21世纪能源革命的方向与内容——“光能”

人类自从在地球上诞生的哪一刻起，便开始运用自身的体能的劳动，并且，不断借助于外力提升劳动的效率，减轻体力劳动的强度。人类对于牛、马等动物的驯养，是最初级的提高劳动生产力和减少劳动强度的发明。

一般认为，詹姆斯·瓦特（1736— 1819年）发明蒸汽机，直接催生了英国的第一次工业革命。瓦特在1776年制造出第一台有实用价值的蒸汽机。以后又经过一系列重大改进，使之成为“万能的原动机”，在工业上得到广泛应用。他使人类由人力或借助动物体力而进入到崭新的“蒸汽时代”。1782年瓦特的双向式蒸汽机取得专利，同年他发明了一种标准单位：马力。1782年，韦奇伍德在伊特鲁里亚陶瓷厂大规模采用博尔顿——瓦特铸造厂生产的联协式蒸汽机和伯明翰厂生产的动力机床，进行机械化陶瓷生产。1784年，瓦特对联协式蒸汽机进行了改进，增加了一种自动调节蒸汽机速率的装置，使它能适用于各种机械的运动。从此之后，纺织业、采矿业、冶金业、造纸业等工业部门，都先后采用蒸汽机做为动力。之后的1794年，瓦特与博尔顿合伙组建了专门制造蒸汽机的公司，到1824年生产了1165台蒸汽机。

几乎与瓦特同时，在尚未成立的美国之前，伟大的富兰克林（1706—1790年）开始做了著名的“电”的实验。1752年7月的一天，46岁的富兰克林领着儿子来到牧场，在一场雷雨中，他们让一个风筝飞上高空。富兰克林父子俩躲在一块屋檐下观察着，闪电“啪”的击中了风筝框上的金属丝，亚麻风筝线上的纤维顿时直竖起来，而且能够被手指吸引。富兰克林用食指靠近钥匙环，骤然间，一些电火花从他食指上闪过，与莱顿瓶产出的电火花是一样的。富兰克林被一股巨大的兴奋激动着，他抱起儿子大喊：“电，闪电捕捉到了。”富兰克林不仅是一位伟大的科学家，同时是美国建国初期最伟大的政治家。

在富兰克林之后，美国再次出现一位全面使用“电力”的伟大科学家，这便是爱迪生（1847年－1931年）。1878年9月，爱迪生开始进行电力照明方面的发明试验，他分别在两方面进行试验：一是分类试验1600多种不同耐热的材料；二是改进抽空设备，使灯泡有高真空度。爱迪生首先发现真空状态对白热灯非常重要，关键是灯丝。他先后试了钡、钛、锢等各种稀有金属，效果都不很理想。一天，爱迪生脑海突然萌发了一个念头：用棉纱纤维做灯丝。在连续进行了多次试验，灯泡的寿命达到了13小时，又一下子延长到45小时。根据棉纱的性质，爱迪生决定从植物纤维这方面去寻找新的材料。最后，爱迪生选择竹这种植物。爱迪生把炭化后的竹丝装进玻璃泡，通上电后，这种竹丝灯泡竟连续不断地亮了1200个小时！与此同时，爱迪生又开设电厂，架设电线。过了不久，美国人民便用上这种价廉物美，经久耐用的竹丝灯泡。竹丝灯用了好多年。直到1906年，爱迪生又改用钨丝来做，使灯泡的质量又得到提高，一直沿用到今天。

瓦特发明蒸汽机的时间与富兰克林发现“电”，在时间几乎同时。从瓦特发明和使用蒸汽机的1776年，到爱迪生1878年9月全面进行使用电力的实验，大致经过了整整100年的时间。爱迪生开启了人类社会的一个全新的电力时代。由此，把人类社会的存在方式和运行模式建筑在一个全新的基础上。从蒸汽机到电力的使用，人类使用动力的方式得到一场巨大的提升，在电力为核心能源的社会运行模式，到20世纪80年代，推动人类社会进入全球化的时代。

在美国，从富兰克林到爱迪生，大致经历了一个世纪的时间。可以说，自18世纪50年代起，美国是人类发明和使用电力的先锋国家。在20世纪初，美国发明了电话、电报等通讯技术，到20世纪中叶，美国以硅谷为基地，发生了以电子技术为先导的科技革命，从而实现了人类信息传播的全球化，同时也开辟了人类社会生活的一种全球化的局面。

