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地球經濟的繁榮能在外星文明得以可持續復制嗎?
關于未來,一個核心的科學和經濟問題是,地球上的人類文明是否獨一無二,或者它是否能夠在太空或其他行星上復制(我稱此種情形為外星文明)。大多數科幻小說和流行文化都對此持肯定態度:它們認為我們可以在月球、火星或其他遙遠的星球上建立殖民地,正如當年清教徒在馬薩諸塞州所做的一樣。也許一開始生活會很艱苦,但在適應了新環境之后,便可在另一個星球上產生一個可持續的文明。
當地時間2019年3月27日(具體拍攝地點不詳),歐洲南方天文臺(European Southern Observatory)于2019年3月27日發布了一張外星球圖片,其名稱為HR8799e。ESO超大型望遠鏡干涉儀(VLTI)上的重力儀首次使用干涉測量法直接觀測外行星。該方法揭示了一個復雜的外行星大氣現象,鐵和硅酸鹽云團在一個行星范圍的風暴漩渦里旋轉。這項技術為描述現今已知的許多系外行星提供了獨特的可能性。
在現實中,人類文明能否在地球之外存續,是一個深刻而未解的問題。首先,我們應當考慮復制哪些東西。地球是一個充滿自然和生產資產的巨大自然和人類生態系統。地球的資源包括海洋、河流、氧氣、化石燃料、稀土礦物和生物物種。除此之外,還有人類的智慧、勞動和專業技能等關鍵因素,包括一系列豐富的生產資本,如家畜、城市、道路、房屋、機器、工廠、防御工事和人類開發的技術。
最后,以上還需要通過法律、政府、集體活動和市場等機構或制度組織起來。這些人類和自然系統并非自發形成的,而是為了應對維持地球上數十億人類和無數其他生命形式的挑戰演化而成的。缺了它們,地球上的生命恐怕無法適應在火星或其他星球上生活的挑戰。
如果我們將注意力集中在人類身上,就會發現,當下的地球系統擁有巨大的生產力:這個復雜系統每年凈產出約100萬億美元(或人均約1.5萬美元)的商品和服務。
是否可以建立一個封閉或近乎封閉的系統來代替或復制地球系統?是否可能有一個系統不僅能生產食物和能源,而且還生產房屋、花園、自然步道、滑雪場、壽司、棒球比賽以及現代生活的其他必需品和設施?也許我們不能逐項替換,但是我們可能會有替代系統,包括阿爾法半人馬座的菜單、搖滾球游戲、沙灘度假村、火山漫步道以及其他替代品。
我們該如何理解地球以外的可持續發展前景?本章便概述了可能的情形。本章首先追溯了通向當前人類文明漫長而曲折的道路,接著從國際空間站的角度推測在其他行星上的生活情況。
本章的最后一部分則通過觀察人類最終的綠色夢想,即亞利桑那州那個常被人遺忘的玻璃罩——生物圈2號(Biosphere 2),來審視這個問題。這個試圖建立一個完全封閉、自我維持系統的大膽實驗,能為本章之后提出的更廣泛問題提供重要的啟示。
這三個故事包含了一個中心思想:從歷史上看,在地球上實現可持續的文明是極其困難的,而試圖在其他星球上建立一個自我維持的系統更是難上加難。
人類文明的奇跡
考慮外星文明前景的一種方法是,看看在人類大腦發育優勢和地球生態環境稟賦的前提下,我們抵達當前所處的繁榮世界耗費了多少時間。現代世界的出現極其緩慢:這個進程的第一步,是從大約40億年前首次出現細菌湯開始,到5萬年前進化出解剖學意義上的現代智人。
早期人類的經濟與其他依靠陸地和海洋生存的動物沒有什么不同。文明的進化(漫長而曲折的工具和技術發展)需要分兩個階段來看:第一個階段始于最早的人類,一直延伸到1750年左右的工業革命,第二個階段則包含自工業革命開始直到現在的整段歷史。
