工业文明的痼疾_垃圾问题的热力学阐释及其推论

� � �主持人语 � 垃圾问以往被认为是枝节问题、技术问题、管理问题, 一直没有得到足够 的重视。人们也往往心存幻想,相信!垃圾是放错了地方的资源∀,期望未来的科学和技术能够 解决垃圾问题, 并使以往的垃圾变废为宝。但是, 这种幻想是不可能成立的。从物理学的角 度,这种幻想违背热力学第二定律;从历史的角度,技术水平固然随着时间的推移而提高,但是 垃圾问题并没有随着时间的推移而减缓。 以往对垃圾问题的研究大多是对垃圾进行一阶研究,比如如何处理某种垃圾,如何选择垃 圾场等技术性研究, 或者各国垃圾的政策对比研究等。而从哲学、历史、人类学等人文学科对 垃圾的研究则极为稀少。这一期我们就选择了两篇从人文学科立场讨论垃圾问题的文章。 一篇是我本人的文章。最迟从 2000年起, 我开始关注垃圾问题。这是一篇纲领性的文 章,将人类社会作为一个物理系统,借用热力学第二定律,论述在工业文明的总体结构下,垃圾 问题的必然性。文章对垃圾问题进行了宏观的论述, 也讨论了垃圾问题与全球化食物链的关 系。并指出:垃圾问题不是枝节问题,而是战略问题。 另一位是毛达的文章。毛达的导师梅雪芹教授是国内环境史领域的先行者之一, 对于垃 圾问题也长期关注。毛达曾经在美国休斯敦大学作为访问学生有过一年的学习和研究,专攻 美国的海洋垃圾问题。这篇是其博士学位论文的一部分。既有理论深度,又有丰富扎实 的史料。这些史料对于中国学者来说,几乎是全新的。 2009年是一个转折点, 在这一年,各种垃圾问题频频登上国内报纸的版面。从这一年开 始,垃圾将成为中国主流话语回避不开的话题。 人类将面临越来越严重的垃圾问题。垃圾问题也必然引起更多领域学者的关注。 工业文明的痼疾 # # # 垃圾问题的热力学阐释及其推论* 田 � 松 (北京师范大学 哲学与社会学学院,北京 100875) [摘 � 要] � 垃圾问题以往被认为是枝节问题、技术问题、管理问题,一直没有得到足够的重视。文 章从热力学定律出发对垃圾问题进行分析, 一个人,一个社区, 一个城市,都可以看做是类似热机的物理 系统。这种有序的具有某种功能的物理系统持续运行的前提是, 从外界输入低熵状态的能量和物质, 并 向外界输出高熵状态的能量和物质。后者就是这个物理系统的垃圾。根据热力学第二定律, 垃圾是系 统必然的产物。因而在工业文明的社会结构下,在地球有限的约束下, 技术进步不能解决垃圾问题, 反 而会使垃圾问题更加严重。垃圾问题将会超过能源问题,成为未来人类社会最严重的问题。人类解决 垃圾问题的唯一出路在于,走出工业文明, 寻找一个新的文明模式 # # # 生态文明。 [关键词] � 垃圾;热力学第二定律; 工业文明;生态文明 [中图分类号] X5� � [文献标识码] A � � [文章编号] 1000- 5110( 2010) 06- 0045- 11 � 2010年 11月第 42卷第 6期 云南师范大学学报 (哲学社会科学版) Nov. , 2010 V ol. 42 No. 6 � * [收稿日期] 2010- 05- 21 � � � [作者简介]田 � 松( 1965 # ) , 男,吉林四平人,北京师范大学副教授, 哲学博士,理学(科学史)博士, 研究方向为科 学哲学、科学思想史、科学人类学、科学传播等。 � � 在主流意识形态和大众话语中, 垃圾问题一 向被视为是枝节问题、技术问题、管理问题。如果 某个地方出现了垃圾问题,人们首先会觉得是管 理者失职。有一个比较普遍的乐观的说法,叫做 !垃圾是放错了地方的资源∀, 即相信垃圾问题是 工业社会的副产品, 可以随着技术的进步得到解 决,乃至于变废为宝。 2009年可以算作中国的垃圾年。在这一年 里,中国的垃圾问题全面爆发,垃圾围城、垃圾处 理场超负荷运转、垃圾填埋场提前退役、垃圾填埋 场的空气和地下水污染、垃圾焚烧场选址纠纷等 各种与垃圾相关的事件在全国范围内此起彼伏。 单是围绕垃圾焚烧厂,就有北京六里屯和阿苏卫、 上海江桥、南京天井洼、广州番禺和李坑的群众性 事件 ∃。如果把与液态垃圾和气态垃圾相关的事 件考虑进来,则事态更加严重。 本文将以热力学为基础, 讨论人类社会与垃 圾的关系;讨论工业文明的社会结构下,垃圾问题 的必然性。 一、垃圾的界定 中文!垃圾∀一词最迟到宋代已经成为日常话 语,其含义和用法与今无二。%新华字典&!垃圾∀ 词条的释义为: !废弃无用或肮脏破烂之物∀。其 中, !废弃∀是关键。废弃不等于无用,无用也不一 定被废弃。!废弃∀这个词里, 隐含着人的主观色 彩。!废弃的∀就是!不想要的∀。!垃圾∀这个词的 特殊性在于:它不具体指向任何东西,但是任何东 西都可能成为垃圾。一个土豆,放在菜板上, 不是 垃圾;扔到厨房的垃圾桶里, 马上就变成了垃圾; 一个无用的手机,一直在抽屉里放着, 不是垃圾; 扔到客厅的垃圾桶里,马上就变成了垃圾。因此, 可以对垃圾做一个非常简单的操作定义:所谓垃 圾,就是被扔到垃圾桶的东西 ∋。 当然, !废弃∀与!无用∀又存在关联。就我们 将要讨论的物理系统而言,被废弃的,是不能或者 难以被这个系统所利用的。!废弃∀, 是指被我们 界定的系统所废弃。在自然界中, 一种系统废弃 的物质(如粪便) , 可能会被另一个系统所需要。 对于我们所讨论的问题而言, !垃圾∀是被人类社 会所!