［这一材料的更新处理出现在第1章有限星球上的能源和人类野心(免费)教科书，也出现在篇文章中自然物理在2022年。
自工业革命以来，人类文明的能源消耗规模持续增长，令人印象深刻。能源信息署绘制的1650年以来美国能源使用数据(1635 - 1945，1949 - 2009(包括木材、生物质、化石燃料、水电、核能等)呈现出非常稳定的增长轨迹，年增长率为2.9%(见图)。理解未来能源增长的轨迹是很重要的，因为世界各地的政府和组织都是基于增长趋势将持续几个世纪的预期做出假设的，看看这个数字就知道这是一个完全合理的假设。(见这个更新对细微差别)。
美国自1650年以来各种形式的能源消耗总量。垂直刻度是对数，因此由恒定的增长率产生的指数曲线看起来像一条直线。红线对应的年增长率为2.9%。数据来源:EIA。
增长已经成为我们生存的支柱，以至于我们把它的延续视为理所当然。经济增长带来了许多积极的好处，比如汽车、电视、航空旅行和电子产品。生活质量提高了，医疗保健也改善了，除了需要记住的密码越来越多之外，随着时间的推移，生活往往会变得更加方便。增长还带来了对未来的希望，使人们有理由投资于未来的发展，期望获得投资回报。然后，增长是利率、贷款和金融行业的基础。
因为成长伴随着我们“无数”代人——这意味着我们所见过的每个人或我们的祖父母所见过的每个人都经历过——成长是我们叙述我们是谁和我们做什么的核心。因此，我们很难想象一个不同的轨迹。
这篇文章提供了一个惊人的例子，说明以目前的速度持续增长是不可能的——即使是在我们熟悉的时间范围内。为了方便起见，我们将能源增长率从每年2.9%降低到2.3%，这样我们就能看到每100年增长10倍。我们今天开始计时，全球能源使用率为12太瓦(这意味着世界公民平均拥有2000瓦的份额)。我们将从半实际的评估开始，然后在各个阶段让我们的想象力驰骋——即使到那时，我们发现自己比想象中更快地达到极限。我从一开始就承认，这种分析背后的假设存在严重缺陷。但这最终成为了重点。
《奔向银河系》
一个小时到达地球的太阳能相当于我们一年所消耗的太阳能，这一事实一直令我印象深刻。这样的声明带来了多大的希望啊!但我们先不要得意忘形。
只有70%的入射阳光进入地球的能量收支，其余的立即被云层、大气和陆地反射而没有被吸收。此外，作为陆地生物，我们可以考虑将太阳能电池板限制在占全球28%的陆地上。最后，我们注意到太阳能光伏和太阳能热电厂的运行效率往往在15%左右。让我们假设这个计算是20%。净效果约为7000太瓦，约为我们目前使用量的600倍。空间很大，对吧?
2.3%的增长率何时会达到这个极限?回想一下，我们每100年扩张10倍，所以在200年里，我们以目前水平的100倍运行，275年就达到了7000太瓦。275年对一个人来说似乎很长，但对一个文明来说真的不长。想想我们刚刚创造的世界:每一平方米的土地上都覆盖着光伏板!我们在哪里种植食物?
现在让我们开始放松约束。当然，在275年内，我们将足够聪明，在如此重要的全球资源上超过20%的效率。让我们嘲笑热力学极限，讨论100%的效率(是的，我们已经开始了这段旅程的幻想部分)。这为我们赢得了5倍的时间，也就是70年。但是谁需要海洋呢?让我们给它们贴上100%高效的太阳能电池板。又是55年。400年后，我们就会撞上地球表面的太阳墙。这一点很重要，因为生物质能、风能和水力发电都来自太阳辐射，而化石燃料则是地球上数百万年来由太阳能充电的电池。只有核能、地热和潮汐过程不是由阳光产生的——后两者在本分析中无关紧要，各自只有几太瓦的能量。
但上述分析的主要局限性是地球的表面积——尽管它令人愉快。我们只能通过收集额外的30%的能量来获得16年的寿命，所以在太空中放置环绕地球的光伏阵列的巨大成本肯定是不值得的。但是，一旦进入太空，为什么要把我们限制在地球上呢?让我们往大了想:用太阳能电池板包围太阳。当我们这样做的时候，让我们再次让它们100%高效。事实上，在地球轨道的距离上，环绕太阳的4毫米厚的结构需要一个地球的材料——而且是专门的材料。这样做可以让我们从现在开始的1350年里，每年保持2.3%的能源增长。
在这一点上，你可能会意识到我们的太阳并不是银河系中唯一的恒星。银河系拥有大约1000亿颗恒星。大量的能量喷涌到太空中，等待我们去获取。回想一下，每一个10的因子都是100年的时间。一千亿是十的十一倍，所以是1100年。因此，在大约2500年后，我们将使用相当于一个大星系的能量。我们清楚地知道2500年前人类在做什么。我想我可以肯定地说，我知道我们不会2500年以后。
全球电力需求在对数图上持续增长2.3%。在275年、345年和400年，我们要求所有的阳光照射到陆地，然后照射到整个地球，假设转换效率分别为20%、100%和100%。在1350年里，我们使用的能量相当于太阳产生的能量。在2450年里，我们使用的能量相当于银河系中所有千亿颗恒星的能量。垂直注释提供了历史视角，说明这些基准在文明背景下的距离。
为什么选择太阳能?