第一階段實際上是一個“爬行”階段,主要涉及發展最基本的技術要素:火和動物的馴化、石斧的發明、農耕的推廣、文字的發展,以及聚集到城市。似乎每一種要素都是在世界上不同的地區孤立發展起來的,因而它們屬于現代人類的能力范圍,而非其他物種。
重構經濟增長
對經濟增長的重構表明,人類早期的生活水平增長異常緩慢。根據經濟史學家安格斯·麥迪森(Angus Maddison)和布拉德福德·德龍(Bradford DeLong)的研究,從歷史的起源到18世紀中葉,人均產出在最好的估計下也僅僅增長了2倍,即年均增長率為0.001%。我們可以把現代人類5萬年中的前4.97萬年稱作“馬爾薩斯時期”,在這一時期,技術的進步帶來的是人類繁衍和遷徙(比如,借助火的幫助,人類得以向寒冷地區擴散),而非經濟狀況的改善。
表1 自最早的人類出現以來的人口增長和生活水平提高
表1展示了一個關于人類經濟史的最佳重構(估計)。在早期,人類僅能勉強維持生活。值得一提的是,羅馬和拜占庭時期、1750年左右的西歐以及過去半個世紀的世界大部分地區都有相當準確的數據。
表1傳達的核心信息是,在人類歷史的大部分時期,人均產出和生活水平幾乎沒有什么提高。
生活水平的革命在1750年后逐漸醞釀,然后在20世紀正式開啟。現今,全球人均產出約為早先的馬爾薩斯時期水平的30倍。多年來,工業革命的故事一直是經濟史學家的主要研究對象:它涉及之前出現的科學革命的成果、區域和國際貿易的增長、創新的常規化、必要資源和原材料的開發、大公司的發展及其規模經濟,尤其是新技術的噴涌而出。
照明的演變
人們熟悉的生活水平和生產率指標,如GDP,是20世紀的一些偉大發明。然而,這些指標在歷史上非常有限。美國有1929年以來的官方產出數據,并且自19世紀80年代以來的數據便已相當準確。然而,中國的產出數據準確度不高,即使對中國的粗略統計也無法追溯至1950年之前。熱帶非洲大部分地區的產出指標同樣不可靠。因此,很難可靠地測算遙遠過去特別是工業革命之前的生產率。表10.1所示的數據是我們現有的最好數據,但對于早期階段來說,依然有很大的猜測成分。
另一種測度生產率的方法集中在一個狹窄但似乎可靠的領域——照明。這里的生產率數據是自人類歷史早期以來最長時間的可用數據,并能衡量照明技術的變化。其關鍵的里程碑是火的利用(至少60萬年前)、早期的明火燈(3萬年前)、蠟燭(大約5000年前)、封閉燈(大約4000年前的早期希臘),以及現代的油燈(1782年)。在過去的兩個世紀里,設備和能源形式的變革導致了照明生產率的持續快速提高;這其中包括將煤油和電力作為能源,以及從白熾燈到熒光燈、最后到LED(發光二極管)燈的演變。
我們可以確定不同技術下照明的價格和效率,以及每小時的工資,從而粗略估計照明生產率。將照明的價格除以工資就能算出工作一小時能換取多少照明。它是以每小時工作的流明小時(lumen-hour)測量的。每小時產出是一個簡單但可靠的生產率估計。
這意味著什么?假設產出是1000流明小時,這大約是一個傳統的100瓦白熾燈在一小時內使用的電量。第一次合理準確的估計是在公元前1750年左右的巴比倫。粗略估計,巴比倫人需要工作大約40個小時才能買到足夠產生1000流明小時的燈油。在接下來的3500年中,技術的持續改進將這一工作時長減少到5小時左右。此后,隨著照明技術革命,照明的時間成本急速下降。使用今天的LED燈,每1000流明小時的照明僅需要0.000072小時的工作時長。照明從無比珍貴到基本免費。