废弃∀的东西。 二、热机与热力学第二定律 热力学是第一个直接从对技术的研究中产生 的自然科学分支。它最初的研究对象是蒸汽机 (热机)。蒸汽机是工业革命的首要动力,但是蒸 汽机的效率非常之低, 只有百分之几。提高蒸汽 机的效率是当时工程师所关注的重要课题。1824 年,法国工程师卡诺( Sadi Carno t, 1796― 1832 年)以热质说为基础,给出了后来热力学的全部基 本定律。 热力学虽然从研究热机出发, 结论却是普适 性的。无论什么样的物质系统, 都要遵从热力学 的基本规律。爱因斯坦对热力学钦佩有加, 他说: !一个理论,如果它的前提越简单, 而且能说明的 各种类型的问题越多,适用的范围越广,那么它给 人的印象就越深刻。因此,经典热力学给我留下 深刻的印象。经典热力学是具有普遍内容的唯一 的物理理论,我深信,在其基本概念适用的范围内 是绝不会被推翻的。∀ [ 1] 热力学有两个重要的基本定律,第一个定律 是人所熟知的能量守恒定律, 这个定律虽然不是 完全从热力学中产生出来的, 但被归到热力学名 下。在爱因斯坦的狭义相对论( 1905年)诞生之 后,由于著名的质能转换关系 E= mc2 , 这个定律 在理论上与另一个古老的化学定律 # # # 物质不灭 定律就合并成了一个, 可以叫做物质与能量转化 与守恒定律。物质不灭, 能量守恒。这个定律说, 物质和能量既不能凭空创生, 也不能凭空消失,只 能从一种形态转化成另一种形态, 并在转化的过 程中,保持总量不变。这个定律无需过多阐释。 相对而言,热力学第二定律不大容易理解。 为了研究热机的效率问题, 卡诺设想了一种 理想的热机(后人称其为卡诺机) , 它以理想气体 为工作物质, 在两个热源之间,通过卡诺循环,对 (46( 云南师范大学学报(哲学社会科学版) 第 42 卷 �� ∃ ∋ 参考了北京师范大学历史学院博士候选人毛达的归纳, 特此致谢。 关于这个定义,我将在另外一篇关于垃圾的现象学分析中,另加讨论。 外做功。[ 2] 图 1� 热机示意图 图 2� 卡诺循环示意图 图 1左, T 1代表高温热源, T 2代表低温热 源。热机在两个热源之间工作;图 1右是热机的 示意图。图 2是卡诺循环的示意图。卡诺循环大 致如下: 1,等温膨胀: 热机先接触高温热源 T 1 , 吸收 热量 Q 1 , 工作气体达到温度 T 1 , 等温膨胀, 推动 活塞对外做功W1 ; 2,绝热膨胀:热机离开高温热源,在绝热状态 下膨胀, 对外做功 W2 , 热机工作物质的温度降 到 T 2 . 3,等温压缩: 热机接触低温热源 T 2 , 向低温 热源释放热量 Q 2 , 外界对活塞做功 W3。 4,绝热压缩:热机离开低温热源,在绝热状态 下,外界对活塞做功 W4 , 压缩工作气体, 使之升 温至 T 1 ,活塞回到原来位置。 在这个循环中, 热机对外界所做净功为 W= W1+ W2 - W3- W4。由于能量守恒, 热机对外所 做的功等于它从高温热源获取的热量 Q 1 , 减去它 传递给低温热源的热量 Q 2 , 即 W= Q 1 - Q 2。热 机的效率 �= W/ Q 1= 1- Q2 / Q 1。 卡诺证明, 卡诺热机的效率 �= 1- Q 2 / Q 1 = 1- T 2 / T 1 ,只与两个热源的温度有关, 与热机工 作物质的属性没有关系。因而提高热机效率的关 键在于提高 T 1 , 或者减少 T 2。 卡诺循环是一种理想的状态, 如果卡诺循环 的每一个步骤都无限缓慢、无限均匀,卡诺循环是 可逆的。卡诺证明, 可逆热机效率是最高的,并且 所有可逆热机的效率都相同。而现实中的任何热 机都不可能是可逆的。因而,现实中的任何热机 的效率都低于卡诺热机。可逆与不可逆,是引申 出热力学第二定律的关键。 卡诺去世后, 克劳修斯 ( Rudolph Clausius, 1822 - 1888 ) 和开尔文 ( Lord Kelvin 1824 - 1907)分别对卡诺总结出来的规律进行研究和阐 发,给出了热力学第二定律的两种表述方式: 克劳修斯的表述( 1850年) : 不可能把热量从 低温物体传到高温物体而不引起其他变化。热从 高温物体传到低温物体,这个过程是可以自发进 行的,比如热水和冷水隔着容器相遇, 热量传导, 最后成为温水。但是这个过程不可逆。一个盆里 的温水, 自发地一半变成冷水,一半变成热水,是 不可能的。 开尔文的表述( 1851年) : 不可能从单一热源 吸取热量, 使之完全转变为功, 而不产生其他影 响。以热机为例,只有高温热源 T 1没有低温热源 T 2是不可能的。热能够转化为功, 但是不可能完 全转化为功。就是说, 热机的效率不可能达到 100%。如果热机在没有低温热源的情况下也能 工作的话,就是一个永动机。让一个这样的热机, 从任何一个单一热源,比如海水中吸热,哪怕使海 水的温度降低一点点, 所释放的热量完全转化为 功,对于人类来说, 也是无穷的能量。然后, 由于 有热力学第一定律, 这些能量在使用之后,还是要 转化为热能,重新使海水升温。这样,人类就有了 取之不竭的能源。这种装置虽然不违反热力学第 一定律,但是违反热力学第二定律,故称为第二类 永动机。反过来,热力学第二定律也可以表述为: 第二类永动机不可能实现。 第一定律说的是物质和能量的守恒和转化, 第二定律说的是,物质和能量的转化是有方向的。 