[東部知識列車 – 活動側寫報導] 第九站 宜蘭高中:陳竹亭教授 分享 『能源與永續文明』

「東部知識列車:我的學思之旅」系列演講 側寫報導

第九站 2012/5/17 宜蘭高中
講師:臺灣大學科學教育發展中心主任暨化學系陳竹亭教授
講題:能源與永續文明

活動側寫(1) 林承遠 (國立宜蘭高中教師兼社團活動組長)

東部知識列車第九站-能源與永續文明

太平洋上復活島的摩埃石像,依舊凝眸遠望,盡忠職守地堅守著大海與人們的信念。古埃及與印加帝國的金字塔依舊巍峨地矗立在地表上,千百年來,屹立如山。但這一切,在歷史的洪流上,曾經燦爛,卻如曇花一現,轉瞬為陳跡。二十一世紀的人類,在能源開掘殆盡的時代,文明如何延續? 人類的下一線生機又在何處?這是人類共同面對的問題,也是諸科學研究者,站在歷史的洪流中,極欲探索的領域。

臺大東部知識列車,於5月17日開往宜蘭,在東台灣的淨土、科學教育扎根尤深的宜蘭高中停駐。適逢全國北一區科展在宜蘭高中舉行,因此吸引了許多北部及東部各高中職熱愛科學教育的師生共同參與,場面熱絡。主講人臺大科教中心主任陳竹亭教授以「能源與永續文明」為題,揭開了此一主題的「千年思索」,亦帶領與會的師生,穿梭宇宙洪荒、縱橫億萬星河,宏闊且深入淺出地探討此一議題。

陳竹亭主任與參與北區科展的各高中學子分享『能源與永續文明主題』

浴火鳳凰—地球的生成

赫拉克立圖斯(Heraclitus 535-475 BC.)是第一位從「能」的角度看世界的自然哲學家,他認為世界是一種流變的狀態(everything is in a state of flux.)他並認為:「每日升起新太陽,火才是萬物之始」。雖然其觀點缺少有力的實證,但卻細膩地觀察到宇宙的組成。而亞里斯多德延伸恩培多克里斯的自然觀,認為自然是由火、氣、水、土等四元素組成,世界萬物的質(matter)和形(form)都是四元素與其品質的外顯。雖其理論多有誤謬和缺陷,但人類初步意識到宇宙的本質並企圖加以解釋,已為後世的學者開拓一新的科學視野。

約於137億年前,宇宙自「大霹靂」而生,太初能與質的互變,產生了一個由粒子組成的宇宙。星系及雲氣的布陳如爆炸後的碎片向外飛離。氣雲因重力吸引坍縮成恆星,而恆星的中心由核融合形成較重的元素。恆星在數十億年中生生滅滅,產生了約佔1%氫與氦總量的其他元素,再經繁複的化學變化,不斷創生出新的化合物,我們的宇宙就此誕生。而在此浴火的創生過程中,恆星藉著電磁輻射釋出能量,其源源不絕的能量造就了行星上物質的變化,亦構成了分子的世界,是故,我們明確可知:核能與化學能造就了不同的物質,我們的宇宙就形成了一個原子、分子的世界。

得天獨厚,我們的地球經過「凝析作用」,造成一個外冷內熱的構造。雖地函的溫度可能超過1000度C,但這種高溫可能使地函成為一個富彈性易變形的半凝固狀態,具有對流行為和「建造」的活力。而地表之上,紫外線使大氣分子發生振動,自然界的「溫室效應」構成了「溫和的地表」。這隻浴火鳳凰,如同希臘神話中的雅典娜,智慧與暴力是她的一體兩面。也因這樣的特性,為地球生命的繁衍,留下了一只生生不息的溫床。

陳主任與大家仔細介紹恆星的誕生過程。

能源與人類發展史

若以地球上物種發展的時間為軸,那麼哺乳類,甚至是人類的出現,可說如九牛一毫,微不足道。這三十億年以上的生物演化,至250萬年前的非洲巧人已具有發明砍器、刮刀和鎚石的能力了! 而60至80萬年前的北京人已知用火,學會利用能源,始人類的發展走向一條不歸路,但也因此讓人類得以度過冰河時期的嚴寒考驗。而智人也在一萬五千年前於這場競賽中勝出。其原因乃語言和文字的使用,使經驗和文化得以傳衍,又因為集體勞動、集體生活,因此產生了畜牧和農業這樣永續的概念,人類除了先天的遺傳優勢,更重要的是文化的傳承。

後世學者的發現,今日的撒哈拉沙漠,過去極可能是一草木扶疏的翠綠世界,在沙漠裡人們發現了石器、劍鏃、獸骨、各類動物……等。而現今地表上的同一個地點,過去也很可能分屬兩個族群,如6500~4500年前若馬地(Normardic)的游牧民旅泰勒雷人所居之地,早在10000~8000年前,以漁獵維生的奇非人亦緊鄰此地駐居。

