学的发展，这将在接下来的两章中进行

    详细阐述。

    此外，未来在能源和运输领域，纳米技术也很可能发挥重要

    作用，比如纳米太阳能电池板，以及纳米技术在未来电动汽车新

    型电池技术生产中的应用。

    明天的石棉？

    纳米技术可能提供了很多优势。然而，就像任何其他革命性

    的新技术所遇到的情况一样，有些人已经暗示我们正在干预我们

    不理解的事情。有些人认为，对物质的这种胡乱改造有悖于自然

    秩序。虽然抱持这种极端观点的人很少，但越来越多的人开始关

    注纳米技术安全问题。

    在20世纪80年代末纳米技术普及之后，“失控”的纳米技术可

    能会导致世界末日的观点也传播开来。这就是所谓的“灰雾问

    题”(gray goo scenario)，这个观点是基于这样一种假设，即未

    来自我复制的纳米机器人可能会把所有的物质变成某种没有生命

    的尘埃。多年来，查尔斯王子和许多其他反对纳米技术的人都支

    持“灰雾问题”。然而今天，即使那些反对纳米技术的人也承认，没有人会变成“灰雾”。能不断地把污物变成自己的复制品的这种

    创造似乎有理由让人感到害怕，但是想想土豆吧，它就能不断复

    制自己，不过我们并不担心会被土豆淹没。

    上面提到的纳米技术可能会引起严重的安全问题。例如，包

    括“地球之友”在内的一些机构警告说，如果我们想避免石棉悲

    剧(1)

