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Tesla 主宰世界系列之一:能源的故事(上)

著名自媒体《罗辑思维》曾经引用了美国大法官霍尔姆斯的一段格言,并且将其定义为对职业最精辟的概括和总结。第一,工作既是事件的见证者又是事件的参与者,既可以思考又可以行动。从业者可以同时用这两种身份去体验生命的激情;第二,单从法律这个职业来说,它就像是一个魔术镜子,反映的不仅是这一代人的生活,而且是曾经存在过的所有人的生活。

为什么也要提及这样一段话呢?因为在编者看来,将法律这个词替换成为其他任何一个行业,似乎都能精准捕捉到工作所能带来的最高意义。而对于科技媒体来说,更是能够唤起强烈的共鸣,于是也就有了这样一个长篇连载,讲述 Tesla 是如何一步步塑造我们想要的未来的。

对于很多关注科技闻的同学来说,Tesla 只不过是一款电力驱动的高级跑车,它究竟能掀起多大的风浪,也许超乎所有人的想象。而整个故事的背景远比你想象中复杂深刻。本系列分三个篇章:能源篇、汽车篇、以及特斯拉篇。通过这三个篇章的追本溯源,沿着短短的人类历史文明的时间脉络铺展开来,我们才会真正了解特斯拉是如何成为整个世界再次轰然起飞的引擎。

能源是什么?

能源很重要,如果没有能源,我们就成下面这个样子:

但是能源到底是什么。字典里面给出的解释是:「物质和辐射所拥有的某种特定的属性,这种属性具有提供动力的能力。」在此处所指的「动力」,其实一种克服阻力,或者产生分子运动的力量外部显现。如果将两个定义糅合到了一起,我们就能够理解到能源这个词更加准确,也更加全面的定义。那就是「一种物质和辐射所具有的某种特定的属性,要么通过克服阻力,要么通过制造分子运动,使得力量外显出来。」

这样的定义总结出来未免有点儿太过枯燥无趣,如果让我们用简单点儿来说的话,那就是「一种能够让一些东西做点儿什么的源泉。」

而关于能源,其中最耐人寻味的部分就是能量守恒定律。这个定律意味着能量是不可能凭空创造,或者彻底被消灭掉的,它只会从一种形式转化成为另外一种形式。鉴于每个生物都要活着,也都需要能量。也正因为如此,作为人类的我们不断繁衍壮大,而我们都是需要能量的,所以我们非常尴尬地走向了一个别无选择的处境,从某些地方偷取我们所需要的能量。

地球上的生物所需要的能量,第一个我们想到的便是太阳能。正是太阳能,才能有风吹雨落,才有了整个的生物界。在衡量能量的标准上,「焦耳」是一个非常基本的单位,一焦耳代表了施加一牛顿作用力经过一米距离所需的能量。以太阳能体现出来的焦耳能够给动物们带来光和热。这也正是食物的来源。种植物知道如何摄取太阳能,并且将其转化成为食物。

从此开始,地球上的生命都可以通过猎杀其他生命来「偷取」被杀死者体内所储存的能量。

能量偷取所形成的食物链

为了更加形象地表达生物之间彼此掠夺偷取的关系,我们发明了「食物链」这个有趣的词。后来我们用「吃」这个词来指代「偷取其它生物能量和猎杀它们」的这种行为。还有「捕猎者」这种角色,它总是想要将看得见的一切生物的焦耳据为己有,而「被捕食者」往往总是太过弱小,任何人看到它都想欺负或者尽可能地占得好处。在这些角色里,植物是最没有罪过的了。它自身的清白,其实也只是因为它凭借着太阳来供养自己就可以了。在食物链的顶端,人类是至高无上的主宰,无论何时何地,都能从任何生物上面摄取能量。这个系统因为有了人类而变得不再完美,但这个系统还是运转下来了。

这个系统正常运转了一段时间,但是在最后的几万年历程里,人类逐渐意识到了一个道理。尽管将的能量注入到体内是一件非常愉快的事情,但是跟另外一种方式相比,似乎乐趣就显得少了很多。比如你通过利用某种能量使的物体跑的更快,或者举起在平常时候根本无法办到的重物,而你只需要选择以舒服的姿势坐在某个座位上,或者抓着某些牵引的绳索即可。于是,人们的聪明才智顺着这一思路开始加速奔腾向前,通过将能量外显于自己的体外,使得其他物体能够帮助自己工作。