但是,哪些过程可以自发进行,哪些过程不能? 克劳修斯指出, 在热力学系统中,还有一个隐 藏很深的状态量,他为之命名为!熵∀ ( ent ropy)。 (47(� 第 6 期 田 � 松: � 工业文明的痼疾 # # # 垃圾问题的热力学阐释及其推论� 熵来自希腊语, 意为!转变∀。所谓状态量,是指描 述系统状态的量,比如体积、温度、内能,都是状态 量。系统的熵值也是标志系统状态的一个量。这 个量, 就与系统的!转变∀有关。它规定着系统自 发过程的方向。一个孤立系统(与外界既无物质 交换又无能量交换)能够自发地从低熵状态转变 到高熵状态,而不能自发地从低熵状态转变到高 熵状态。就好比说, 一个物体可以自动地从高处 落到低处,而不能自动地从低处升到高处。采用 熵这个概念,热力学第二定律就有了一个简单的 表述: 一个孤立系统的熵的变化大于或等于零。 如果系统的初始状态没有达到热平衡, 则系统会 自发地达到热平衡,这是一个熵增的过程。到达 热平衡之后, 系统的熵不再变化, 此后熵增为零。 所以,热力学第二定律也被称为熵增加原理。 !熵∀与!功∀有密切的关系。一个系统处于低 熵的状态,就有更强的对外做功的能力。系统对 外做功,熵增加,就失去了对外做功的能力。就如 一个物体在高处具有势能,具有对外做功的能力; 当它从高处落到低处,对外做功,也就失去了对外 做功的能力。所以里夫金对热力学第二定律有更 加通俗的解释: 能量总是从能用的, 变成不能 用的。[ 3] 熵增加原理是针对孤立系的, 对于非孤立系, 稍作变通,也可以使用。比如把系统放大,把系统 相关联的部分包括进来, 成为一个更大的系统;或 者对系统做一个明确的边界, 考虑进出边界的能 量流和熵流。 热力学第二定律可以对现实物理世界的很多 现象给予解释。比如,从冰箱里取出一块冰, 放在 手上,冰化成水,水又化成气, 从手掌中消失, 与此 同时,室内的温度略有降低,湿度略有增高。这个 过程是我们能够见到的, 是一个正常的过程, 一个 熵增的过程。但是相反的过程 # # # 伸出手掌, 掌 心慢慢变湿,凝结出一颗水珠,水珠越来越大,最 后变成一个冰块, 与此同时, 室内的温度略有增 高,湿度略有降低 # # # 虽然不违背热力学第一定 律,但是违背第二定律,所以这个过程不会发生。 在宏观上, 试图脱离卡诺循环, 脱离公式, 准 确地理解熵的概念, 是不容易的。1877 年, 玻尔 兹曼( Ludw ig Boltzmann, 1844- 1906)为熵找到 了微观的解释, 把熵定义为系统某一个宏观态的 微观可到达态的对数。[ 4]通俗一点儿,可以把熵理 解为系统混乱程度的量度。熵值越高, 系统越混 乱。一个由气体构成的系统,其宏观状态是一个 个分子的微观状态所决定的。不同的宏观状态, 对应的微观状态的数目是不一样的。某一宏观态 所对应的微观状态的数目越多, 该宏观态的熵越 大。微观状态数目越多,系统就有更高的几率呈 现出其所对应的宏观态,因而系统会自动地从微 观状态数目少的宏观态,变化到微观状态数目多 的宏观态,使得系统的熵增加。比如说,在桌子上 放一千个全同不可分辨的硬币,起初,可以让所有 的硬币国徽朝上,这时硬币系统的熵最低。随机 地持续地拨弄硬币, 有些硬币会被翻过来,也可能 再被翻过去。但是, 我们可以肯定,在足够长的时 间之后,国徽朝上和朝下的硬币数目会大体相同。 上下各一半的宏观状态,所对应的微观状态的数 目最多,系统熵最大。继续随机搅动硬币,再经过 同样长的时间之后, 可以预期,系统会一直处于这 个上下各一半的状态,熵达到极大,不再增加。但 是,不可能预期会有某个时刻,所有的硬币回到初 始状态,整整齐齐地亮出国徽。虽然理论上存在 这种几率,但是几率小到实际上不可能发生。硬 币数量越多,越不可能。 熵这个概念虽然最初是针对能量的, 但是采 用玻尔兹曼的微观解释之后, 也很容易从!物质∀ 的角度加以考虑。简而言之,物质在聚集的状态 下,熵低; 离散的状态下, 熵高。比方说,人从矿石 中提取硅,使硅由离散的状态变成聚集的状态,这 是一个熵减的过程, 为此, 人要对矿石做功,付出 能量,如果把整个矿山和加工厂作为一个大系统, 则大系统熵增;然后,把硅切割开来,放到一个个 电子零件中去, 硅由聚集态重新变成离散态, 熵 增。再比如,把一堆红豆和一堆黄豆作为一个系 统,当红豆和黄豆分别堆放时,熵低;把它们混在 一起,熵增加。 回过头来考虑热机这个系统, 它有如下特征: 1. 封闭系统:热机与外界有明确的边界, 与 外界没有物质交换, 但是有能量交换,从高温热源 吸收,向低温热源放热; 2. 周期系统:热机一涨一缩是一个循环, 每 经过一个循环,系统回到原来的状态。 3. 有序系统: 热机承担某种功能,对外做功。 (48( 云南师范大学学报(哲学社会科学版) 第 42 卷 �� 显然,热机这个系统的运行是建立在两个前 提之上,一是从系统之外(高温热源)吸收低熵状 态的热量,二是向系统之外(低温热源)排放高熵 状态的热量。二者缺一不可。对于热机这个有序 的周期系统而言,从高温热源获得的热量,是维持 系统运转的能量;而排向低温热源的热量,则是热 机自身所不需要的, 必须排除系统之外的 # # # 它 是热机的废热, 是热机的垃圾。 三、人体与城市作为物理系统 任何由物质构成的系统, 都可以看作是一个 物理系统。