ПОЧЕМУ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ УПРАВЛЯЮТ ВСЕЙ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ

Лишь во второй половине XIX века, когда физики сформулировали первый и второй законы термодинамики, экономисты получили научную базу для точного описания экономической деятельности. К этому времени, однако, экономическая доктрина настолько погрязла в аналогиях с ньютоновской механикой, что представители экономической науки уже не могли отстраниться от нее, хотя ее допущения по большей части были неприменимы к экономической практике.

Первый и второй законы термодинамики гласят, что «совокупная энергия Вселенной постоянна, и что совокупная энтропия непрерывно возрастает». Первый закон термодинамики, закон сохранения энергии, утверждает, что энергия не создается и не уничтожается, то есть количество энергии во Вселенной не изменяется с начала времен и будет оставаться таким же до скончания времен. Хотя количество энергии неизменно, энергия постоянно изменяет свою форму, но в одном направлении — она переходит из доступной формы в недоступную. Здесь на сцену выходит второй закон термодинамики. В соответствии со вторым законом энергия всегда течет от горячего к холодному, концентрируется, чтобы рассеяться, упорядочивается, чтобы прийти в беспорядок.

Чтобы понять, как первый и второй законы работают в реальном мире, представьте себе горящий кусок угля. Энергия, заключенная в угле, никуда не исчезает. Она трансформируется в диоксид углерода, диоксид серы и другие газы, которые рассеиваются в атмосфере. Хотя энергия сохраняется, мы не можем вернуть рассеянную энергию обратно в кусок угля и использовать ее еще раз. Рудольф Клаузиус, немецкий ученый, ввел термин энтропия в 1868 г. для обозначения энергии, которую больше нельзя использовать.

Клаузиус понял, что работа осуществляется, когда энергия переходит из высококонцентрированного состояния в рассеянное состояние, другими словами, от среды с высокой температурой к среде с более низкой температурой. Так, паровой двигатель работает потому, что одна часть машины очень горячая, а другая — очень холодная. Переход энергии от области с высокой температурой к области с более низкой температурой сокращает количество энергии, доступной для выполнения работы в будущем. Если раскаленную докрасна кочергу вынуть из печи, она немедленно начнет остывать, поскольку тепло течет от горячей поверхности к холодной окружающей среде. Через некоторое время кочерга приобретет такую же температуру, как и окружающий воздух. Физики называют это равновесным состоянием — разница в уровнях энергии исчезает, и работа больше выполняться не может.

Сразу хочется спросить: «А почему нельзя повторно использовать всю эту рассеянную энергию?» Частично можно, но для этого потребуется дополнительная энергия. Ее использование повышает общую энтропию.

Нередко, когда я читаю лекции по термодинамике, возникает вопрос, не слишком ли пессимистичны мои взгляды, ведь Солнце, наш источник энергии, будет светить еще миллиарды лет и давать достаточно энергии для всего живущего на земле так долго, как можно только представить. Да, это правда. Однако есть другой источник энергии, который значительно более ограничен, — энергия, заключенная в материальной форме в ископаемом топливе и металлических рудах. Эти виды энергии фиксированы и конечны, по крайней мере с точки зрения геологического времени, которое важно для нашего выживания как вида.

Физики говорят, что с точки зрения термодинамики Земля представляет собой практически замкнутую систему по отношению к Солнцу и Вселенной. Термодинамические системы можно разделить на три типа: открытые системы, которые обмениваются и энергией, и материей; закрытые системы, которые обмениваются энергией, но не материей; и изолированные системы, в которых нет обмена ни материей, ни энергией. Земля по отношению к Солнечной системе является относительно закрытой. Иначе говоря, она принимает энергию от Солнца, однако за исключением нечасто падающих метеоритов и космической пыли получает очень мало материи из окружающего пространства.