圖1 近4000年來的照明生產率水平【注:此圖顯示以照明水平衡量的勞動生產率。該圖是一個比率圖,因此斜率是增長率。圖中同時標注了兩個主要時期(即1800年之前和之后)的平均增長率。】
圖1顯示了對公元前1750年到2020年的照明生產率水平的最佳重構。這是一個比率標度,因此增長率就等于斜率,它顯示了兩個主要時期(1800年之前和之后)的平均增長率。1800年的突破性趨勢引人注目,驗證了表1中對總生產率的估計。
表2 不同時代照明生產率水平的增長情況(注:“-”代表公元前。下同。)
表2顯示了分時期的增長率以及主要的技術發展。有兩個時期的進步最大,即在1900年左右電力發展之后,以及自1990年引入LED照明等新技術的時代。
這里需要強調的是,1750年左右的工業革命見證了人類歷史的巨大轉折,這是繼車輪等基礎發明之后人類文明的第二個階段。從巴比倫時代到工業革命,照明的生產率以每年不到0.1%的速度增長,而在此之后,年均增速迅速超過了5%。
我們還注意到,照明領域的生產率革命在事實上是非常綠色的。正如路易斯·斯托茨(Louis Stotz)所說,這些新技術帶來的一個令人高興的環境影響是,“賓夕法尼亞州石油的發現為世界提供了煤油,同時也保住了僅存的幾頭鯨魚的命”。
我之所以要講述整體生產率和照明生產率的平行演進史,是因為它們凸顯了通往現代世界富裕生活的漫長道路。現代人類是在經歷了數十億年漫長而曲折的進化歷程后演化而來的。然而,即使現代人已經在解剖學意義上存在,也并不意味著全球任何地方都已達到高生產率水平。相反,在人類歷史的前99+%的時間里,生產率以蝸牛般的速度緩慢前進。
考慮到人類歷史5萬年來技術進步的緩慢速度,我們不禁要問:今天地球經濟的繁榮能在其他地方得以可持續復制嗎?人類文明史已經表明,要在地球上成就一番事業會遇到多大的阻礙。即使在今天,有了現代技術,一些地區的生活條件也并未超過我們石器時代祖先的生活條件很多。想在一個遙遠的星球上短時間內復制花了這么長時間才在地球上建造出來的東西(且不考慮當今社會良好的文化、經濟、科學和資源環境),看起來是一項極其艱巨的任務。
外星文明:火星和其他星球上的生活
當我們追溯人類文明的歷史時,建設一個可持續社會遇到的挑戰令人望而生畏。另一種思考角度是想象人類殖民其他行星,我稱之為外星文明。也許,我們會想,這就像朝圣者出發去發現新世界一樣。在美國定居固然是險之又險,但歐洲人最終成功地在一個富庶而強大的大陸上繁衍生息。
然而,仔細思考后便會發覺,“朝圣者”對于一個外星文明的前景而言,實在是一個糟糕的類比。最有希望開創新文明的地方是火星,它離地球很近(以天文標準衡量),有一些類似地球的性質,并且已得到了很多研究。上述遠程殖民的支持者之一是技術企業家埃隆·馬斯克。他的愿景是:“我考慮的是最終將數萬人,乃至數百萬人送上火星。”他的計劃甚至遠遠超出了這顆紅色行星的范圍:“我們將前往木星的衛星,至少可以肯定的是一些外層的衛星,可能還有土星的土衛六和小行星。一旦我們有了這種動力裝置,以及地球-火星經濟體系,我們將覆蓋整個太陽系。”
馬斯克對這種“殖民”的代價很清醒:“我粗略的猜測是,(每人)50萬美元,會有足夠的人有能力去,也有足夠的人想去(火星)。但這不是一次假期旅行。它需要你把所有的錢都存起來,變賣你所有的東西,就像當初遷徙到美洲的殖民者一樣。”
太空旅游的想法在未來的發展中似乎是可行的。但是,我們能否像早期人們移居美洲殖民地那樣,建立起自我維持的文明?雖然并非不可能,但由于外星殖民的高昂成本和危險程度,前景似乎極為渺茫。
電影《火星救援》劇照