但是焦耳并不仅仅存在于生物身上,它还无时无刻不在我们身边流动着、旋转着、放大着。通过发明科技创造,人们开始掌握如何利用它们。人们利用风车来「偷取」风的焦耳,当风吹过的时候,人们将其转化成为某种机械动能,去做碾碎谷物的事情;人们还发明了帆船,它同样能利用风能,将其转化成为人类可以引导的一种船体动力。水还能吸收太阳的辐射热能,将其传话成为一种大地的势能,当它蒸发到空中然后从天而降的时候,其能量也就体现出来。正因为如此,人们看到了机会,发明了水车以及大坝,「偷取」水流在运动过程中所产生的能量。

但在这些「偷取」能量的科技活动中,最让人兴奋的莫过于如何想方设法地,更有效率地燃烧东西了。上述所说的风能也罢,水能也好,你只是在它们运动的过程中捕捉其中一部分的能量而已;但是如果你是在燃烧某个东西,这个东西往往积攒了多年的焦耳能量,在燃烧的过程中一次性地全部释放出来。这毫无疑问是能量的一次爆炸性地释放过程。

人们将这种爆炸的过程称之为火焰。焦耳通过对热能和光能这两种对人们有用的能量形式体现出来,一时间燃烧在摄取能源的人类之间流行起来。

驯服狂龙

在利用风能和水能上面,人们琢磨出来了很多无比精巧的方式,但是一旦涉及到「燃烧」这种能够将绝大多数能量释放出来的方式,似乎就一筹莫展。他们只能老老实实地蹲在火焰的周围,保持一个适度的距离让自己取暖,烧烤东西,仅仅如此而已。火焰是一条狂龙,当时没有人能够找到驯服它的那条缰绳。

然后,那条缰绳终于出现了:「蒸汽」

火焰燃烧形成的焦耳是非常难以利用的,但如果你将这些能量全部注入到水中,很快这些水分子开始分解,最终变得混乱无比,然后飞升到空中,伴随着底下熊熊火焰的灼烧,这些水分子变成了蒸汽。也正是因为蒸汽的出现,我们从来不知道如何直接利用的火,终于转化成了一种我们能够控制的形式。

有了「蒸汽」这个「缰绳」在手,十八世纪的发明者们开始带来数不尽的科技创新,彻底打开了一扇大门,将人们带向了一个之前想都不敢想,完全不可能的全新世界。到了 19 世纪初,这些成果通过一种发明得到了巅峰体现,这也就是人类历史上最具有深远影响意义的发明:蒸汽机。

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想想你的茶壶,现在烧开了水,嗡嗡直叫,壶盖不停地跳动。想象一下如果将壶嘴的蒸汽导出到管子,将其导入到了一个空空如也的气缸里,一下子释放出来。当蒸汽进入到气缸再出来的时候,它推动气缸里面的一个活塞,使其强有力的前后来回往复的运动。下面是引擎工作的简单图示。正是有了这样的一种巧妙的机械连动设计,这种简单的前后来回往复运动的活塞就可以胜任很多任务。图示中我们看到轮子就这样被带动起来了。

有了蒸汽机,人类文明又一次得到了升级。从过去的风力帆船升级成为了蒸汽船,从过去牲畜拉着的车变成了小汽车。在工厂中,人们也利用蒸汽做很多事,彻底将水利带动的轮子淘汰出局,换来的是更加强有力,更加有效率的蒸汽带动的轮子。

有了这样的能力,人们可以带更多的货物去向更远的地方,更快速地运往更多具有超高效率的工厂中。工业革命由此而来,带动着人类历史全速前进。人们往往说工业革命是由蒸汽带来的,其实蒸汽只不过是一个中介。曾经我们曾经在几万年里对燃烧如何被有效利用一筹莫展,如今我们终于降服了狂龙。更本质的说法是,工业革命是由火焰带来的。