对于人类社会,也可以把它看作一个 物理系统,考察它的物质和能量的输入和输出以 及转化。 首先考虑一个相对简单的物理系统 # # # 人 体。与热机相对应, 人体这个系统有如下特征: 1. 开放系统: 人体需要从外界吸收物质和能 量,也需要排放物质和能量。这就是新陈代谢。 人需要食物、水、空气, 也需要阳光。食物不仅要 提供人体所需要的物质,还要提供人体活动所需 要的能量。同时,人还需要排泄,把人体内不再需 要的物质和能量排到体外, 比如粪便、呼出的气 体、汗水等。人作为恒温动物,要保持相对稳定的 温度,也常常需要散热。出汗主要是为了散热,而 不是排水。 2. 准周期性系统:人体作为一个物理系统, 存在几个周期。一是自身的周期, 比如肺部一呼 一吸是一个周期,心脏一收一放是一个周期; 二是 响应外部世界的周期,比如昼夜、四季、晦朔, 分别 对应着地球的自传、公转和月球绕地球的转动周 期。为了说明问题, 我们只考虑自身的周期, 比如 呼吸。人体这个系统在一呼一吸之后, 并没有回 到系统此前的状态, 而是处在与原来相似的状态。 如果系统完全回到原来的状态, 人就不会变老。 所以人体的周期性是准周期。但是, 如果不回到 与原来状态相似的状态, 则系统就谈不上周期性, 那样的话,一个人在一呼一吸之后,就不再是原来 的人。每个人独特的个体属性将不存在。 3. 有序系统:系统具有结构的稳定性, 也具 有功能,这是系统准周期性的必然结果。一个人 从小到大,生老病死,构成其身体的物质可能已经 更换了很多遍, 但是这个人一直被认为是同一个 人。系统的结构比构成系统的物质更加重要。系 统的物质的变化是逐渐的,缓慢的,也是因为系统 的准周期性,每一个周期之后,系统没有回到原来 的状态,也没有偏离原来的状态太远。 # # # 如果 不仅仅把人体作为物理系统, 还作为一个有智慧 的生命,这一条是最重要的。 4. 系统与外部世界存在相对明确的边界,同 时,又能够与外界有物质和能量的交流。非此不 足以完成新陈代谢。但是内外的边界也不是截然 两分的。比如皮肤上有毛孔, 肺泡是分形结构,在 这些地方,内与外是搅在一起的。 显然,人体这个系统与热机的差别在于: 1. 理想热机不是准周期, 而是精确周期。系 统每循环一周,就回到原来的状态。但是,现实热 机同样是准周期性的。因为热机内部必然有摩 擦,系统也会有劳损,最终机器老化,不能运转,相 当于人的死亡。 2. 人体这个系统与外界不仅有能量交换,还 有物质交换。人体获得外界的能量, 主要表现为 物质形态 # # # 贮存在食物之中。同样,人体向系 统外排放的不仅有废弃的热量,还有废弃的物质。 与热机类似, 人体这个系统维持运行的前提 是:第一,有低熵状态的物质和能量输入体内;第 二,有高熵状态的物质和能量排出体外。这些被 排除体外的高熵状态的物质和能量, 不能再进入 人体的物质和能量循环, 就是人体这个系统的 垃圾。 城市虽然复杂,仍然可以作为物理系统加以 讨论。先设定城市的边界。城市的边界不是绝对 的。比如北京,可以以四环为城市的边界,也可以 以五环、六环为城市的边界。设定了边界之后,就 把边界内视为系统内部, 边界外视为系统外部。 城市这个系统与人体大致可以对应: 1. 开放系统: 城市与外界也存在新陈代谢。 城市需要从外界获得物质和能量, 也需要向外排 放废弃的物质和能量。进入城市的物质和能量包 括电:天然气、清水、粮食、蔬菜))这些是维系城 市日常运行的物质和能量;钢铁、石油、煤炭、建筑 材料))这些材料使得城市的肌体如同人体一样 逐日生长))排出城市这个系统的废弃的物质包 括:生活垃圾、工业垃圾、建筑垃圾(通过垃圾车运 出)和污水(通过污水管道排出)、废气(直接通过 烟囱进入大气) ,还有废热(也直接进入空气之中, (49(� 第 6 期 田 � 松: � 工业文明的痼疾 # # # 垃圾问题的热力学阐释及其推论� 提高街道的温度,使城市出现热岛效应)。 2. 准周期系统:城市这个系统过于复杂, 其 中涉及的周期比较多, 但是仍然存在物质和能量 转化的周期。尽管城市自身试图免除自然周期的 干扰,但是至少昼夜和四季的周期都是存在的。 3. 有序系统: 系统具有结构的稳定性和独特 性,承担复杂的功能。如果不把城市仅仅作为物 理系统,而是作为人类社会的物理空间,则这一条 是最为重要的。 4. 城市与外界只有相对的边界。城市自身 在膨胀,使得城市的边界逐渐向外移动。但是,作 为物理系统而言, 尤其是就本文所要考虑的垃圾 问题而言,这个边界的设定是相对宽松的。理论 上,可以把一个居民小区的院墙作为系统的边界, 考虑进出这个边界物质和能量 # # # 进入这个小区 主要是清水、电、天然气、粮食、蔬菜、家用电器、日 用百货 ))排出这个小区的主要是垃圾、污 水)) 与热机和人体类似, 城市这个系统运行的前 提是,从外界获取低熵状态的物质和能量,并向外 界释放高熵状态的物质和能量。释放出去的物质 和能量,就是这个系统不需要的,是被这个系统排 出边界之外的, 是被这个系统废弃的。这些部分, 就是垃圾。 这里,我们需要对垃圾做广义的理解。从热 力学的角度,把垃圾定义为系统排出边界之外的 高熵状态的物质和能量, 则垃圾包括: 固态垃圾 (通常所说的垃圾)、气态垃圾 (废气)、液态垃圾 (废水)以及耗散热。