一些读者可能会被前面对太阳/恒星能量的关注所困扰。如果我们有一个伟大的梦想，让我们忘记太阳能的软弱限制，采用核聚变。普通水中丰富的氘可以让我们在地球上拥有一种看似取之不尽用之不竭的能源。我们不会对这条路径进行详细的分析，因为我们不需要这样做。上图所示的无情增长意味着1400年后，任何我们利用的能源必须比太阳还要亮。
让我重申这一重要观点。无论什么技术在美国，如果能量以2.3%的速度持续增长，我们需要在1400年内产生相当于整个太阳的能量。警告一句:那座发电厂的运行温度会有点高。热力学要求，如果我们在地球上产生与太阳相当的能量，那么地球的表面——比太阳的表面要小——就必须如此热比太阳表面还亮!
热力学的限制
我们可以更精确地探索这个问题的热力学极限。地球从太阳吸收了大量的能量，远远超过了我们目前的社会能力。地球通过向太空辐射来释放能量，主要是红外波长。没有其他路径可用于热处理。事实上，吸收和发射处于近乎完美的平衡状态。如果不是这样，地球就会慢慢变热或变冷。事实上，我们削弱了红外辐射的逃逸能力，导致全球变暖。即便如此，我们仍处于低于1%的平衡水平。由于辐射功率的尺度是温度的四次方(当以绝对形式表示时，如开尔文)，我们可以计算出来自社会企业的额外负荷下地球表面的平衡温度。
假设除阳光以外的其他来源被用来提供我们的能源需求，并且它的使用在地球表面蒸发，地球表面温度稳定增长2.3%。即使是像核聚变这样的梦想源，如果继续发展下去，几百年后也会出现无法忍受的情况。注意，垂直刻度是对数。
结果如上所示。以前，我们知道，如果我们把自己限制在地球表面，我们将在400年内耗尽太阳能。为了在这段时间之后继续能源增长，我们将需要放弃可再生能源——几乎所有的可再生能源都来自太阳——用于核裂变/聚变。但热力学分析表明我们还是会被烤焦。
停止疯狂!
本文的目的是要指出，那种认为我们可以继续增加能源消耗的假设是荒谬的，即使这种假设的增长速度比过去350年的增长速度要慢。这种分析很容易成为批评的目标，因为它的前提是狭隘的。我很乐意自己把它撕碎。首先，如果人口稳定，持续的能源增长可能是不必要的。至少2.9%的能源增长率应该会随着世界人口饱和而放缓。但我们不要忽视关键的一点:在可想象的时间范围内，能源使用的持续增长实际上是不可能的．前面的分析提供了一种可爱的方式来证明这一点。我发现这是一个令人信服的论点，它促使人们认识到无限增长的真正局限性。
一旦我们认识到物理增长总有一天会停止(或逆转)，我们就会认识到所有的经济增长都将同样结束。考虑到我们创新、提高效率等方面的能力，最后一点可能难以接受。但是这个话题将被推迟另一篇文章．
致谢
我感谢Kim Griest的评论，感谢他播下了这样一个想法:2500年后，我们将用完银河系。我感谢Brian Pierini的有用评论。
点击量:44098
谢谢你有趣的分析。
你检查过冷聚变吗?
这种技术会如何影响你的假设?
如果冷聚变成功了，也会受到同样的限制。只要我们想用这些能量来驱动、建造、照明、加热、冷却或做任何事情，最终的结果就是热量。也许这一点值得单独写一篇文章，因为它可能不是一个明显的声明。但简单的答案是任何技术:真实的;未来;或者想象为我们的活动提供能量的来源必然会遇到极限的探索银河尺度能量柱．
此外，正如TOD著名的乌戈·巴迪博士所说http://cassandralegacy.blogspot.com/2011/06/nuclear-fusion-elusive-genie.html太阳实现核聚变的质量大约是地球的1000倍。但是，期望在“实验室”中做同样的事情?
实验室里的核聚变是可能，甚至已经在托卡马克中完成了——尽管远远低于盈亏平衡。我们最好的一些炸弹可以实现核聚变。所以它绝对属于“现实世界”，而不是“科幻小说”的范畴。但这并不是说这很容易。我们必须将等离子体限制在5000万- 1亿开尔文(太阳的温度为1600万开尔文，因为它足够大，可以耐心地处理在这个温度下发生的“罕见”聚变事件)。热等离子体对限制有自己的想法，这是科学家们研究了一段时间的技术挑战(有一些进展)。
噢，作为天体物理学家，我忍不住要指出太阳的质量大约是地球的30万倍，这并不是你观点的关键部分。
“我们最好的一些炸弹实现了核聚变。”
我会选择“最糟糕”的炸弹。仍然是最高级的，但更恰当。
事实上，我相信英国的JET反应堆已经实现了盈亏平衡(Q=1)，法国正在建造的ITER反应堆将达到Q=20。
*声明:Q定义为所有聚变事件的能量输出除以加热等离子体所需的能量
这太棒了!谢谢!我得把它传给我的朋友和孩子们(还有很多解释)。
我们用同一个词——法律——来形容人类的“法律”和物理定律，这太糟糕了。我怀疑很多人读到这篇文章后会想“热的限制?胡说!这只是一些环保狂人的言论。”对此我们会说，“不，不。这是热力学定律，是物理学，不是环保主义。”然后他们会回答，“‘热力学定律’——管它呢?!?”我打赌民主党通过了那些法律。我们就把它们换掉!”