Ископаемое топливо представляет собой яркий пример материальной формы связанной энергии. Она во всех отношениях конечный ресурс, который быстро истощается и, скорее всего, никогда не восстановится на Земле, по крайне мере в пределах временно́го горизонта, представляющего интерес для нашего биологического вида. Ископаемое топливо формировалось в течение миллионов лет в результате анаэробного разложения умерших организмов. При сжигании этого топлива использованная энергия в форме газов больше непригодна для совершения работы. Хотя теоретически когда-нибудь в отдаленном будущем — через миллионы лет — процесс анаэробного разложения может привести к появлению сопоставимых запасов ископаемого топлива, перспектива этого настолько отдаленна, что надеяться на нее смысла нет.

Редкоземельные элементы — еще один пример внутренних термодинамических ограничений, существующих на земле. Существуют 17 редкоземельных металлов — скандий, иттрий, лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, которые используются в различных промышленных и технических процессах и необходимы для технологий и продуктов, имеющих критическое значение для выживания и процветания общества. Они называются редкими то той причине, что их запасы ограничены и быстро истощаются в результате использования для удовлетворения потребностей населения и глобальной экономики.

Альберт Эйнштейн как-то задался вопросом, какие законы науки вряд ли будут опровергнуты или значительно изменены будущими поколениями ученых. По его мнению, испытание временем вероятнее всего выдержат первый и второй законы термодинамики. Вот что он написал:

Теория тем убедительнее, чем проще ее предпосылки, чем более разнообразны предметы, к которым она относится, и чем более широк диапазон ее применения. Именно по этой причине классическая термодинамика производит на меня глубокое впечатление. Это единственная физическая теория универсального характера, которая, по моему убеждению, с точки зрения применимости ее основных положений никогда не будет опровергнута [4].

Несмотря на то что трансформация энергии во всех ее проявлениях составляет фундамент всех видов экономической деятельности, мало кто из экономистов изучал термодинамику. И лишь единицы профессионалов пытались взглянуть на экономическую теорию и практику с точки зрения законов термодинамики.

Впервые попытку ввести законы термодинамики в экономическую теорию сделал лауреат Нобелевской премии химик Фредерик Содди в 1911 г. в своей книге «Материя и энергия» (Matter and Energy). Содди напомнил своим друзьям-экономистам, что законы термодинамики «определяют в последней инстанции взлеты и падения политических систем, свободу и зависимость государств, развитие коммерции и промышленности, причины богатства и нищеты, а также общее физическое благополучие человечества» [5].

Первым экономистом, бросившим прямой вызов своим коллегам, был Николас Джорджеску-Реген, профессор Университета Вандербилта. Его выдающаяся книга «Закон энтропии и экономический процесс» (The Entropy Law and the Economic Process) вызвала небольшое брожение в умах в момент ее выхода в свет в 1971 г., но была быстро отвергнута большинством коллег. Герман Дэйли, ученик Джорджеску-Регена, позднее экономист Всемирного банка, а в настоящее время профессор Мэрилендского университета, развил идеи магистерской диссертации Джорджеску-Регена в книге «К экономике устойчивого состояния» (Toward a Steady State Economy), вышедшей в 1973 г. Его книга открыла дискуссию на стыке экономики и экологии и ввела экологические аспекты в экономическое мышление. Не менее важно и то, что она заложила фундамент для дальнейшего разговора о применении допущений об экологической устойчивости в сфере экономики.

В 1980 г. я опубликовал книгу «Энтропия» с послесловием Джорджеску-Регена в надежде вывести разговор за пределы экономики и охватить все разнообразие человеческого опыта. В книге история пересматривается с точки зрения термодинамики с акцентом на последствиях возрастания энтропии в результате развития нашей цивилизации. «Энтропия» была одной из первых книг, где детально рассматривался вклад промышленной революции в изменение климата.

Если взглянуть на вековую историю попыток пересмотреть экономическую теорию с точки зрения термодинамики, то видишь лишь одно — абсолютную непроницаемость этой области для переосмысления научной основы фундаментальных допущений. Даже в последние годы, когда школы бизнеса по всему миру бросились наперегонки вводить в программы экологические аспекты и вопросы устойчивости и стали уделять больше внимания энергетическим проблемам и изменению климата, все это стараются преподнести под соусом классической и неоклассической экономической теории, чьи допущения никак не вяжутся с законами термодинамики.