    的重演，我们需要立即暂停使用碳纳米管。当然，在明确纳

    米材料会对人类健康及周围环境产生何种影响之前，它们就已经

    被推向了市场。例如，对于人体如何摆脱讨厌的纳米粒子，人们

    目前还一无所知。因此，针对这一领域的研究是必要的，尤其是

    在纳米颗粒对肺、心脏、生殖系统、肾脏和细胞功能等具有毒性作用的情况下。

    纳米技术的拥护者认为，纳米颗粒已经被添加到许多日常材

    料中，对人体健康没有危害。这意味着，目前在许多汽车涂料和

    等离子电视屏幕上，碳纳米管没有任何健康风险。然而，持相反

    观点的人则指出，松散的碳纳米管容易渗透进皮肤，可能导致癌

    症。不过有一点可以确定：到21世纪末，我们就会知道他们谁对

    谁错。

    围绕纳米技术安全的争论正在全球范围内展开。至少，更全

    面的毒性测试可能会减缓一些新纳米产品的推出，就像对转基因

    作物的反对大大阻碍了转基因作物在欧洲的推广一样。一些针对

    纳米技术的安全措施也开始出现。例如，在2008年，一项名

    为“纳米技术法规及标准”(Assured Nano)的认证计划被引入，以促进纳米技术在保证健康和安全的前提下应用。

    未来的希望

    大家可能会想，在这本书中所强调的所有事情中，纳米技术

    未来可能具有最大的潜力。因此，我们后面的很多章节还会偶尔

    谈到纳米技术。考虑到纳米技术是在最基本的层面上对物质进行

    研究和利用，那么未来技术发展的诸多领域中应用纳米技术也就

    是顺理成章的事情了。

    在20世纪80年代，微电子启动了当前的计算和数字通信工业

    浪潮。虽然互联网时代的技术不会很快消失，但纳米技术和3D打

    印技术可能会给制造业带来无限的可能性，再度掀起一次新浪

    潮。这次新浪潮除了带来新的生产方法外，在资源修复和回收方

    面的创新也令人惊讶。与以往大多数的工业浪潮一样，主流纳米

    技术也将带来很不和谐的音符。

    世界上最著名的纳米技术研究人员之一是拉尔夫·默克尔

    (Ralph Merkle)，他是美国奇点大学的一名教员。默克尔经常提到，当自我复制的纳米机器人可以将原子变成任何我们梦想的

    东西时，制造的可能性就会存在。在一次演讲中，默克尔画了一

    个圆来说明所有可能的事情。他用这个圆代表可能制造出来的所

    有产品。在这个圆中，他用一个很小的点代表历史上制造的所有

    产品。他的论点很简单，纳米技术将允许我们创造大量的其他物

    质，这些物质在物理上是可能存在的，只是我们还没有弄清楚如

    何制造它们。

    许多未来学家认为，2020—2050年的这段时间资源将相对稀

    缺。虽然这并不意味着我们将耗尽所有的资源，但全球将会出现

    大量的原材料短缺，包括石油、水、食品和一些矿产。面对这一

    挑战，人类将学会以新的方式生活。然而，到2050年左右，纳米

    技术、基因工程、合成生物学和太空旅行的发展将预示着一个富

    足新时代的到来。若现实果真如此，那肯定是得益于这些新技

    术，尤其是自下而上的纳米技术，它们将会满足我们的需求。

    即使没有从太空获得新的资源，地球也有足够的原子供应，让百亿或更多的人过上舒适的生活。因此，我们所需要的是一种

    技术，这种技术能够使正确的原子被重新排列到我们需要的资源

    和产品中。从长远来看，这就是纳米技术的美好前景，我们有理

    由去追求这个美好的前景，并且动作要快!