现代的人类社会，建筑在以电力能源的基础上，也就是说，现代社会的运行以电力能源为核心。现代社会建立在以电力为核心能源的基础之上，离开电力，现代社会将无法正常运行。因此，现代社会是一种建立以电力为核心能源的社会模式，在21世纪，人类必将超越电力为基础能源的社会运行模式，这首先需要创建出完整的能源体系，以“光能”为基础。改变人类的生产与生活方式，同时推动人类生活范围即速度、距离等空间的扩展。

从21世纪开始，人类社会能源科学与技术的进步，必然向着有电力向“光能”的方向逐步升级。而且，可以预见，“光能”对于传统的“电力能源”的取代，将极大改变人类社会的存在方式和运行模式，首先是扩展人类活动的空间范围以及运动的速度。

21世纪人类的能源革命，必须超越以电力为核心的能源结构，实现由“电力”向“光能”开发和利用的转型。这是人类有史以来一场醉伟大的革命，将从根本上改变人类社会生活的质量、速度、距离和范围，把人类的行动范围扩展到整个太阳系和银河系，甚至引领人类走向银河系之外的宇宙。 可见，能源革命与空间空间紧密相连。

向阳光要能源，这不仅是人类能源革命的方向，也是人类社会文明得到实质性升华的前提。从更长远的未来看，由于地球地质与气候的角度变化，终将成为一个不再适应人类生活的星球，也就是说，人类终将走出地球，为了智慧生命的延续而寻找崭新的星球做为栖息地。而走向崭新星球，必须的要件则是拥有走向宇宙身处的强大的动力。完成这样的伟大科学任务，这便是人类能源革命的方向和内容。

在现代光学研究领域，由于激光的发现和发展，产生了许多新的光学分支学科。1905年爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论，进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样把能量分布在波阵面上，而是集中在所谓光子的微粒上。这种微粒仍保持着频率的概念，频率为ν的光子具有能量hν。

　　激光科学和激光技术的发展以及激光在众多领域的应用，使得新型光源和激光器发展中所涉及的基本问题成为现代光学的重要内容，这是物理学的一个重要的方面。“光能”的探索、研究以及对于“光能”的利用，必将成为21世纪人类科学领域里的一项主要的任务。

总之，能源革命是人类走出自18世纪中叶以来造就的工业社会运行模式的最重要的途径，人类开发和利用能源的方式，在21世纪必将发生一场实质性的变革，这种变革即是由“电力能源”向“阳光能源”的升级，人类开发和利用太阳能，还处于一种最初级的状态和水平。人类对于阳光的认识和掌握能力，不仅是21世纪人类社会运行模式变革的重要方向和内容，更是人类创建高于工业文明体系的文明体系的开端。

21世纪注定是人类社会从整体上逐步走出18世纪以来工业革命形成的社会运行模式的世纪。这种社会运行模式，其能源基础是电力，而电力主要依靠煤炭等不可再生资源进行生产，不仅造成严重的自然环境污染和破坏，同时也是对得起资源的严重浪费。

可以肯定，哪个国家哪个在21世纪能源革命中胜出，哪个国家便有希望在创造崭新的社会文明形态方面走在全人类的前列。在21世纪，中国理当充当人类能源革命的急先锋，但是，中国仍然属于一个在基础科学与技术研发方面极其落后的国家。实现一场领先全人类的科技革命，必须打破传统的逻辑，才能够实现真正的突破。中国在公元前6世纪末和5世纪初，曾经涌现过墨子这样的伟大思想家和科学家，墨子在他的时代就书写了《光学》，可以说，墨子是人类最早探索光学知识的一位伟大先驱。墨子认识到光的直进性质，并且对于光的直线传播进行了实验，他发现了光的反射定律。在21世纪，中华民族必须把现代汉语升华为世界上主要的科学语言，并且利用汉语在科学发现与技术发明上做出杰出的贡献。只有如此，中华民族才能够成为世界民族之林中的一个伟大民族。

在21世纪，人类的三大科学领域是生命科学、能源科学、空间科学。21世纪中华民族需要涌现一大批伟大科学家，在光学方面实现突破，继承墨子开辟的光学成就，并且“为往圣继绝学”，阳光是人类生命的一个源泉，它是人类最值得付出精力去认真探索的客观物质。

徐国进

2019年7月12日星期五