哈。我遇到过一些人，他们给出的答案似乎更“聪明”一些。但这个答案从根本上是有缺陷的，它是基于我们社会的叙述，所谓的技术和人类天才为我们提供了一切，因此它也可以弯曲、推动和打破自然法则(人们引用“摩尔定律”之类的东西，就好像那些是真正的自然“法则”一样)……在这一点上，我放弃了，想办法更好地利用我的时间。有时，他们还会举一些“理论”后来被证明是错误的例子，因此很可能热力学定律在未来也会被改变……在这一点上，我把他们归类为否认的人[*]，我继续生活。
[*]增长的极限
“自然法则”更好的说法似乎是“效应”之类的词。我意识到它通常被用来指比法律更不连贯的东西，但它似乎更有效地抓住了意思……
说到热力学数学盲，还记得《蜘蛛侠2》的结尾吗?他们把聚变反应扔进东河来熄灭失控的聚变反应。叹息。
这很奇怪，因为它来自一所大学的网站，那里肯定有一个经济系。我想知道，加州大学圣地亚哥分校的57位经济学教授(假设我没数错)中，有多少人承认经济增长存在物理上的硬限制。
答案是否大于0 ?我想没有。经济学教授对数学和物理免疫吗?
是的，经济学不受理性的影响。
他们也不能幸免。他们只是还没有发现它的相关性。当像债务上限这样的事情在几天内就达到时，这里概述的这些事件简直太遥远了，还不能考虑。不，我不是经济学家，但我问过很多人这个问题，他们的回答似乎相当一致。
当然，经济学家也是对的。因为钱不是建立在任何基本的东西上的——从技术上讲，保持货币增长是可能的。由于GDP最终是由创造了多少“价值”(钱)来衡量的，他们相信他们可以在移动广告和社交网络等领域实现大部分“增长”。什么精彩!这就是在云计算(亚马逊的那种)中抬头的情况。
即使是货币的增长也有一个上限，这与利用空间和物质可以达到的信息密度以及信号传播速度的限制有关。对于货币来说，GDP = x和GDP = x+1这两个状态在原则上必须是可区分的，这需要大约log_2 (x)位的信息存储来将x写在某个地方。利用我们所掌握的物质和能量储备，人类所能达到的最大数量是存在的。
在主要文章中描述的热力学约束在我们遇到这个计数极限之前就会毁了我们，但它仍然存在。在任何世界中，任何可测量的东西都不可能以指数级增长的最大信号传播速度受限。
第二定律是个骗局!是的，这是对的，我说过，并且解放了生物活动领域的每一位科学家，排除了那些纯粹出于懒惰而使用还原程序的微生物力学家。生命不断地发展，具有讽刺意味的是，在大灭绝时期，我们发现能量消耗、物质的生物迁移以及未来上升的进一步潜力方面的系统转移达到了最高水平。如果物理学家意识到他们还活着，那些我们今天称之为经济学的平凡会计就不会再依赖死的物理学就好了。
读到这篇文章的人可能会对Michael Tobis在Grist....上的一篇类似文章感兴趣http://www.grist.org/article/my-little-world-and-yours-too．
摘自这篇文章:
“你的小小行星占地球总表面积的60亿分之一。它是一个半径为82米的球体，表面积约为85,000平方米。这几乎正好是21英亩，或8.5公顷，这取决于你喜欢怎么想。在更多的城市术语中，这相当于19个美式足球场，或大约12个英式足球(职业足球)球场。
在这21英亩土地上，有超过70%的土地被海水覆盖。如果它结冰了，你可以在十分钟内以悠闲的速度从一个地方走到另一个地方。因为海洋覆盖了15英亩，所以陆地覆盖了剩下的6英亩。”
这幅作品确实很好地证明了无限增长的荒谬。超越简单的“在有限的星球上无限增长”的格言真的很棒，虽然对已经同意的人来说很明显，但可能太抽象了。这真的是一本很棒的书，谢谢!
不幸的是，我认为现在说服足够多的人我们必须停止无休止的增长已经太晚了。对无限增长的“投资”太多了。
但人们继续相信经济会进一步增长，实际上并不意味着他们会如愿以偿。就像本文所展示的那样，在某种程度上，进一步的增长是不可行的，并将停止或逆转。此时此刻，我认为环保运动的任务之一就是做好准备。
特别是，我认为我们决定依赖的能源技术将决定人类的福祉。例如，依靠肮脏的化石或生物碳可能会彻底摧毁地球(不管节约多少能源:如果欧洲在文艺复兴高峰时期耗尽了生物能源，我们现在有什么机会依靠生物能源可持续发展，有更多的人，更多的期望，更少的当地文艺复兴工匠)。
阳光虽然不能拯救生长，但有一些有趣的特征。首先，它是一种热能，我们使用的最多的能量(实际上是生存所需要的)就是热能。其次，阳光是“主要的生态能源”，因此直接使用阳光不会破坏长期生态过程的结果(生物能源的真正效率必须根据创造生物能源所需的阳光来衡量，而不仅仅是我们能够多好地燃烧它)。第三，直接使用太阳能可以在当地使用，减少对交通和庞大基础设施的需求。因此，直接太阳能技术是相对于前工业时代(至少在欧洲)已经不可持续的一个优势。
无论如何，我沿着这些路线开发了一个开源太阳能聚光器。
http://solarfire.org/Solar-Fire-Overview
如果能得到你对这方面的意见就太好了。
再次感谢你的精彩作品，
Eerik Wissenz
伟大的阅读。顺便提一下，1972年，罗马俱乐部发表了一份名为《增长的极限》的报告。有趣的是，从20世纪80年代开始，(几乎)没有人关心他们的预测。真的很伤心。
罗马俱乐部文件的结论:
http://www.ratical.org/corporations/limit2growth.html
名副其实的经典!接下来的两部作品(我想书名是1992年的《增长的更多极限》和《超越极限》)只能证明最初使用的工作模型非常准确。
我得把它们翻出来再读一遍!
这是一篇关于风力的自然限制的有趣文章的链接:
http://www.scitizen.com/future-energies/natural-limits-to-world-wind-energy-_a-14-3695.html
我发现Chris Rhodes的文章是关于能源的科学知识的一个极好的来源。
我们就不能移民到另一个世界吗?