Пока на экономической теории лежит длинная тень Ньютона, вряд ли стоит надеяться на то, что экономика как дисциплина сможет примириться с той ересью, которая угрожает всем ее фундаментальным допущениям. Историк экономики Рей Кентербери отмечает, что число приверженцев Адама Смита все больше сокращается, поскольку он въехал в историю на плечах великого сэра Исаака Ньютона. Он пишет: «Время от времени то одна, то другая группка экономистов начинает считать, что традиционная экономика созрела для революции, но для ее реализации революционеры должны идти на баррикады против гения Исаака Ньютона, а также против Адама Смита и длинной череды его последователей» [6]. Сейчас, однако, впервые за все время многочисленные трещины в теоретическом фундаменте дисциплины угрожают разрушить доктрину классической экономической теории.

БОГАТСТВО НАРОДОВ

Неочевидная проблема, пронизывающая насквозь всю экономическую теорию, заключается в фундаментально неправильном понимании природы богатства. Джон Локк, английский философ эпохи Просвещения, утверждал, что «земля, остающаяся полностью в естественном состоянии… называется, и это так и есть, пустыней». Локк перевернул второй закон термодинамики с ног на голову, заявив, что природа сама по себе бесполезна и приобретает ценность только тогда, когда люди прикладывают к ней свой труд и трансформируют ее в производительный актив. Локк писал:

Тот, кто присваивает себе землю через приложение к ней своего труда, не уменьшает, а увеличивает общие активы человечества. Ибо акр огороженной и возделанной земли дает продуктов земледелия, необходимых для поддержания жизни человека… десятикратно больше, чем акр равной по плодородию земли, которая остается необработанной. И, следовательно, о том, кто огораживает землю и получает больше жизненных благ с десятка акров, чем мог бы получить с сотни акров невозделанной земли, можно по праву сказать, что он отдает 90 акров человечеству [7].

Законы термодинамики говорят нам совершенно другое. Экономическая деятельность — это просто заимствование низкоэнтропийной энергии из окружающей среды и превращение ее во временные продукты и услуги, имеющие ценность. В процессе такого превращения нередко расходуется и рассеивается в окружающей среде больше энергии, чем заключено в конкретном производимом продукте или услуге.

В этом отношении экономический процесс является отражением биологических процессов, происходящих в природе. Когда законы термодинамики были сформулированы, биологи в первый момент не знали, как увязать представление о непрерывном переходе энергии из упорядоченного состояния в неупорядоченное с тем, что живые системы, похоже, делают прямо противоположное, постоянно оставаясь упорядоченными.

Харольд Блюм, известный биолог XX века, объяснял, что живые организмы не нарушают второго закона, а просто являются примером его другого проявления. Живые существа, по заключению Блюма, — это неравновесные термодинамические системы. Иными словами, все живущее находится в очень далеком от равновесия состоянии, непрерывно подпитываясь доступной энергией из окружающей среды и повышая при этом общую энтропию окружающей среды. Растения, например, используют энергию солнца в процессе фотосинтеза, и эта концентрированная энергия потребляется животными прямо, когда они поедают растения, или косвенно, когда они поедают друг друга. В общем и целом, чем более развит биологический вид, тем больше энергии ему нужно для сохранения неравновесного состояния и тем больше энергии он выбрасывает в окружающую среду. Эрвин Шрёдингер, лауреат Нобелевской премии по физике, очень точно выразил сущность термодинамического процесса, заметив, что «то, чем организм питается, является отрицательной энтропией; он существует за счет высасывания упорядоченности из окружающей среды» [8].

То, что говорят биологи, согласуется с тем, как мы представляем себе жизнь. Мы подпитываем свои тела энергией, когда едим, и в процессе своего существования постоянно истощаем источники энергии и повышаем энтропию. Если энергия перестает поступать или наши тела теряют способность должным образом преобразовывать ее в результате болезни, то мы умираем. После смерти наши тела быстро разлагаются на компоненты, возвращающиеся в окружающую среду. Наша жизнь и смерть — это часть процесса превращения энергии в энтропию.