前三者是物质形态的垃圾, 第四个是能量形态的垃圾。在人体和城市系统 中,耗散热常常依附于某种物质被排放出去。 考察一个城市边界所进出的物质和能量状 态,可以对这个城市的状态做出判断。对于一个 有序的城市,一个繁荣的城市,进入边界的物质和 能量的熵值,必然远远低于送出物质和能量的熵 值。反过来,如果进入某个城市系统边界物质和 能量的熵值高于排出边界的物质和能量的熵值, 这个城市的功能便无法实现, 必然处于萧条、颓 废、混乱的状态。 四、垃圾与工业文明 垃圾问题是工业社会之后才成为问题的。 在传统社会, 人是本地生态的一部分。人体 系统的废弃物,可以进入周边环境,被土地、植物、 动物、微生物所利用。所以,人体的废弃物不构成 垃圾。 人类社会也会产生废弃物,比如废弃的房屋、 陶器、吃不掉的骨头,等等。人类会把这些废弃物 送到人类社会这个系统(比如一个村落)之外。从 考古遗址中发现, 古代社会就有对垃圾埋放地点 的规划。[ 5] 但是, 第一, 由于垃圾的数量有限; 第 二,由于人类的活动范围有限,总能在远离人类社 会的地方(系统之外)埋放垃圾。所以传统社会的 垃圾没有成为问题, 更不会出现今天这样普遍这 样严重的问题。 与传统社会相比,工业社会的垃圾有两点重 大的变化。一是量的变化,工业社会产生的垃圾 在迅速增多, 几乎按指数率增加。人口在急剧增 加,每一个个人产生的垃圾总量也在急剧增加;二 是质的变化,传统社会产生的垃圾,其中所包含的 物质都是大自然自身在演化中形成的, 来于自然, 也能回到自然。而工业社会的垃圾, 尤其是在化 学工业进入人的基本生活之后, 有越来越多的物 质是人造的,是大自然自身历史中从来没有过的。 它们不是也不可能成为大自然自身生态系统的一 部分,从而导致了严重的污染问题、环境问题,进 而导致生态问题。 与此同时,人类进入了有限地球时代。人类 活动遍布全球。任何一个人类社会, 想要找到一 个没有人类活动的另一个地区作为其下游,作为 其排放垃圾的场所,都很难做到了。而当人类不 得不把垃圾埋在人类社会内部, 则必然使得垃圾 问题成为社会问题。总是有一部分人或地区,利 用自己的政治优势和经济优势, 把自己的垃圾送 到另外的地方去, 使一部分人不得不接受它的 垃圾。 1987年春天))一艘装满垃圾的驳船在纽 约港和墨西哥湾之间寻找垃圾场: 经过五十天的 海上航行和被六个州拒绝驶入港口卸船后,又漂 回了出发的港口。[ 6] 这件事儿耐人寻味。人都想把自己的垃圾送 到自己的小系统之外, 但是没有人愿意接受别人 的垃圾。 垃圾被排放到系统之外, 人类可以视而不见。 但是如今,垃圾就放在自家的眼前,人们已经不得 (50( 云南师范大学学报(哲学社会科学版) 第 42 卷 �� 不正视它。 在工业文明的体系下, 垃圾问题的出现是必 然的。 与传统社会相比, 工业文明有两个重大的改 变。其一改变了理想社会的方向, 传统社会追求 的是个人精神境界的提升、人与人之间的和谐,而 现代社会则追求对物质世界的控制, 追求更高的 经济指标。比如小康社会,最重要的指标是人均 GDP 多少美元。其二,改变了物质和能量的转化 方式,从传统社会来于尘土归于尘土的准循环,变 成了从自然到垃圾的开放链条。 这两个方面的改变是相互关联的。在传统社 会,对于物质财富的追求有着道德和法律的双重 限制。在现代社会中, 对物质的追求是一切经济 发展的基础。几乎每个国家都把经济发展作为头 等大事。而所有的经济活动, 都建立在从自然到 垃圾的物质和能量转化链条之上。关于现代性、 工业文明与物质主义、消费主义、物欲的释放之间 的关联,学者的讨论非常之多, [ 7] 这里不做详细 讨论。 下面以矿泉水为例, 讨论工业文明中一切商 品的经济链条与物质和能量转化链条。[ 8] 为什么我们可以在都市的街头喝一瓶来自深 山的矿泉水? 首先是因为,我们买得到,并且买得 起。比如,根据农夫山泉的商标,其部分瓶中水来 自长白山错草泉。这意味着, 农夫山泉要在错草 泉附近建一个灌装厂,把泉水装到瓶子里,通过全 球化的经济网络,送到都市街头每一个小卖部中。 然而,这些水在错草泉自身的生态系统中本来是 承担生态功能的。这些水离开错草泉, 那里生活 着的植物、动物和人,就失去了这些水。所以, 我 们都市的街头喝一瓶矿泉水, 就对水源处的生态 构成了伤害。而农夫山泉注定不会给以足够的补 偿费,否则我们就买不起。这是与矿泉水相关的 经济链条的前半截。 其次,要扔得出,扔得起。我们可以把矿泉水 的瓶子,随手扔到街头的任何一个垃圾筒里。这 是一个常常被我们忽视的条件。这意味着,城市 要凭借其政治优势和经济优势, 在郊外获取大量 的土地,专门放置城市的垃圾。垃圾场处原本的 生态系统将被摧毁。所以,我们在都市的街头喝 一瓶矿泉水,又对垃圾场处本来的生态构成了伤 害。这是与矿泉水相关的经济链条的后半截。 后半截和前半截同样重要, 甚至更重要。与 前面考虑的热机系统相对比, 就会更加简明:城市 的垃圾场相当于热机的低温热源, 它的存在,是城 市这个系统有序运行的前提。 矿泉水的经济链条, 也是其物质和能量的转 化链条。 矿泉水是一个象征, 我们可以用它来象征工 业文明里的一切事物。