它们的数量应该是无限的。
好帖子。我认为你可以在热力学上用门外汉的术语补充另一句话——即产生的能量的一定百分比将始终以热量(热能)结束。顺便问一下，你计算的百分比是多少?是的，作为一名物理学家，我发现这种对持续增长的执着仍然可以延续下去，这令人震惊。事实上，我个人认为我们已经走得太远了。典型的例子是商品的生命周期。虽然它们可以生产很长一段时间，但它们通常被设计成可以在保修期后使用——从长远来看，这种设计可以获得最大的利润。我的意思是，真的，对我们大多数人来说，我们的第一部手机或第二部手机仍然是完美的。但实际情况是，平均每两年，我们就会得到一个新的。所以，实际上，“可持续”意味着产品的平均寿命要长4-5倍，这不可避免地会比现在贵(很多)(因为商品的总量会大大减少)。
无论如何，我认为限制产量(通过提高更耐用产品的价格)也有其积极的一面——放慢生活节奏，这将更令人愉快。
关于热力学的好观点。我在计算中使用了100%。因为对于我们所从事的任何活动(除了将光直接送入太空之外——顺便说一句，这正是我赖以谋生的工作)，几乎所有的能量做一旦结束就会变成热量。汽车搅动空气，这些能量最终在小漩涡的粘性体系中消散;制造和其他“有用”的工作产生热量(钉入木头后是热的)。我能想到的唯一一个例外是用于建造建筑物和从深层矿山/矿床中开采矿石/石油的潜在能源。但这在能源预算中只占很小的一部分(例如，当建筑物被拆除时，它会以热量的形式释放出来)。
我是在1972年看的。我真的很讨厌那个讲师，因为他在玩绝对主义，在这样的争论中总是很容易指出失败的地方，而所有的“信徒”能做的就是生气。我怀疑你不那么绝对，但你的一些读者认为它是绝对的。
这里有一个1972年的例外:嘿，如果你有100%的效率，那就用所有的能量来创造秩序。没有热量，直到有序变为无序，如果我们聪明的话，这可能需要很长时间。
对于外行读者来说，给东西排序需要能量，而不是热量，你得到的是秩序。我们在创造秩序方面效率很低，但作者让我们使用了100%的效率。所以…
感兴趣的人可能会从一个叫香农的人开始研究信息论。
现在，继续，热力学，像大多数普及的科学一样，是非常弱的。你可能会发现人们在谈论宇宙热寂。但是实验验证任何有趣的系统是否服从热力学定律几乎超出了任何允许讨论的范围，所以我们可以认为我们真的对什么都不了解。关于测试宇宙的热死，因为热力学，你必须站在宇宙之外，把宇宙放在一个盒子里。我在这里讨论的不是实际问题——这个想法可能根本没有任何意义。虽然我们可以把地球放在一个盒子里，但只有在你让地球进入平衡状态后，数学才能真正起作用。但据我所知，这个星球已经数十亿年没有处于平衡状态了。所以我们有很深的嵌套假设和近似。在一个非常深刻的层面上，假设是你，整个生物圈，和宇宙是一台机器，在一个相当简单的因果模型下运行。哦。
谢谢你听我的咆哮。不过这只是1972年的版本。现在的版本会让你尖叫。
是快乐的。
Janos Marki:我喜欢关于可持续商业和产品的评论!
“正如我们在上一篇文章中看到的那样，自1650年以来，美国的能源使用量以每年2.9%的典型速度增长。”
这是错误的，由此得出的结论是不可信的。正如我在以下帖子的评论中提到的，1959-2009年美国人均能源消费总量仅增长0.4%，1973-2009年人均能源消费每年*下降* 0.4%。在我们知道人口增长趋势已经停止(并在很大程度上逆转)的情况下，根据过去的人均消费增长时间计算出2.9%这样的数字，并无限期地预测未来，似乎不是合理的做法。
但让我们考虑一下“自1650年以来每年2.9%的典型增长率”的描述，假设它对过去的描述完全准确。
如果我们考虑一下，只是考虑常识，不加思索，它告诉我们什么?
从1650年到2011年，美国有三个不同的历史经济时期:
1) 1650年至1800年左右:工业革命前的自给农业经济。能源效率的提高即使有，也不会比中世纪的速度更快。在最发达的地区，预期寿命约为30岁，其他地区为20岁，与中世纪(或在罗马帝国)没有太大区别。
由此我们知道，能源使用的任何增长都完全是由于人口的缓慢增长。
2) 1800年至2000年前后:工业革命和人口转型的前半程。人均收入和财富大幅增长(超过50倍)。预期寿命飙升至78岁。由于死亡率下降和预期寿命延长，人口“大幅”增长(从530万增长到2.914亿，增长了55倍)。
然而，尽管如此巨大的人均经济增长乘以55倍的人口增长，但总能源消费增长不超过2.9%。
由此我们知道，与时期(1)相比，能源使用效率持续大幅提高。
3)大约从2000年开始:后工业革命经济，以及人口转型的后半段，发达经济体的人口下降(除了美国，美国人口持平，主要是由于移民。)
能源使用效率的持续提高一如既往——但现在人口持平(在大多数发达经济体中下降)。
从这里开始，能源消费趋势线最可能的走向是什么?与(2)中无限前进，还是向下?
如果是下行，那么有什么理由假设增长率会永远上升2.9%或2.3%呢?
我建议读者参考我对吉姆的评论的回应经济增长点．
我们还要明确一点，我的图表和分析是针对总能源增长，而不是人均能源增长。我认为，人们对2.9%增长的性质存在一些困惑。例如，在上面的第二阶段，美国人口在200年内增长了55倍。这相当于2.0%的年增长率(爆炸性增长!)。与此同时，同期2.9%的增长带来了300倍的能源增长。但不要只相信数学。看看这张图表:从1800年到2000年，能源增长了两个数量级(超过100倍)。因此，正如上面的评论所暗示的那样，这根本不是效率的提高，而是人均能源强度的提高。这也是有道理的。在1800年，你可能会跑几匹马力。 Today it’s vastly more.