煤炭带来的「掘金热」

如今,我们发现了燃烧所带来的惊人好处,从来没有一个时刻像如今这样迫切的需要「燃烧」。曾经在人类历史中,人们如果想要烧什么东西,他们只要走出去寻找一些木头就可以了,非常简单。但是如今已经到了 19 世纪,在不断滋生的对燃烧渴求的背景下,木头已经满足不了人们的胃口了。

我们很早以前就知道除了木头之外,还有一些东西我们可以用来燃烧。在英国,他们将木头取而代之的东西是在海岸发现的一些黑色坚硬的物质。他们叫它「煤炭」。

问题是煤炭不同于木头。在英国很多煤炭可不像木头那样裸露在地表,它们其实都深埋于底下。当工业革命一往无前的前进,英国开始向地下挖掘,他们需要大量的煤炭作为能源的补充。当工业革命已经席卷到欧洲以及北美,欧洲人和美国人也开始掘地三尺,他们同样也需要煤炭。

当每个人都这么做的时候,他们发现了其他的一些东西。他们发现了一些可以燃烧的气体,如今被称之为「天然气」,以及一些深埋于地下,黑色粘稠的液体,如今被称之为「石油」。后来人们意识到,在挖掘煤炭的这么段时间里,其实人们总是与地下最巨大的宝藏擦肩而过。这个巨大的宝藏拥有密度最高,最易燃烧的能量储备。这有点儿像一只狗在森林里面埋藏骨头的时候忽然发现了一个巨大的洞穴,里面装着满满的猪肉。

那么这只狗在发现了一个全是猪肉的洞穴后会做什么呢?它是否会停下来思考一下该怎么处理这些东西。它其实没有怎么思考,它不管不顾,什么都不想的一头扎了进去,疯狂贪婪的享受这一切。在整个十九世纪,煤矿和石油被挖的遍地皆是。燃烧这样巨大的能源储备使得经济快速腾飞。在经济快速腾飞的同时,创新的驱动力也在不断增强。很快,新一代的科技就要出炉了。

正如蒸汽机技术是集合了之前很多技术于一身的巅峰科技创新,电力革命之所以产生,这归功于横跨了几个世纪各位发明家和创新者集体的聪明才智。在 19 世纪 80 年代,曾经在科技历史上偶尔出现的「涓涓细流」终于在这个时刻汇聚成了「大江大河」。

这种科技创新意味着将燃烧这种粗糙狂野的技术转化成为可控温和的,并且具有更加广泛用途的能源形式,我们称其为「电力能源」。过去是蒸汽作为中介,燃烧释放出来的能量才能被人们所利用;现在所有燃烧释放的能量都可以导入进线路中,这些设计合理的的线路网络将电力输送到住宅和商用建筑处,然后在某个装置里面存储着,耐心地等待在合适的时候满足用户们的电力需求。从此,这些以电力为代表的能源几乎可以转化成为任何形式的能源,它可以煮开水,冰冻冰块,点亮房间,打电话。如果说过去的蒸汽是降服狂龙的那个缰绳,那么现在的电就将这只巨龙变成了一个充满魔法的男管家,永远随时站在身旁听候我们的安排和调遣。第一次在人类历史上,能源开关被真正打开了。

伴随着这一切科技创新不断向前发展的同时,另外一项技术革命也在进行。火过去一直给我们的轮船、火车、工厂提供能源,甚至促成了最具有魔力的电力技术,但是个人的交通还是依靠马来完成,正如 1775 年那样。当然了,给马的屁股后面点一把火肯定会让这牲畜受不了,那么人们就又开始动脑子想怎么解决了。于是几十年过去,街道上跑着的全是巨大的,由金属组成的「马」,它的体内装着被熊熊火焰驱动着的引擎气缸。

将地下大量的燃油燃烧起来,给我们的世界提供动力,这样的技术创新已经在这个世界上存在了超过两个世纪。直到 2015 年,它仍然是人们获取能源的主要方式。

在下一章节,我们将回顾化石燃料这种能源的发展过程,并且带你了解它究竟给世界带来了怎样的苦与乐。

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