Химик Дж. Тайлер Миллер использует сокращенную пищевую цепочку для объяснения того, как преобразуется доступная энергия и как создается энтропия на каждом этапе присвоения энергии в экосистемах. Прежде всего он отмечает, что при пожирании добычи «80–90% энергии просто теряется и тратится на нагрев окружающей среды» [9]. Всего 10–20% энергии добычи поглощается хищником. Это происходит потому, что передача энергии от одного существа к другому требует энергетических затрат и сопровождается потерей энергии.

Миллер показывает, какое невероятное количество энергии используется и преобразуется в энтропию даже в простой пищевой цепочке, включающей в себя траву, кузнечиков, лягушек, форель и людей. По его подсчетам, «для поддержания жизни одного человека в течение года нужно три сотни форелей. В свою очередь, эти форели должны съесть 90 000 лягушек, лягушки — 27 млн кузнечиков, а кузнечики — 1000 т травы» [10].

Теперь посмотрим на термодинамические последствия преобразования природных ресурсов в продукты питания человека в сложной индустриальной цивилизации и на то, как это отразится на наших представлениях о богатстве народов. Возьмем энергию, которая уходит на один бифштекс.

1. Для получения 0,5 кг мяса требуется 4 кг кормового зерна [11]. Это означает, что только 11% корма идет на образование самого мяса, а остальное сжигается для подпитки энергией процесса преобразования, для поддержания нормального функционирования тела и формирования тех его частей, которые не идут в пищу, например костей и шерсти. Мы стенаем по поводу энергетической неэффективности пожирающих бензин автомобилей, а энергетическая неэффективность мясной диеты намного выше! Франсес Мур Лаппе в своей книге «Диета для маленькой планеты» (Diet for a Small Planet) подчеркивает, что один акр земли, используемый для выращивания зерновых культур, дает в пять раз больше протеина, чем акр, используемый для животноводства [12]. Бобовые культуры дают в 10 раз больше протеина, а листовые овощи — в 15 раз больше протеина на акр, чем производство говядины. Почти треть зерна, выращиваемого сегодня в мире, — это кормовое зерно, предназначенное для животных, а не продовольственное зерно для непосредственного употребления в пищу. Поэтому если небольшая часть самых богатых потребителей роскошествует на вершине пищевой цепочки, то сотни миллионов других людей стоят перед лицом недоедания, голода и гибели [13].

2. При выращивании кормового зерна фермерам приходится использовать в больших количествах химические удобрения, пестициды и гербициды, для производства которых требуется ископаемое топливо. Кроме того, ископаемое топливо расходуется и на приведение в действие сельскохозяйственной техники. Для транспортировки зерна к гигантским механизированным откормочным площадкам, где его потребляет скот, необходимы грузовики, поезда и корабли, также работающие на ископаемом топливе.

3. На откормочной площадке животным скармливают кучу фармацевтических продуктов, включая стимуляторы роста, пищевые добавки и антибиотики, производство которых опять требует энергии. Скот на откормочной площадке располагается очень скученно — число голов может доходить до 50 000 — и заражается паразитами, которые разносят такие болезни, как острый конъюнктивит и инфекционный ринотрахеит [14]. Для профилактики этих болезней площадки обрабатывают высокотоксичными инсектицидами, получаемыми с использованием ископаемого топлива.

4. Откормленный скот часами, а иногда сутками везут в фургонах по федеральным автотрассам на бойни, опять сжигая ископаемое топливо.

5. На бойне животных гонят гуськом в убойный зал, где их оглушают пневматическим пистолетом. Рабочий накидывает цепь на заднюю ногу упавшего животного, после чего его поднимают и транспортируют вниз головой в другой зал, где животному перерезают горло и выпускают кровь.

6. Тушу забитого животного подают на электрифицированную линию разделки, где автомат снимает с нее шкуру и удаляет внутренние органы.

7. Электрические пилы разрезают тушу на такие части, как шея, край, грудинка и филей.

8. Разрезанные части сбрасывают на ленточный транспортер с электроприводом, где несколько десятков обвальщиков и укладчиков срезают и упаковывают в коробки конечный продукт.