我同意一个新的阶段即将到来:人口将不会继续增长。但这恰恰强化了一个主要观点，即增长不会永远持续下去。我并不十分严肃地认为能源增长将永远保持在2%以上。这篇文章显示了这种想法是多么荒谬。2%的持续增长才是关键不有道理的。完全正确。
在图表上的哪一点我们能发展出足够的能量来加速每个人的后代以0.9光速前往另一个星系?
接近戴森球建成的时间还是之前的时间?
地球上的热力学能量使用限制是一个有趣的想法!尽管热力学并不限制在太空空间站里的生长。在它变得太热之前，你就可以建造一个新的或更大的散热器。第二类卡尔达肖夫文明绝对不会被困在地球上。所以这是一个有趣的思想实验，但我怀疑这是一个可能的场景，或者与能量增长的讨论有关。
我认为设置上界会很有趣。考虑到光速的限制和星系的几何结构，我很想读一篇关于人类文明最大可能的能量增长率是多少的分析。
然后是基于更现实场景的分析，例如Robin Hanson的论文《燃烧宇宙公共空间:星际殖民的进化策略》，但这次计算的是能源使用和增长率。
很好吗?
我对假设人类留在地球上的分析很感兴趣，但几乎所有的制造/精炼都是在太空完成的。据推测，那时的制造将是太阳能驱动的，虽然可能是He3核聚变，但不会增加我们星球的热量预算。
我自己做了计算，得出了同样的结论:当你在1个太阳的输出(即戴森球体)时，它是星际飞船城市。可能早在那之前。
“一旦我们认识到物理增长总有一天会停止(或逆转)，我们就会意识到所有的经济增长都将同样结束。”
这个推论没有得到支持，而且显然也不正确。鉴于经济增长的主要部分是在思想/信息空间，而特定数量的经济价值的物理成分正在下降，增长是否必须停止并不清楚。例如，计算具有经济价值，而每次计算所需的能量正在迅速下降。这里确实有限制。但它们还有很长的路要走，在你达到已知的物理极限之前，它们意味着一些相当令人印象深刻的最终结果。
如果你想说服持相反观点的人，你至少应该能够陈述朱利安·西蒙(终极资源II)的论点，并提出反对意见。
同样值得指出的是，350年2.9%的增长将会增加多少财富。这基本上相当于美国人均国民生产总值每年大约10亿美元!
我很喜欢能量限制的部分，还有戴森球体太阳能阵列
你读过或听过理查德·费曼的《底层还有很多空间》吗?在书中，他给出了20世纪60年代已知的计算物理极限的数量级(尽管它们在今天仍然大致相同……量子计算已经在某种程度上降低了它们……与经典计算机相比，一个可行的量子计算机在一些算法上的收益是指数级的，在另一些算法上是二次级的)。
由于信息必须在物理介质中存储、处理和传输，信息的指数级增长也将导致能量的指数级增长。当谈论指数增长时，感觉“很遥远”的极限令人惊讶地接近，即使现在串行计算的速度也不再以以前的速度增长(这感觉像是单位时间内可以创建的信息质量的一个很好的上限)。
一个很容易预见的范式转变是，我们的建筑、工具、服装、通信和计算设备都是生物生长的。到那时，开采和精炼矿石或为运输提供燃料的需求就会减少。我们会喂养我们的财产，而不是给它们加油。仅凭这一点，我们的能源消耗就能大幅下降，一个拥有100亿或120亿居民的世界就能过上美好的生活。
“想想我们刚刚创造的世界:每平方米土地上都覆盖着光伏板!我们在哪里种植食物?”
我对这一评论表示关切。当然，“所有形式”的“所有能源”包括农业增长(太阳能)的粮食生产，因此它也将包括在未来的粮食生产中(大概是近100%高效的太阳能发电产生的电力)。如果你过去和现在对电力生产的估计没有准确地包括种植食物产生的电力，那么你就夸大了电力增长的速度，因为我们正在用电力取代人工劳动，将电力从植物(光合作用)转移到发电厂。
同样，试图生产足够的食物来维持人口增长也是一个严重的问题。首先，假设我们决定不再随着人口激增而继续增加粮食生产。那么数十亿人将会死亡。
现在假设我们提高粮食产量，使地球人口翻倍。然后我们再做一次，允许另一次加倍。我们不能永远保持粮食产量翻倍!当我们最终放弃时，8亿、16亿或32倍以上的人将挨饿。为了生产更多的食物而停止破坏地球似乎令人难以置信地无情，但试图维持更多的人口将最终导致更大的灾难。
这是我们必须做出的选择。在两个可怕的选择中做出选择。
——托拜厄斯·罗宾逊
在这个国家，有些话题几乎是禁忌，比如人口控制和对过度消费的限制。这个名字有点夸张，但仍然很有价值的视频“你会看到的最重要的视频”值得在这里提到
http://www.youtube.com/watch?v=F-QA2rkpBSY
+1到上面的链接。如果没人这么做，我本想自己贴出来的。尽管这个名字听起来像一个笑话(它显然是由教授的一个学生命名的，他想确保尽可能多的人看到它)，但它确实是一个奇妙的数字和数据驱动的探索，探讨了指数增长在许多重要领域的分支。
一个主要的假设是，我们对能源的需求总是会超过现有的能源，但这可能会趋于平稳。考虑一下带宽的争论——我们永远不会有足够的带宽……直到你意识到在某个时候，你(以及地球上的每个人)能够向你的大脑传输比你可能消耗的更多的数据……因此，从那时起任何额外的带宽都是无关紧要的。同样的道理可能也适用于能源的使用。一旦你有你的机器人军队做你想自动化的一切，你总是在你的火箭动力飞船上徘徊(以惊人的速度在地球上移动)，有你自己的服务器群做你想做的任何事情，等等，你会把额外的能量用在哪里?当然，你可以设想一些假设的场景(例如，我会把木星点燃成另一个太阳，等等)，但就个人而言，绝对有一个极限，在这个极限上，任何额外的能量都不会真正对你的幸福或生活方式有贡献。
计算。在某种程度上，经济上最可行的生命形式变成了计算机中的生命形式，而不是现实世界中的生命形式(我建议你参考Accelerando的科幻作品)。最终，每一瓦特的能量都变成了在记忆中维持和处理另一个思考的存在的能力。
这就是这篇文章的观点——在某种程度上，考虑到土地和食物的限制，例如，人口将趋于平稳;我们每个人都将拥有自己的机器人军队，因此我们将不再需要更多的人均能源——如果这种情况发生，那么银行将不会被激励为投资提供贷款，因为他们似乎不太可能为他们的新投资找到市场。因此，由于贷款将放缓，例如，增长将放缓，你就得到了文章的结论。
这个问题将会有一个技术解决方案。除非你同意种族灭绝，否则你不能指望人口增长放缓。
这只是试图否定你提出的其中一个问题。在讨论太阳能电池板、100%效率和表面积时，我们应该考虑太阳能电池板是否可以制成透明的，并相互堆叠，或从附近的塔接收镜像反射的热量。这将使增长超过实际的陆地表面面积叠加。
如果效率达到100%，所有的光和热都会变成电。当然，驾驶电动汽车产生的热量最终会被吸收，但穹顶内的条件将不适合居住。最重要的是，您不需要堆栈。
100%的效率意味着照射到太阳能电池板上的光全部被吸收，也就是说没有光可以通过或反射。太阳能电池板如何能100%吸收电磁辐射的能量，并将部分能量传递给下一个?能量守恒多少?
关于持续指数增长的荒谬的优秀帖子。热力学第二定律万岁，因为它将吞噬我们所有人。
选自布莱恩·考克斯的《为什么E=mc^2?》”:
质子转化为中子的过程是如此繁重，以至于“以千克为千克”，太阳将质量转化为能量的效率比人体低几千倍。一公斤的太阳平均只能产生1/ 5000瓦的能量，而人体通常每公斤只能产生1瓦以上的能量。”我认为在过去的100年里，经济增长超过了能源增长。我预测，在接下来的100年里，我们将看到“熵增长”超过能源增长。熵转换会更有效。但首先，我们需要认识计量单位。我觉得还没人注意到这个球。
必须记住，W = J/s, 1公斤太阳在其一生中产生的J(能量)比人体一生产生的J(能量)多得多。所以我会谨慎地说，人体比太阳更“高效”。
我理解你试图戏剧化地表明持续的指数增长显然是荒谬的。这是一个公平的观点，也是一个应该提出的观点。我唯一的问题是，你在提供的数据中遗漏了一些有趣的东西。
第一个图的拟合糟糕得令人震惊，特别是当你试图从数据中推断时。在过去的50年里，能源消耗明显没有以2.9%的速度增长。你使用的指数拟合似乎有一个大约0.87的R平方值，对于生物学或经济学来说还不错，但物理学家不应该被打动。如果我们尝试logistic函数而不是指数拟合，我们会看到一个显著改善的拟合，R平方约为0.99。
逻辑函数在我们看到自然生长限制的情况下建模是有用的，例如动物种群的生态模型。logistic函数中的一个参数是系统的承载能力。当我将能量数据与逻辑方程相匹配时，承载能力约为1.4 \乘以10^8亿BTU。EIA的数据显示，2009年的天然气消耗量约为0.9 × 100 ^8亿英热单位。从数据中可以明显看出，由于自然因素的限制，美国的能源使用量已不再呈指数级增长，而是已经开始趋于平稳。
指数增长不仅不是对未来的合理假设，也不是对最近发生的事情的一个很好的模型。
谢谢所以这是很大的贡献。我是逻辑曲线的忠实粉丝，忍不住注意到数据的变化。我的本能是说:“啊哈!由于自然限制而翻车!”但你猜对了，这篇文章针对的是那些不相信这种说法的人，并把最近的行为视为一些奇怪的异常现象。所以我玩了这个幻想游戏来证明为什么它值得被称为幻想。
[编辑:见。更新后这探索了逻辑函数的拟合程度。
终于有科学依据证明经济增长将毁灭地球。现在，如果政客们停止他们的花言巧语就好了。
除非我们能想出一种聪明的方法来消耗火星，在我们的太阳周围制造一个戴森球，否则我会选择关灯，不开游泳池的过滤器，自己种蔬菜。
也会担心第三世界以不受阻碍的增长走向西方式经济的影响。我不是反对人们改善生活，而是我们必须从工业化的错误中吸取教训。专注于生存，而不是致富。
是否有可能将热力学废热转化为光(和/或大质量粒子)并将其排出行星(类似于恒星)，或者这本质上违反第二定律?
所以，这是一个很好的关于太阳能的论点。太阳能已经包含在地球的热负荷中。储存它并在以后释放它不会产生额外的净热量。而且，从任何来源回收的能源都不会增加任何东西。例如，在自动制动过程中捕获的能量在重复使用时不会增加任何能量。不要制造热量，要循环利用!