手机、电视、电脑;护肤品、 洗涤液、沐浴液;天桥、铁路、隔离墩))所以这一 切,当我们追溯它们的来源,总是追到这样几项内 容:森林、矿藏(包括煤和石油)、天然水体 # # # 低 熵状态的物质和能量;再跟踪它们的去处,则必然 是垃圾:固态的、液态的、气态的,以及耗散热 # # # 高熵状态的物质和能量。所以, 现代城市如同一 个热机,把自然之物转化成垃圾。按照以往惯常 的说法, 社会发展程度越高, 城市热机功率越大, 转得越快。 所谓拉动内需, 激活经济,实际上是刺激人们 的物欲。科学及其技术不断发明新鲜的东西,改 变我们的生活。比如手机,短短几十年,变成了人 所必有的日常用品, 又不断集成着各种新的功能。 手机的每一轮更新, 都会激发物质和能量的转化 链条,要开矿, 用电, 耗费清水, 而在手机退役之 后,还将变成难以处理的电子垃圾。 在工业文明的体制下, 我们的经济链条同时 也是从大自然的森林、矿藏、天然水体到垃圾的物 质和能量转化链条。所以,垃圾问题是内在于工 业文明的。 五、垃圾处理只是垃圾转移 !垃圾处理∀这种说法常常给人一种幻觉,以 为垃圾是可以处理的。但是, 归根结底,我们现在 采用的各种垃圾处理方式, 都只是垃圾转移。即 把垃圾输送到系统之外。垃圾问题之所以成为问 题,乃在于人们忽然发现,人类无法把垃圾送到人 类社会之外。 下面分别阐释各种形态的垃圾的去向: 1. 耗散热 热是一切能量转化之后的最终形态, 所以耗 散热这种形态的垃圾根本上是无法处理的。我们 当下的工业文明是建立在大量的化石燃料之上 的。石油、煤炭相当于远古的太阳能,这些能量的 (51(� 第 6 期 田 � 松: � 工业文明的痼疾 # # # 垃圾问题的热力学阐释及其推论� 使用最终将会变成热能。从而提高地球的温度。 从这个角度看, 全球变暖是能量垃圾的一个自然 的结果。地球面临着严重的散热问题。[ 9] 从太空看, 地球相当于一个黑体,它不能通过 热传导与对流向外散热, 只能通过热辐射。然而, 热辐射的功率只与温度的四次方成正比。所以要 提高散热能力,必须提高地球的温度。这就构成 了一个悖论。 如果把地球当作一个系统, 地球系统与热机 仍有类似之处。这个系统与外界有能量交换,但 是几乎没有物质交换。地球从太阳吸收低熵状态 的能量, 并把高熵状态的能量辐射到太空中去。 太阳相当于地球的高温热源, 宇宙背景(温度为 3K)相当于低温热源。来自太阳的能量一部分在 地球大气层直接反射出去,一部分进入大气层内, 是地表生物圈的最大最稳定的能量来源,这部分 热量一部分被植物吸收, 贮存起来。此外的能量 则最终变成热能,以热辐射的方式辐射出去。辐 射的功率与地球黑体温度的四次方成正比。在地 球各项条件都保持不变的情况下, 人类大量燃烧 石油与煤炭, 会使地球黑体的平衡温度提高。[ 10] 这表现为全球变暖。如果将来核能大量释放出 来,会使这个温度进一步提高。 传统社会, 人类的消耗不超过一个太阳所能 供给的低熵状态的能源,就使得人类的生存成为 地球生物圈的一部分,也成为本地生态的一部分, 自然不会产生生态问题和环境问题。 2. 气态垃圾 废气以往都是用大烟囱直接排放到大气之 中,导致酸雨等全球问题。废气处理的主要原则 是无害化和减量化。针对一些被认为有害的气 体,吸附一部分, 燃烧一部分。比如,使待处理气 体通过某种液体或者固体吸附物(如活性炭) , 使 得一部分!有害气体∀被吸附。其余的部分,仍然 只能是排放到大气之中。即使不考虑所谓的有害 气体,人类实际上已经改变了大气的组分! 这对 于整个生物圈都必然造成重大的影响。 3. 液态垃圾 液态垃圾的处理最能说明所谓的!处理∀。通 常,我们生活的废水会通过复杂的管道,输出城市 之外。以往是直接排入自然江河。现在则是进入 污水处理厂。少有人知的是,处理后的废水还是 要排放到自然江河中去,而达标排放的废水比天 然河流中最脏的劣五类水还要脏。所谓废水处 理,最后还要是依靠自然江河的稀释能力。[ 11] 现 代垃圾与日俱增, 天然江河的自净能力 ∃已经被 人类排出的液态垃圾耗尽。但是, 每天依然大量 的城市污水进入到自然江河。! 2005年 3 月, 水 利部公开承认中国 70%以上的水体已经遭到污 染∀ [ 12] 4. 固态垃圾 相对而言,固体垃圾的处理是最容易操作的。 大体有如下方式:分类、回收、焚烧、填埋。分类是 回收以及焚烧的前提。 回收固然能够使一部分被丢弃的东西重新利 用, 使垃圾问题有所缓解, 但是其作用是有限的。 比如矿泉水瓶可以回收, 再生。但是, 第一, 回收 的比例非常低;第二,回收塑料瓶不能再用来装矿 泉水,只能用来再生低一级的塑料, 并且, 再生的 次数是有限的,最终还是要变成垃圾; 其三,在塑 料瓶回收再生的过程中,依然要用电, 用清水,产 生污染。一切物质的回收和再生都不例外。 回收不可能做到百分之百, 这是热力学第二 定律的限制。虽然按照热力学第一定律,物质不 灭,我们可以把垃圾中的物质重新清理,比如把所 有手机中的硅重新提取出来, 重新使用,但是,由 于垃圾的物质是处于高熵的状态, 是离散态,要使 之聚合起来, 就要对它做功。综合起来是得不偿 失的。 焚烧把固态垃圾的一部分变成了气态垃圾, 气态垃圾直接进入大气层,其环境和生态后果,由 全人类承担。 固态垃圾的最终处理方式, 只能是填埋。目 前主要的填埋方式是这样的: 选定一个垃圾场,尽 可能地深挖,以使垃圾场有最大的容量,在底部铺 上隔离膜,防止垃圾渗透到地下水中。然后将垃 圾倾倒在填埋场中。