1.4　经济是什么：人工物的生产效率与消费

当人口数量达到一定的集聚密度时，就产生了经济。

人类处在食物链的顶端，既是物质和能量的顶级生产者，也是顶级消费者，因此，经济的问题便在于如何在物质和能量的规模生产和规模消费之间实现平衡与最优化。

生命的存在需要营养物质和能量。在生态意义上，这些营养物质是生物从环境中摄取的原子和分子，例如，氧原子、碳原子、氢原子、氮原子和磷原子，这些原子在食物链之间循环，而初始能量主要来自阳光。太阳中的核反应能量来到地球，其中约万分之三的能量被生物吸收，这些能量支撑了地球上所有生命的生存。这样，植物、藻类和光合细菌从非生物成分中获得碳、氮、氧、磷等元素，通过光合作用吸收太阳能，再将这些元素合成为单糖、淀粉、蛋白质、核酸等生物分子，实现从热能到化学键能的储存，成为初级消费者（消费太阳能）。初级消费者随之成为食草动物如蝗虫的食物，进入一级营养级。蝗虫由此成为一级消费者，但也进入二级营养级，被啄木鸟捕食。啄木鸟捕食蝗虫，成为二级消费者。接着啄木鸟成为鹰的食物，进入三级营养级。而鹰则成为三级消费者，并进入四级营养级，成为其他更高级别猎食者的食物。

根据热力学第二定律，能量是无法被完全利用的，这样，能量在每个营养级之间的转化都会伴随着能量的损失，相邻两个营养级之间能量转化的效率只有10%，这被称为“10%定律”。因此，1kcal热量的青草，只有100cal的能量储存到蝗虫体内，其中10cal的能量转移到啄木鸟体内，只有1cal的能量储存到鹰的体内。这样的能量传递耗损就构成了能量金字塔。所以，食肉动物群体储存的能量远远低于食草动物，其中一个体现就是数量上的巨大差异。同时，营养物质也发生逐级抬升的聚集趋势，使得金字塔上部的营养者具有更高质量的营养物质。

人类处于能量金字塔的顶端，长期受困于能量的制约，该限制导致人类早期不断地走出非洲，每到一处，最接近其消费级别的食肉动物便遭了殃。于是人类想出了各种办法。一种办法是给食物增加能量，由此发明了火。另外一种办法是消费降级，进入能量金字塔的底部，以植物的种子为食物，由此发明了农业，使得人类的人口规模迅速扩张。

工业社会是人类有意识、有知识地利用能源服务于自身生存条件改善的结果，煤炭、石油燃料、电力的大规模使用，是现代社会的特征。在利用能源的过程中，人们开始研究能源的使用效率，对能源从开采、运输、转化到应用的全过程研究，引发了蒸汽机、内燃机、铁路、汽车等交通工具的变革，促进了热力学、电磁学的发展，由此能量被纳入物理学中，并得到定量的测量。根据物质不灭和能量守恒的定律，科学家们开始寻找克服热力学第二定律的方法。同时，合成了氮肥、氨肥、磷肥等，为农作物提供精准的营养物质，从而极大地提高了粮食的产量。

根据能量金字塔，能量消费每降一个级别，对能量的利用效率就增加十倍。换句话说，对能量的需求完全可以通过科学地消费能量而得到事半功倍的效果。几十万年以来，人类生存需要的日均能量的增加是有限的，从最初的约600cal增加到现在的2200cal左右，再多的能量摄取只能引起肥胖等疾病，因此，这个自然增加量，与通过科学手段实现的增加量相比是微不足道的。

另外，人们还发明了各种“充电”方式，例如，各种功能性的高热量食品能迅速满足个人的能量需求。在营养物质制造方面，通过类似精准医疗的手段，人们已经发明了人工合成营养物质的方法。例如，各种各样的维生素和蛋白质，可直接满足人类的某种营养需求，而放弃低效的、消费动植物的方式。这样的效率提高更是惊人的，由于人类味觉、嗅觉、触觉和视觉的运行机制在分子级别上已经被充分解析，大量的人造肉、人造蛋白、合成蔬菜和水果等将会被源源不断地制造出来，更好地满足人类身体健康的需要，提供比自然物质更好看、更美味、更优质的食品。

从物理学的角度看，这个世界是“空”的，例如，每秒钟有几千亿个中微子穿过我们的身体。在原子中，大部分是空的空间。假如把氢原子放大成半径为1km的球体，原子核的半径仅有3cm大小。所以，无论家电、汽车、飞机，还是房屋建筑、植物、动物，本质上都是“空”的，利用原子、分子技术，能以极少的代价重新构造这些物品。同理，可以利用这种原理去“压缩”物质。例如，垃圾处理是令全球所有经济体头疼的事，人们通常采用焚烧、机械压缩等原始方式来处理、填埋垃圾。如果采用物理手段压缩，将垃圾还原为原子乃至亚原子，则全球堆积如山的垃圾可能会被压缩成为几立方米大小。

在过去的60年里，机械性能的提升总共约60%，而摩尔定律的年复利则达到50%，60年里计算力增长近四千万倍。这就是科技的经济体现，也是技术创新的价值。

所以，物理科技的力量作用于经济制造与经济消费，由此彻底解放人类的时间和精力，使之更多地投入到自由创造与享受生命历程的活动中去。