你在分析中遗漏了一件事，那就是如果我们有一种能量来源，它能给我们提供任意大的能量，我们就有能力花费必要的能量来保持地球的凉爽，同时将多余的热能转移到其他星球(与空调的工作原理相同，只是规模要大得多)。如果你不介意增加能源生产的回报递减，你可以随心所欲地使用。而且，如果你不介意建造一个戴森球(即使你用聚变来补充它)，你也不会在很长一段时间内达到相同的热极限，因为可供辐射的表面积要大得多。然而，一个很大的限制将是可用于聚变的物质，以及到达其他恒星所需的时间。
这一出色的分析将人口与能源消耗结合起来，并假设人口增长2.3%。但你有没有想过这个假设本身的含义?地球表面必须密集地居住着共和党人(他们似乎占人口的50%，接近50%)，由此产生的大火肯定会摧毁我们所知道的这个可怜的星球。
然而，由此产生的现实扭曲力场将允许最富有的1%安全地利用太阳的全部能量输出。但是，社会保障系统就没有足够的能量了。
当然，如果人口停止增长(这是必然的)，我们可能会更快地达到能量平坦。然后，关键是能量增长已经停止(比之后荒谬的热力学极限快得多)。不久之后，经济增长可能会因此停滞不前。
如果普遍接受的关于宇宙膨胀的理论是正确的，那么是的，无论是人类还是博格人的增长总有一天会结束。但是，既然我们都在进行科幻式的思考，为什么我们作为一个物种不能以宇宙本身膨胀速度的一小部分增长呢?那就能维持几十亿年，不是吗，至少到大挤压或大寒流之前?
这篇文章与我几年前写的一篇文章非常相似:
http://seanseefried.com/blog/files/a81e39350086cbd6d78c9a2b1a7bc5fd-6.html
你的要好得多，但你可能对我写的另一篇关于转换损失的文章感兴趣:
http://seanseefried.com/blog/files/1fec090842ae2dbaeb3a20a07fcd0c98-5.html
有人真的认为500年后我们还会生活在地球上吗?
汤姆，这篇文章很有趣。正如你在最后简要提到的，在过去400年里，能源使用的增长在很大程度上直接来自世界人口的快速增长。例如，尽管在过去的150年里，美国的能源使用量增加了50倍，但人均能源使用量的增长却要温和得多，大约增长了4倍(有趣的是，这也是目前美国人均能源使用量超过全球平均水平的“同一”因素——世界居民平均消耗能源的速度与我们内战前的速度相同*)。然而，有人可能会说，随着交通、个人和商业电子产品、家庭和办公室空调等效率的提高，人均能源消耗可能会稳定在这一水平，甚至可能在发达国家略有下降。在这一点上，能源增长与人口增长直接相关。
我不想轻视这一点。这仍然是一个“了不起的”个人电力分配:在这个国家，我们每个人平均每天消耗大约10千瓦的电力。这就像两个巨大的空调全速运转。将这一数字与我们从食物中摄取的能量以及我们身体工作时直接产生的能量(例如举重物)进行比较，也是发人深省的。这个“内部”电源大约是100W。也就是说，我们在体外消耗的能量是体内能量的100倍(与其他动物不同)。
但是人口增长并没有保持稳定。在1960年达到2.2%的峰值后，持续下降到今天的1.1%，预计将继续下降。如果世界人口在2100年达到大约100亿的峰值，到那时，全球人均能源消耗接近美国目前的水平，我们面临的峰值是总能源消耗的7倍。这本身已经是气候和我们剩余的化石能源储备的一个主要问题，但推断超过这一点可能是不现实的。本世纪大部分人口增长将发生在人均能源消耗比我们少5-10倍的地区。事实上，生育率和人口更替率与人均能源消耗成反比。
因此，虽然我同意你的观点，认为经济和能源繁荣不断扩张的普遍和不幸的宝贵观念被严重误导了，但我认为我们实际上可以合理精确地预测(几个因素)下个世纪全球能源消耗将趋于平稳(但仍然相当不可持续)。
JDS
完全正确。谢谢你。不要把我的荒谬之旅误认为是一种预测:对于那些不接受增长将停止的人来说，这更像是一个警示故事。按照你的逻辑，能源增长将在一个世纪后停止。我认为，经济增长将在不久之后停止。当然，考虑到本世纪化石燃料的不可避免的衰退，维持目前能源率的7倍可能不太可能。因此，时间尺度可能会短得多。
对热力学在经济学中是有效定律的最佳反驳来自林登·拉胡什和他的组织。事实上，他写了一本书，书名是《增长没有极限》。
http://www.larouchepub.com/other/2002/pedagogicals/2945dynamis.html
从上面剪下链接:
在一个层面上，“热力学第一和第二定律”的谬误很简单:这些定律从未被证明是真实宇宙的性质，而只是某些封闭的数学演绎系统的性质，无知或恶意的物理学家声称这些系统代表了真实的宇宙，但显然不是。在这个层面上，这种欺诈行为与所谓的经济学家的欺诈行为是相同的，这些经济学家声称能够从所谓的“货币”的不言而喻的属性中推导出关于实体经济的定理。事实上，牛顿著名的《自然哲学的数学原理》(Principia mathematica philosophiae naturalis，自然哲学的数学原理)的标题中所揭示的基本错误，在涉及不存在的“经济学的金融原理”的教科书中被无数次地复制。