雖然我們中的許多人都喜歡科幻小說和電影,但我們需要更深入地挖掘,形成對太空殖民的認真分析。亞當·莫頓(Adam Morton)最近出版的一本關于太空殖民的書以及悉尼·杜(Sydney Do)等人的技術分析為本節提供了深刻的信息。這些研究提出了兩個主要問題:成本和危險。
第一個問題涉及太空殖民地是否能夠自我維持。我將可持續性定義為一個系統(或經濟體)能夠在保持其資本完整(或替換任何耗盡的資本)的同時,產生合理的生活水平的能力。這需要生產食物、住所、醫療保健、交通和能源,或者出口足夠數量的火星商品,以支付從其他行星(可能是從地球)進口所需商品的費用。
讓我們從成本開始。與太空殖民地類似的例子是,在南極維持人類生存的成本。盡管南極令人談之色變,但它事實上是比火星更宜居的地方:它比火星更溫暖,具有許多優越的特征,例如大氣層、易于運輸到地球其他地方的充足冷凍水。在南極科考的每位科學家每年的成本約為20萬美元,這是可以用來確定未來目的地生存成本的有用下限。
另一個更接近太空的對比是國際空間站。這是一顆近地軌道上的宜居衛星。自1998年以來,一直有人居住,已經累積“接待”240多人。根據莫頓的說法,到2010年,國際空間站耗資已超過1500億美元。粗略計算得出,每人每年在其上的成本約為6億美元。
對于非地球文明的經濟分析,可以考慮火星一號計劃(Mars One Program)。火星一號是一家歐洲私人公司,它計劃在火星上建立一個永久的人類殖民地。它將一次送四個人踏上建立火星殖民地的單程旅程。該愿景與馬斯克公布的相類似。(對于潛在的游客,請注意這里強調的是“單程”票。)
悉尼·杜等人對火星一號的全面分析得出結論,如依其原有計劃,顯然是“不可行的”。許多被提議的技術,如食品供應和供應鏈,目前還不具備。另外,他們估計的建立殖民地的成本極其高昂。如果40個殖民者到位,累計發射成本將超過1000億美元,相當于每人25億美元。這還不包括居住、當地生產、通信、運輸或備用設施的成本。如果保守估計這些成本為每人每年2.5億美元,很難想象有什么出口所得能支付這一成本的哪怕一小部分。因此,該“殖民”計劃無法通過可持續性測試。
我們會想,也許發射成本和其他成本能夠降下來。但外星殖民還有更可怕的障礙。許多危險都與身體有關。火星上的紫外線輻射要比地球上強很多,太陽能和重力卻要弱得多,光線強度也很弱。那里有猛烈的沙塵暴。而且非常冷,溫度低至零下125華氏度(約零下87.2℃ )。此外,由于火星沒有大氣層,因此沒法防護小行星的入侵。最近的估計表明,每年大約有200顆小行星撞擊火星,這些小行星會摧毀沿途的一切,包括人員、建筑或設備。
也許所有這些風險都可以通過充足的投資和人們的聰明才智來克服。但退一萬步講,仍然會存在心理、經濟和社會結構方面的諸多挑戰。以寵物這個簡單的問題為例。美國人有近1億只狗,它們提供了陪伴和愛,它們作為向導、牧羊犬、警犬,在搜索、救援、治療、探測等方面提供專業服務。但是,和人類一樣,狗也進化了,它們適應了地球和人類的特殊環境。它們不太可能在危險的火星土壤上找到歸宿,所以那將是一個孤獨的地方。外來殖民者還會發現,他們也難以在火星上找到其他產品,如魚、西紅柿、牛奶、奶酪和肉類。此外,“火星亞馬遜”哪怕是用最快的宇宙飛船,也需要花費近一年的時間才能交付你的訂單。
我們無法對未來做出判斷。但是,綜上所述,在火星或地球以外的其他地方建立自給自足的外星文明的前景實在是太渺茫了。不是不可能,但在當前的技術水平下肯定是不可行的。
可持續性的實驗場:生物圈2號
我們對可持續性研究的最后一步也許最有啟發性。這便是生物圈2號實驗,旨在測試在地球上建立一個封閉系統的可能性。