人類有了農牧的發展、馴化作物的出現,意謂文明進入了劃時代的躍進。加以人口、帝國、城市的急遽擴展、政府體制與組織的日漸嚴密;軍隊、槍砲、技術的日新月異;又加以西方科學的發展帶動了工業革命,機械力取代了傳統的人力口獸力。人類挾著資源以自重,形成了一種暨進步又競爭的態勢。

地球人口不斷地激增,人們似無意識到這個環境能負載最大人口的能力。二十世紀石油工業崛起後,人類獲得更新的技術以創造物質,電力、核能的開發,更使文明義無反顧地全速挺進,而這一切彷若興榮美盛之境的到來。人們卻無意識到,濫用能源、資源的生活方式,可能將造成難以收拾的環境破壞與生態浩劫。有朝一日,資源的耗盡,這一切的絢爛,是否如夢幻泡影般歸於平靜?甚至毀滅? 抑或是人類再次脫胎重生的契機? 這一切,值得人們深思。

人類的下一步?

亙古迄今,不是每一個文明皆能不朽,亦非每一個文明皆能精進成為先進文明。在歷史往覆的鑑照下,我們才知道:破壞資源者,必定是輸家。明瞭了文明的演進與資源的關係,站在此一關鍵時刻的人類,該何去何從? 應持有怎樣的心態? 陳教授揭示了明確的態度—「科學人的視野,人文的關懷」。
大自然的歷史,源遠流長,並非以人類為中心。人類的出現只是大自然的偶然。其發展也必須要依循自然的規律及生物、環境演化的脈絡而行。而或許大自然這個舞台,現在正是人類精采演出的時刻,但人類必須更謙卑地學會:「為自己的明天、環境與文化負責!」

陳主任與學子分享消失的古文明歷程,並語重心長提醒青年學子對於現今文明發展的責任與關懷。

活動側寫(2) 陳彥廷 (國立宜蘭高中學生)

一直以來,能源與文明都是息息相關的。而在人類的發展歷史上,兩者更是缺一不可。只是,並非所有能源都是無限,一旦枯竭,文明也將隨之殆盡。那要如何在能源與文明的蹺蹺板上站得平穩呢?這便是我們今天所要探討的課題。

宇宙及自然界中的能

在探討能源與文明之前,我們先把範圍拉到宇宙和自然。對於自然界中的能,古時早有許多先賢頗有研究。

現在讓我們來介紹第一位從能的角度看世界的自然哲學家-赫拉克立圖斯。他認為世界是一種流變的狀態。他曾說過:每日升起新太陽,火才是萬物之始。至於解釋世界的組成元素便是恩培多克里斯。恩培多克里斯認為萬物皆由水、土、火、氣四者構成,再由「愛」與「衝突」或合或間。「愛」使所有元素聚合, 「衝突」使所有元素分裂。還有一位鼎鼎大名的哲學家,那就是亞里斯多德。亞里斯多德延伸恩培多克里斯的自然觀,認為自然除了是由四元素組成之外,元素的品質還主導著元素間可以互相轉換。世界萬物的質與形都是這四元素與其品質的外顯。

亞里斯多德對植物學、動物學、地質學、心理學、邏輯學、修辭學、倫理學……等無不涉獵,而且成就斐然。但是終不能將物質與能的特性 (property) 從其老師柏拉圖主張的品質(quality)的概念中釋放出來。反而受其崇高的知名度之累,使他最重視的自然哲學身陷形而上的糾纏,墬入錯誤理論的淵藪逾兩千年之久。

陳主任從希臘時期的自然哲學假說,談到現今的化學物質宇宙觀。

現今的宇宙觀

宇宙的產生眾說紛紜,其中最被採信的是大爆炸霹靂說。而宇宙的壽命是137億年。為何如此遙遠的宇宙,人們卻能了解的那麼徹底?這就要從一支望遠鏡說起 - 哈佛望遠鏡。

自1990年,哈佛望遠鏡備發射至太空中,人類便解決了千古以來對宇宙的疑惑,甚至還能預測未來。教授說他大學時中文最好,但最後卻選了化學,因為視野(scope)深深的吸引了他。他說:「工具好的話能開起眼睛的視野,還能鑑往知來。」如此的好工具便是哈佛望遠鏡,而它帶給我們的宇宙觀則是,中心是粒子世界,外圍則由能量、物質、資訊所構成。

物質文明的歷史—黎明之前

60~80萬年前的北京人已經懂得用火,會使用火必然對人類度過嚴寒的冰河期提供了莫大的助益。因為大部分地質時間的地表溫度雖然相對地「溫和」,但是二十五億~二十一億年,四億~二億四千萬年都有冰河證據,最近一百萬年則有八次主要冰期。但是在北京人之前,人類是如何踏上這個演化的舞台呢?