当垃圾填满之后, 把顶部用 隔离膜封住。 (52( 云南师范大学学报(哲学社会科学版) 第 42 卷 �� ∃ 自净能力,意指在太阳光和河流微生物的作用下, 液态垃圾经过一段时间之后, 能够被分解。但是在我看来, 这 是一个可疑的概念。 固态垃圾处理目前存在几个问题: 第一,垃圾液渗透,导致地下水污染。因为隔 离膜不是绝对牢固的。 第二,难以控制的化学反应。垃圾中的物质 构成极为复杂, 压在一起之后,产生高压、高温,以 及难以预料的化学反应, 导致一些不可控的事件, 比如垃圾爆炸, 空气污染等。此外,还有一些潜在 的未知的危险。垃圾之中可能产生的化学反应, 人类在实验室里只能模拟很少一部分。 第三,占用土地。即使垃圾填埋达到理想的 状态,比如把垃圾填进钢筋混凝土打造的垃圾棺 材中, 不产生任何意外, 仍然是需要占地的。[ 13]但 国土的面积是有限的。一个地方安放了一个垃圾 棺材,就不能安放第二个。而我们的社会还在!进 步∀, 我们的!生活水平∀还在提高, 我们将会更多 更快地生产垃圾。最后的结果必然是, 垃圾所占 的国土越来越多,地球上铺满人类的垃圾。未来 的世界是垃圾作的。[ 14] 垃圾问题与污染问题其实是一致的。如里夫 金所说: !熵的增加意味着有效能量的减少。每当 自然界发生任何事情, 一定的能量就被转化成了 不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的 能量构成了我们所说的污染。∀!许多人以为污染 是生产的副产品, 但实际上它只是世界上转化成 无效能量的全部有效能量的总和。∀ [ 15] 有人把希望寄托到未来, 相信!垃圾是放错了 地方的资源∀,幻想未来的某种技术会使现在的垃 圾变废为宝,重新成为资源。然而,这在根本上是 违背热力学第二定律的。可能某些技术的使用会 使某一两种垃圾处理得到解决,但是,如果考虑这 种技术本身在运转过程中所耗费的能源和资源, 以及由它所造成的污染, 必然是得不偿失的。 关于技术与垃圾的关系, 历史依据可以给我 们提供一种更简明的判断方式: 今天的技术水平 比 20年前要高得多, 但是垃圾问题却比 20年前 更加严重,而不是比 20年前轻;同样,再过 20年, 技术水平将比今天高得多,所以垃圾问题,只会比 今天更严重,而不是比今天轻。 六、垃圾与全球化的食物链 热机的原理还可以进一步推广。 如前所述, 一个有序的系统, 为了维持其有 序,必须: 1. 从外界吸收低熵状态的物质和能量; 2. 把高熵状态的物质和能量丢弃到外界去。同 样,所有现代化国家和地区,它们的现代化也有两 个前提: 1. 从全球非现代化和次现代化国家和地 区获得能源和资源; 2. 把垃圾送到那些地方去。 简而言之,一个地区要发展,就必须有自己的 下游, 为自己提供能源和资源, 并接受自己的垃 圾。在全世界范围看,欧美、日本等第一世界、第 二世界国家是上游,第三世界国家是下游。在中 国内部,东部地区是上游,西部地区是下游。在都 市周围,城市核心区是上游,郊区是下游。 传统地区加入现代化,只能下游进入,这就意 味着, 为上游提供能源和资源, 并接受上游的垃 圾。有的地方挖山、砍林,在短期内也能够!发展∀ 起来,享受以手机、电视、汽车等现代产品为标志 的现代化的生活,但是等到资源枯竭, 垃圾遍地, 这种好日子便无以为继。来自上游的资本将会离 开这块地方,去寻找新的下游。而这里,想要回到 当初传统的落后的生活, 也不再可能了。这种所 谓的发展,相当于卖血、卖肾。 广东贵屿是垃圾全球化的一个极端的表现形 态。[ 16]贵屿的支柱产业是处理来自美国、日本、欧 洲、韩国的电子垃圾。成千上万大大小小的作坊, 从电子垃圾中提取一些可重新使用的物质(比如 铜、金等贵重金属) ,代价则是本地的环境。地下 水严重污染、空气严重污染、土地里充满着毒素, 草不能生,虫不能活,人怪病频生。 红豆杉事件 [ 17] 也是全球化食物链的一种表 现形态。1992 年, 美国发明一项专利, 利用红豆 杉树皮中提取的紫杉醇制造治疗乳腺癌、卵巢癌 的特效药。次年,云南汉德公司成立,建立了提取 紫杉醇的生产线。1992 年到 2001年间, 滇西北 有三百万红豆杉惨遭剥皮。在红豆杉的经济链条 中, 剥皮的农民卖树皮给小贩,小贩卖给小公司, 小公司最后卖给汉德公司,汉德公司提取紫杉醇 卖给北美的制药厂, 表面上看,每一个环节都盈利 了,都对经济发展作出了贡献。但是,红豆杉被剥 皮的生态后果, 首先是由云南本地来承担。距离 这个链条越远,盈利最少的环节,受到其生态影响 越小。 泸沽湖的垃圾则是另一种形态。 人们幻想能够存在一种两全其美的方式, 不 用挖山、不用砍林,也能发展。生态旅游就被认为 (53(� 第 6 期 田 � 松: � 工业文明的痼疾 # # # 垃圾问题的热力学阐释及其推论� 是这种的发展方式。但是,生态旅游存在着天然 的悖论。表面上看起来,游客为自然风光和风土 人情所吸引,使当地经济得以发展。然而,发展的 目的是提高生活水平,过现代化的生活,那种用手 机、看电视、骑摩托车, 用洗衣粉、洗涤灵的生 活 # # # 人们享受了现代化生活的便利和舒适, 与 此同时,现代化的垃圾随之而入。 2000年我在泸沽湖一带做田野调查, 意识到 当地已经有相对严重的垃圾问题。