眾所周知,生物圈1號是指地球本身。那么生物圈2號是什么?它是一個私人運營項目,旨在證明一個封閉生態系統的可行性。其任務是證明8個人(生物圈人)可以在沒有任何外部食物供應的情況下生產足夠的食物,并維持生活兩年。請注意,在一開始,這項任務也并非真正以可持續性為目標。糧食終歸只是經濟產出的一小部分和可持續性的一個必要條件罷了。因此,生物圈2號成功的門檻大約只有一只螞蟻的高度。
此外,該實驗在概念上也存在缺陷,因為它忽略了進口和出口(輸入和輸出)。就我們所知,沒有進口的生命系統是不可持續的——就像對地球來說,沒有太陽能輸入。然而,讓我們暫且忽略貿易帶來的復雜性,單考慮可持續性,聚焦在前面章節中提出的可持續性的經濟概念。
對生物圈2號的概述
生物圈2號是一個物理封閉的巨型玻璃結構,位于亞利桑那州圖森附近,占地約1萬平方米(或2.5英畝)。它包含了許多主要的地球生物群落,如熱帶森林、海洋、濕地、沙漠和農業地帶。它還儲存著少量的生物物種和足夠生產8個人兩年所需食物的資源。另外,它在實驗開始前就儲存了大量資源、藥品和設備,價值約2億美元,并輸入了大量能源(每人每年約5萬美元)。在兩年的時間里,8個生物圈人生活在這個狹小的空間里,生產大部分食物,并設法生存下來。
生物圈2號鳥瞰圖
從技術角度看,維持一個封閉系統的嘗試是失敗的。威脅人類生命的主要問題是大氣中氧氣的持續下降。濃度從一開始的21%降至14%,僅略高于對人類生命形成威脅的濃度水平。人們日常會消耗大量的氧氣,沒有氧氣人類就無法生存。該實驗的一個重要特點是,實驗的工作人員就在距離實驗場幾英尺處,他們時刻準備著提供所需的氧氣。如果這種災難性的錯誤發生在后續補給需要耗費9個月時間的火星上,那么,生物圈中沒人能存活下來。
這項實驗對人類來說是危險的,對其他物種更甚。所有的傳粉者(蜜蜂等)都滅絕了。在生物圈2號內部最初包含的25種脊椎動物中,有19種都滅絕了。大多數昆蟲也難逃厄運。僅有一個主要的成功幸存者:瘋狂的螞蟻(家褐蟻,又稱狂蟻)正四處狂奔,它是一種害蟲,其特性在于幾乎可以在任何地方生存。
這8個人的工作時間很長,平均每天工作10個小時,方能艱難維持系統的生存能力。他們的大部分時間都花在農業生產上,每人每周大約22小時。相比之下,美國人每周在農場工作的平均時間僅約為0.1小時。據報告,這8個人沒有從事任何其他主要的經濟活動,沒有進行相關(比如住房、服裝、運輸、藥品和保健或娛樂)的生產。因此,經濟產出僅限于自給農業。
測度可持續性
我們如何判定生物圈2號這樣的項目是否代表自給自足的可持續性系統?前兩章對可持續性進行了廣泛的討論。此處,我們需要調整這種討論,以適應更廣泛的分析框架。
在考慮可持續性時,一個最低標準是,該系統在經濟上是可行的,因為它具有生產力,即產出大于投入。這是一個直觀概念,僅僅意味著正的凈產出。這是一個很低的要求,但作為一個起點很有用。
可持續性的一個更可取的衡量標準是一個足夠多產因而能維持其資本存量的系統。也就是說,如果自然、有形和智力資本的存量在當前消費水平上沒有下降,經濟就是可持續的。
這里的關鍵概念是資本。這個概念指的是生產中使用的有形或無形耐用物品。自然資本包括森林和清潔的空氣;有形資本包括設備和房屋;智力資本包括專利、軟件和技術知識。資本的總價值是每種資本的數量乘以它們的價格或社會價值。