當今的人類就是人屬的一員,由能人經直立人和早期智人進化而來。為什麼只有早期的人屬成員能夠發展出現代人而當時也生活著的各種南方古猿卻沒有能夠繼續發展而走向了絕滅呢?因為人屬有的競爭優勢是,腦量的飛躍、獨特的生長曲線、軟弱無助的嬰兒期、童年時代的延長、社會結構的重要改變、肉食性增強、運動方式上有更強的適應能力、會製造工具。隨著優勢的演化,人類這才登上世界的舞台。

陳主任與大家介紹人類的可能始源發展。

消失的古文明

現在先坐上時光機,去尋找消失的古文明。我們看到了太平洋復活島摩埃巨石像、柬埔寨的吳哥窟、美洲瑪亞阿茲特克文明,而在法國的洞窟中,兩萬年前的先民早在穴壁上手繪了草原上奔馳的獸群之美,巴比倫的君王以碩高的城牆宮庭及金碧輝煌的空中花園展示了人類巧奪天工的建築能力;而古埃及與印加帝國的金字塔則不約而同且更上層樓的表現了人類能洞燭抽象幾何之美的獨特天賦。
上述的文明都曾活躍於世界的舞台,但如今卻只能在歷史文獻與古蹟中找到。為何永續發展不是最後的結局呢?因為當維生的生態環境遭到破壞,文明就無以為繼。不論是天災還是人禍,用罄能資源的文明,即使輝煌一世,也只有毀滅一途。

綠色撒哈拉消失的文明

1981年, NASA的太空梭拍到了沙漠岩床上的河川遺跡…。芝加哥大學的保羅.史尼諾是挖掘恐龍的專家,在泰勒雷沙漠曾挖到過巨型尼日草食龍及驚世巨鱷。故事發生在2000年10月,保羅.史尼諾的隊伍在120度的高溫下炙烤了一個半月,還遇到強盜,他的攝影師麥克.海特維爾脫隊時在一處沙丘發現了散在各處的人骨,於是整個隊伍都來挖掘此處。他們發現了石器、箭鏃、斧頭、獸骨、包括羚羊、長頸鹿、還有水生動物如鱷魚、河馬、龜、魚、蚌…等。史尼諾立刻省悟他們正站在歷史的綠色沙哈拉上…。

七萬年前的撒哈拉就像今天,也是一片沙漠。一萬兩千年前,地球球軸的搖擺造成非洲季風往北移,提供了埃及到毛里塔尼亞豐沛的雨量。而在3500 年前撒哈拉又回到了沙漠的命運。

能源危機

文明隨著能源發展,是越趨進步,但學會利用能源,終於使人類走向一條不歸路。為何說是不歸路呢?自60~80萬年前的北京人懂得用火到現今二十世紀石油工業崛起,我們已看不到起跑點的原始了。

化學化工技術的確使得人類可以創造新的物質,二十世紀也是電力與核能的時代,新的能資源創造了新的生活方式。然而濫用能資源的生活方式也製造了難以收拾的環境破壞,且因為能源的有限,出現了能源危機的問題。能源危機是指能源的供給在經濟上發生了較大的瓶頸壅塞現象。更容易感受的是區域油電價格反映在工業、交通燃料、或民生上。能源危機是全世界的難題。對於沒有天然能源的台灣,更是棘手的難題。

陳主任與學子介紹昔日古文明的消逝,以及西方文明的興起原因。

人類的滅亡與否

我們其實心裡都有數,再不採取行動,人類就真的會成為歷史上的一個名詞。如今考驗著人類的課題即是全球暖化,以及劇變的天災。以台灣來說夏天是越來越早,且降雨是漸趨增強。更不用說全球各地的異常變化,大自然真的生氣了!

最根本的問題就是人類超過了環境能維持的最大人口量(carrying capacity)。人口若超過 carrying capacity, 將會對環境產生改變而使得人口降低。所以說存亡的關鍵就在於我們如何找出人口與環境中的協調點。

總結

不是每一個文明、每一種文化都能夠永垂不朽。
不是每一個文明,時間久了,就必然精進為先進文明。
工技有難有易,真正的創新很少―石器、製陶、農、牧、矛箭、輪。
特殊的知識需要特殊的思維方式―文字、科學。
先馳得點的不一定是贏家,贏家也未必不會變輸家。
破壞自身資源基礎的註定是輸家。
任何一種生命一旦發展出可能突破carrying capacity 的技術文明,就必須接受能源危機的挑戰。
大自然的歷史向來不是以人類為中心,將來也不是必須以人類為中心。
人類的出現是大自然的偶然事件,演化沒有方向,只有機會。
人類的發展必須依循自然的規律、及生物與環境的脈絡。
當生物演化是去了先機,環境與文化就成為演化的契機。
既然我們已經站在大自然的舞臺上,又有思考明天過後的能力,我們理當為自己的明天負責,也要為環境與文化負責。

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