与流行的学术信仰相反，并没有实际的实验来证明“热力学第一和第二定律”作为普遍的物理原理的有效性。在某种程度上，这些“定律”具有一定的经验相关性，它们都受到一个纯否定原理的限制，早在开尔文-亥姆霍兹小组出现之前，莱布尼茨就已经确定了这个原理:所谓的“永动机”或“永动机”的不可能性——一个假设的宇宙子系统，能够在一个封闭循环的过程中产生净剩余的能量，在这个过程中，系统应该完全回到它的原始状态，而周围的宇宙没有任何其他的净变化。就像所谓的“不可能”或“假想的”数字一样，所谓的“不可能”的来源并不是真实物理宇宙的限制。其局限性在于“机器”的概念，即分析力学的“乌托邦式”欧拉-拉格朗日形式所描述的系统。换句话说:在某种程度上，一个物理系统要么被选择，要么被迫模仿“机器”的特征，它似乎遵守热力学第一定律和第二定律。但宇宙作为一个整体并不是一台机器;宇宙不仅永远不会回到以前的状态，而且从形式数学的角度来看，它的连续状态彼此之间是严格不可比较的。因此，把所谓的“第一定律和第二定律”外推到整个宇宙是最粗糙、最基本的科学错误。
如果“宇宙”指的是人类对自然行为的最普遍形式，那么我们就不可能知道其他宇宙了!那么，“宇宙的状态”就会随着某些人发现一种新的普遍物理原理(力量)而发生根本性的变化。一个形式数学系统(就第一种“工程”近似而言)可能或多或少地充分描述了到那时为止人类的物质经济活动，现在它被打破了，因为基于新原理的技术将物质经济转变为使人类物种的相对潜在人口密度超过任何先验“限制”的效果。
人类人口潜力在有记载的历史和史前时期成功地增长了大约三个数量级，这一事实本身就证明了一种自我发展的“力量”的存在，它完全超出了可见或类似可见物体的领域，但却在越来越大的程度上控制着可见的宇宙。
这很好地说明了经济学家忽视了公认的物理定律。警告其他人:不要在家里尝试这个。
你不知道什么是物理学中的“定律”。其中许多都是已知例外的近似值，例如波义耳定律、查理定律或欧姆定律。还有一些定律，比如热力学定律，只是因为它们没有已知的例外。暗能量有可能使热力学定律失效，或者修改热力学定律。
这让我想起阿尔伯特·巴特利特(Albert Bartlett)对人口增长的类似分析。看到,http://www.youtube.com/watch?v=F-QA2rkpBSY
你为什么选择1650年，也就是工业革命300多年前，作为你对2.9%增长的初始假设的起点?这是不是有点武断?为什么不从最后一个冰河时代结束开始呢?还是在人类出现的时候?我很确定你的假设不成立。
另一方面，如果只考虑过去30年，趋势似乎也与你的假设不同。我只能猜测，但对我来说，它甚至不像是指数级的。
在我看来，由于我们没有无限的资源来建造发电厂和基础设施，这可能是限制因素。早在任何相关的热力学影响地球之前。
这就是EIA所拥有的。我惊讶地发现，这一趋势与工业革命前的趋势是如此一致，所以我觉得应该完整地展示它。我并不是说，过去的情况会是这样，只是说这是我们几个世纪以来所看到的政权。是的，最近的时间滚动。这篇文章针对的是那些认为我们可以永远生产能源的人。精明的人会从数据中看出，这一阶段可能已经逐渐结束。
很好，400年才能达到第一类文明状态，1300年才能达到第二类文明状态，2500年才能达到第三类文明状态。如果你希望人类生存下去，这就是我们应该去的地方。利用银河系的总能量输出并不荒谬，这是我们作为一个物种应该追求的方向。荒谬的是期望人口呈指数增长，如果人口呈指数增长，就没有足够的行星容纳所有人。
基于人性，这不是任何人都会做出的选择。我们都将自私地努力改善我们的命运，当我们的资源开始耗尽时，我们将走向无休止的战争，以获得剩下的东西，或至少剥夺别人的资源。我们将回到石器时代，直到我们灭绝，下一个生物登上舞台。从现在到那时，我相信会有一些惊人的进步，让我们在相对繁荣的状态下再多维持一段时间。
在商业领域，我们看到巨大的增长曲线随着行业的成熟而变平。想想“互联网使用”或“全球汽车行驶里程”。我认为“能源消耗”很可能符合这种情况。
大家好，虽然我同意讨论和理解增长的物理极限是很重要的(经济学家和人文主义者不讨论或理解它们)，但我宁愿假设，如果我们使用更多的能源，这将在我们进入太空时发生。
如果我们使用太阳系规模的能源，可能所有的经济活动都在太空中进行，而且很大一部分人类也不再生活在地球上。
太空并不是物理和经济问题的灵丹妙药。但你的假设是，当其他巨大的技术进步发生时，我们必须生活在地球上，这是没有充分支持的。
当然，每个天文学家都知道卡尔达肖夫尺度。
http://en.wikipedia.org/wiki/Kardashev_scale
如果你要写关于太空经济活动和/或太空殖民的文章，发几封电子邮件会很有趣。这些都是我有一些想法的地方(它们也包含了很多精神错乱的梦境)。
附注:喜欢设计，看起来很干净，字体和所有!
这不会是最受欢迎的帖子。尽管沉溺于马尔萨斯式的恐慌总是很有趣，但即使是现在，也有大量证据表明，事实不会像我们预测的那样。
其中最重要的是人口增长逐步下降，随后可能是实际的人口下降。在40年的时间里，它会慢慢上升，在100年的时间里，它只会上升，如果寿命真正大幅增加的话。
我们对提高能源使用效率的关注还有很长的路要走，但显然已经开始了。地热能的广泛使用甚至可能使地球略微降温，使能量转化为“物质”。
想象一下你在1800年提出了这个理论，你很可能会预测2011年将超过地球的能源资源，在此之前经济增长将会消亡。
“想想我们刚刚创造的世界:每平方米土地上都覆盖着光伏板!我们在哪里种植食物?”
当然是在卤素灯下!