生物圈2號的可持續性引發了比可持續性的衡量標準更廣泛的問題。在我們的標準經濟衡量中,我們假定部分自然資本得以維持。例如,我們可以假設太陽還在照耀,河流還在流動,大多數授粉者還存活著,但我們顯然不能假設火星或一顆數光年外的行星同樣如此。測度自然資本各組成部分的價值顯然超出了本書的分析范圍,我們能做的是分析經濟的可持續性。
生物圈2號的產出
為研究生物圈2號的經濟可行性和可持續性,我構建了一套基本的經濟賬戶。它們使用上一章討論的國民收入核算概念來衡量NNP及其組成部分。這些估計只是提示性的,也許其他能夠獲得更好數據的人可以完善它們。不過,現在我們開始吧。
原始資料如下:我們有按部門劃分的8位生物圈人的時間使用情況。初始資本存量估計為2億美元,能源投入為每年80萬美元,安保和其他服務估計為每年50萬美元。以2015年美元計算,非科學活動的工時價值為每小時15美元,而科學活動的工時價值為每小時50美元。主要的成本是折舊,估計每年為資本存量的10%,這對設備來說是合適的折舊率,但考慮到生物圈2號的壽命有限,該數值可能偏低。
對知識產權或科學知識的投資可能是非常有價值的。按照傳統,這是以成本衡量的,但可能存在更大的正外部性。
表3 對生物圈2號和美國的經濟核算估計(注:估計數顯示了這兩個經濟體的人均產出。對生物圈2號的估計是1991-1993年,而美國的數據是2015年的。所有的估計都已折算至2015年的物價和工資水平。)
表3顯示了結果,并將生物圈2號與2015年美國的人均產出進行了比較。值得一提的是,對生物圈2號的估計是基于非常零碎的信息,但數量級肯定是正確的。前五行顯示了按行業或部門核算的總產出,簡單地說,就是生產的東西,比如胡蘿卜的價值。如標號為1的那一行所示,生物圈2號的人均總產出估計約為美國的一半。請注意,當時的產出高度不平衡,工業或貿易的產出為零。最重要的成果是服務和知識產權的創造。
標號為2的那一行顯示了生物圈2號的人均GDP,等于總產出減去能源等中間投入。我的估計是,投入超過產出(甚至能源投入也大于產出),所以生物圈2號的人均GDP估計為負19萬美元,而美國的人均GDP為正5.6萬美元。
標號為3的那一行顯示的最終總數是生物圈2號的NNP,等于GDP減去資本折舊。我們之前的討論將NNP定義為可持續收入。據估計,生物圈資本每年每人的折舊總額超過300萬美元。減去折舊后的人均NNP為每年負344萬美元。這些數據可能會有變化,但它們加起來總是很大的負數。
關于人工地球可持續性的判斷
關于在遙遠太空建立人工地球或可持續人類系統的前景,我們能得出什么結論?我們對人類文明史的討論,講述了通往今天高生產率的全球經濟的篳路藍縷,這表明在一個遙遠和危險的地方建立一個平行體系存在巨大的困難。此外,在評估移民火星或其他行星的前景時,結論同樣是悲觀的。基于類似的情況(比如在南極洲或國際空間站)可知,在惡劣環境下維持生命的成本亦是天文數字。
當我們回顧生物圈2號的歷史時,結果更為悲觀。它在經濟可行性和可持續性測試中都慘敗。哪怕身處地球,這個系統也無法維持現代的生活水平,甚至不能維持舊石器時代的生活水平。如果長時間運行,其產出會降為零。生物圈里的每一件事物和每一個人,也許除了那瘋狂的螞蟻,都注定難逃滅亡的命運。
從這三個實驗中得到的教訓是一致的,也是令人沮喪的。對于不那么遙遠的未來而言,自給自足的外星文明前景渺茫。
本文摘自《綠色經濟學》,為其第10章內容,原題《外星文明的誘惑》,澎湃新聞經授權刊載,標題為編者后擬。
《綠色經濟學》,【美】威廉·諾德豪斯/著 李志青、李傳軒、李瑾/譯,中信出版集團,2022年6月版
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