2004年,在人 类学摄影家画儿的帮助下, 问题得到了证实。在 落水村村外几公里的公路旁边的一道山沟里, 百 米长的山坡上铺满了垃圾,雨水冲洗之下,污水直 接进湖。[ 18]泸沽湖一带没有任何工业, 但是也已 经有了工业文明的垃圾。固体垃圾不得不放在自 己的山里, 洗涤液、农药、化肥, 这些人造的东西, 是泸沽湖的有史以来从未接触过的, 使得湖水 变浑。 在泸沽湖周边, 没有任何一座工厂,但是泸沽 湖有了工业文明的垃圾。它的根源不在于地方政 府的监管不力, 治理不力,这是传统地区追求现代 化生活的必然结果。有效的治理与监管只能使垃 圾问题有所缓解,而不可能消灭垃圾问题。 泸沽湖自身已经处于整个全球化的下游, 它 只能把垃圾放在自己的山里。这导致泸沽湖一带 发生分化,一部分成为下游中的上游,一部分成为 下游的下游。垃圾自然是送到下游的下游。2008 年, 我再次前往泸沽湖调研, 见到了当地政府于 2006年在泸沽湖北侧的山谷中修建的一座现代 化垃圾填满场。白色的垃圾场明晃晃地贴在青山 之间,如同一块巨大的瘌痢。它的寿命是 20 年。按照计划, 这些垃圾将在 20年后被永远地埋 在山谷之中。然而, 即使不发生垃圾泄漏,不发生 渗透液污染地下水的! 事故∀, 这样的生活也是不 可持续的。因为山谷是有限的。 垃圾问题, 内在于工业文明,内在于现代化的 生活。 七、垃圾问题的解决需要一种新的文明模式 在工业文明内部,垃圾问题是无法解决的。 当下的主流意识形态和大众话语对能源格外 重视,仿佛只要有足够的能源,就可以解决一切问 题,包括垃圾问题。每个国家都把能源问题作为 国家头等战略, 寻找新的能源贮藏地,开发新的能 源种类。然而,根据热力学第二定律,能源问题的 解决将会使垃圾问题更加严重! 因为能源开发出 来,总是要用的。假设将来常温可控核聚变的技 术被发明出来, 人类将拥有无穷的能源! 无穷的 能源使工业文明的热机运转得无穷地快,便将会 以无穷快的速度,把森林、矿藏和天然水体变成垃 圾! 所以能源问题的解决将不会是人类的福音, 而是人类的灾难。[ 20] 清洁能源同样不能解决垃圾问题。事情上, 清洁能源在理论上存在根本性的问题。以往被认 为是清洁的能源, 都逐渐发现了生态问题。[ 19] 在 我看来,清洁与否不在于我们使用哪一种类型的 能源,而在于使用多少。!一个太阳∀是人类使用 能源的上限,超过了这个上限,任何类型的能源都 不会是清洁的。 人类只有一个地球,这个口号人所共知。以 往的阐释是, 资源有限, 能源有限,所以要精打细 算,才能可持续发展。但是,这个阐释只关注了物 质与能量转化链条的前半截, 是不完整的。考虑 到后半截,则需要加上一句:有限的不仅是能源和 资源,还包括容纳垃圾的能力。 由于地球有限, 垃圾问题将会超过能源问题, 成为未来社会最严重的问题。因而垃圾问题不是 枝节问题,而是战略问题。甚至未来的战争也将 不是去把能源和资源抢回来, 而是把垃圾送出去。 在某种意义上,京都议定和哥本哈根会议,都是 对于气体垃圾排放的全球性博弈。 垃圾问题是工业文明的内在问题。在工业文 明的框架内部, 垃圾问题是无法解决的。人类必 须寻找一种新的文明形态 # # # 生态文明。一种基 于!一个太阳∀的,与自然和谐的文明形态。生态 文明不是通过对工业文明的修修补补能够达到 的。要建设生态文明, 我们需要对工业文明进行 彻底的批判,需要从传统文化中汲取滋养。 [ � 参 � 考 � 文 � 献 � ] [ 1] � C. 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In the perspective of thermodynamical law s and regarding an individual, a community or a city as a physical system like a thermomo to r, the paper discusses garbage problems. The operat ion precondit ion o f this stable physical system is the input of ener gy and material in a low entropy state f rom the outside and the output o f ener gy and material in a high entropy state. The lat� ter is the garbage of this system. Accor ding to the second law o f thermodynamics, g arbage is the inev� itable product of a system. In the society o f indust rial civilizat ion and the unsuccessful restr aints of the earth, technical progr ess can not solve gar bage problems. Garbage problems which may become num� ber one problem in human society w