    (1) 石棉是一种硅酸盐类矿物产品，具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要

    的防火、绝缘和保温材料。然而，石棉粉尘危害极大，引起肺病，诱发肺癌。石

    棉已被国际癌症研究中心认定为致癌物。第八章 基因改造

    20世纪的主要科学是物理学和化学。在21世纪，随着3D打印

    技术和纳米技术的兴起，物理学和化学将继续保持非常重要的地

    位。然而，我们有理由相信生物科学的地位将超过物理学和化

    学。首先，传统植物学和动物学的进步可能会促使新的农业规范

    和生产方法的出现。更重要的是，生物科学革命还将包括我们自

    身和其他生物的基因测试和基因改造。最激进的生物科学发展甚

    至会产生全新的人工生物。

    未来生物科学的发展范围太广，仅用一章篇幅根本无法涵

    盖，因此这一章只粗略介绍现存植物、动物和微生物的基因改

    造，而将在下一章探索完全人工生物的创造，以及对现有生物系

    统的全新设计。总的来说，这两章将谈一谈生物科学的发展将如

    何改变农业和制造业。人类基因检测、“药物基因学”和基因疗法

    将在第二十一章谈到遗传医学的时候再单独探究。

    操控生命

    自从农业开始发展以来，人们一直在有意操控生物。仅举一

    个例子，几个世纪以来，我们一直在给苹果树做嫁接。这使得同

    一棵树的不同分支能够产生不同种类的果实。这项技术很成功，今天这些杂交树能长出超过100种不同的苹果。

    从一棵苹果树上剪下一个芽，把它嫁接到另一棵树上，这是

    一种古老的方法，可以将外来的遗传物质引入宿主植物。但最

    近，我们可以利用基因改造的新科学，以更基本的方式交换和操

    控遗传物质，在未来，人类有可能控制所有生物，这让一些人惶

    恐不已。所有生命形式的特征都是由它们完整的基因编码或“基因

    组”决定的。利用四种化学物质——腺嘌呤(A)、胞嘧啶

    (C)、鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)，这些信息被储存在脱氧

    核糖核酸(DNA)中。这些所谓的“碱基”结合在一起形成了连接

    或“碱基对”，它们将在每个DNA分子中发现的两个螺旋体结合在

    一起。

    基因工程师通过改变碱基对序列的特定部分来研究和操控

    DNA。例如，一个人的DNA分子包含大约30亿个碱基对，可以被

    细分为2万—2.5万个基因。图8.1表明了DNA分子与其基因和碱基

    对之间的关系。

    图8.1：DNA、基因和碱基对

    1869年，瑞士化学家约翰·弗里德里希·米舍尔(Johann

    Friedrich Miescher)从白细胞中提取了一种叫核酸的物质，首次

    发现了DNA。到20世纪初，核蛋白被称为DNA，其中四种不同的

    化学碱基被识别出来。1944年，洛克菲勒医学研究所的奥斯瓦尔德·埃弗里(Oswald Avery)领导的团队首次展示了基因由不同部

    分的DNA组成。1953年，詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西

    斯·克里克(Francis Crick)确定了DNA的双螺旋结构。

    基因改造(GM)将一个物种的基因引入另一个物种的

    DNA。1973年，斯坦利·科恩(Stanley Cohen)和赫伯特·波伊尔

    (Herbert Boyer)创造出第一个转基因生物(GMO)——一种新

    型大肠杆菌。他们的工作也开启了基因工程的新科学。

    科恩和波伊尔运用两种不同的细菌开启这项研究。其中一种

    细菌对抗生素四环素有抗药性，另一种细菌对抗生素卡那霉素有

    抗药性。在他们开创性的实验中，科恩和波伊尔将DNA分子从每

    个细菌中移除。利用化学酶，他们从一个质粒中切割出负责抵抗

    四环素的基因，并将其拼接到另一个质粒中。“重组后的DNA”又

    被重新引入卡那霉素耐药菌，从而提供了对四环素和卡那霉素的

    抵抗性。随着改良细菌的复制，这种双重抗生素耐药性被转移到

    随后的菌种中。

    在物种之间移动的遗传物质被称为转基因。科恩和波伊尔的

    开创性工作为后来各种转基因创新铺平了道路，许多其他科学家

    很快就学会了制造包含其他物种基因的转基因生物。例如，在

    1974年，研究人员鲁道夫·耶尼施(Rudolf Jaenisch)培育出第一

    个转基因动物，他将白血病基因引入小鼠胚胎。

    1976年，赫伯特·玻伊尔创立了基因技术(Genentech)公

    司，目标是使用转基因制造新药。仅仅两年后，基因技术公司通

    过将适当的基因植入大肠杆菌成功地生产出了人类胰岛素。到

    1982年，美国食品药物监督管理局(FDA)批准了这种基因工程

    药物用于医疗，并允许其进入市场销售。

    转基因技术现在已经被用来制造各种各样的转基因植物和动

    物。转基因细菌现在不仅仅被用来制造像胰岛素一类的药物，还

    被用于生物燃料和制造生物塑料。在接下来的几十年里，DNA应

    用技术可能会引发农业和制造业的革命。为了进一步探索转基因

    的前景，以下部分将探讨转基因植物、转基因动物和转基因生物

    技术工厂的发展。转基因作物

    1986年，加州大学培育了首批著名的转基因植物。科学家从

    一只萤火虫体内提取了荧光素酶基因，并将其加入烟草DNA，结

    果培育出一种能够发光的转基因烟草。这个实验旨在帮助科学家

    追踪物种之间，以及物种及其后代之间基因的转移，而从来没有

    人打算去推销那些发光的烟草。然而，当烟草基因与萤火虫基因

    混合后，公众的想象力被激发出来了，因为它同时预示着转基因

    给未来带来的希望和威胁。

    第一个商业化的转基因作物是“佳味”番茄(Flavr Savr

    tomato)。它是由卡尔京(Calgene)公司培育出来的，于1994年

    6月被美国食品药品监督管理局批准用于人类食用。从基因上来

    说，它可以在摘下来后依然保持果实坚实，从而保证其在运往市

    场的过程中既能保持品质，又不必担心被挤碎。卡尔京公司通过

    使用所谓的“基因沉默”或“反义”基因技术来实现这一目标，从而

    关闭导致番茄腐烂或发芽的基因。

    追随卡尔京公司富于争议的脚步，孟山都公司于1995年成为

    第一家引入一系列玉米和其他转基因作物的公司。最初，植物经

    过改造后能抵抗特定农药，这样农民就可以更容易地杀死杂草而

    不影响收成。这样，杀虫剂喷洒得更少了，从而降低了农业成

    本。

    包括玉米、棉花、大豆、甜菜、油菜籽和水稻在内的几种主

    要作物现在都可以实现转基因。转基因不仅使植物对杀虫剂产生

    了抗药性，还增加了它们对害虫和病毒的抵抗力。转基因技术还

    被用于改善诸如蔗糖含量等作物的特殊品质。

    今天，美国种植的玉米、棉花和大豆中大约90%都是经过转

    基因的，中国也种植了大量的转基因玉米、水稻、番茄、烟草和

    棉花，并投入数十亿美元用于转基因开发。巴西、阿根廷、加拿

    大、巴 ......