9. Разделанную говядину в вакуумной упаковке развозят в грузовиках-рефрижераторах по супермаркетам страны.

10. В супермаркете куски говядины переупаковывают в пластик, изготовленный из ископаемого топлива, и выкладывают на охлаждаемые, ярко освещенные прилавки.

11. Покупатели едут на автомобилях в магазины, чтобы купить мясо. Они держат его в морозильных камерах или в холодильниках до того момента, когда оно будет приготовлено на газовой или электрической плите и съедено.

Энергия, которая добавляется в само мясо на каждом этапе процесса его производства, ничтожна по сравнению с энергией, затрачиваемой на выращивание кормов, откорм животных, транспортировку бычков на рынок, забой животных, упаковку разделанных частей туши и доставку их к пункту назначения — семейному столу.

И это только одна часть энергетической эпопеи. Другая ее часть — счет за энтропию. Разведение крупного рогатого и другого домашнего скота — вторая по значимости причина изменения климата после строительства. На него приходится 18% выбросов парниковых газов. Это больше, чем выбросы всего мирового транспорта. Хотя с домашним скотом, главным образом с крупным рогатым скотом, связано 9% выбросов углекислого газа, выделяющегося в результате экономической деятельности человека, разведение скота приводит к значительным выбросам еще более опасных парниковых газов. На домашний скот приходится 65% выбросов закиси азота, обусловленных деятельностью человека, а вклад закиси азота в глобальное потепление почти в 300 раз выше, чем вклад углекислого газа. Больше всего закиси азота выделяется из навоза. С домашним скотом также связано 37% выбросов антропогенного метана — газа, вклад которого в потепление климата на планете на 23% выше, чем вклад углекислого газа [15].

Наконец, эти 0,5 кг мяса существуют в виде бифштекса лишь временно, и после того, как их съедят, перевариваются и возвращаются в окружающую среду в форме использованной энергии или отходов жизнедеятельности.

Ну и как теперь понимать природу валового внутреннего продукта (ВВП)? Мы привыкли считать ВВП мерой богатства, которое страна создает каждый год. Однако с точки зрения термодинамики это скорее мера стоимости временной энергии, заключенной в товарах и услугах, которые произведены за счет уменьшения доступных запасов энергии и повышения энтропии. Поскольку даже товары и услуги, которые мы производим, в конечном счете становятся частью потока энтропии, при всех наших представлениях об экономическом прогрессе экономический гроссбух всегда будет закрываться с дефицитом. Иными словами, когда все возможное сказано и сделано, любая цивилизация неизменно заканчивает высасыванием большего количества упорядоченной энергии из окружающей среды, чем она создает, и обеднением Земли. С этой точки зрения валовой внутренний продукт правильнее называть валовым внутренним расходом, поскольку всякий раз при потреблении ресурсов часть их становится недоступной для будущего использования.

Несмотря на тот неопровержимый факт, что любая экономическая деятельность приводит к созданию только временной стоимости за счет истощения ресурсной базы, от которой она зависит, большинство экономистов даже не пытаются взглянуть на экономический процесс с точки зрения термодинамики. Философы эпохи Просвещения считали, по большому счету, что осуществление экономической деятельности — это линейный процесс, который неизменно ведет к неограниченному материальному прогрессу, если, конечно, рыночный механизм ничем не ограничивается, и «невидимая рука» может регулировать предложение и спрос. Французский философ и революционер эпохи Просвещения маркиз де Кондорсе выразил эйфорию новой эпохи прогресса такими словами:

Для развития способностей человека нет никаких границ… совершенство человека не имеет пределов… прогрессу совершенствования отныне не может помешать никакая сила, у него нет иного конца, кроме как конец существования того небесного тела, на котором волею Природы мы живем [16].

Опьяненные перспективой создания материального рога изобилия на земле, классические экономисты, за исключением Томаса Мальтуса, были едины в уверенности, что трудолюбие людей может привести к созданию утопического рая. Даже мысль о том, что ускорение экономического развития способно привести к деградации окружающей среды и мрачному будущему для еще не появившихся на свет поколений, никому не приходила в голову.

Поиск по сайту: