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【科學講堂】天然「太陽能電池」 助人類文明發展

2019-10-30
■我們的祖先進行農耕,可以被看成是在利用植物這種天然的「太陽能電池」來收集能源。 網上圖片■我們的祖先進行農耕,可以被看成是在利用植物這種天然的「太陽能電池」來收集能源。 網上圖片

上星期跟大家分享了熱力學的第二定律,根據這個定律,一個封閉、不和外界接觸的系統,會逐漸由較有規律、有組織的狀態演變成「混亂」的狀況。一顆雞蛋層次分明,算是「有組織」的狀態;所以在大部分的情況下,我們只會見到它從這個「有組織」的狀態變成「一團糟」,比如一碗蛋白、蛋黃均勻混合的炒蛋,而不會見到一碟炒蛋變回一顆雞蛋。不過上次也和大家提過,過去世界的發展,卻每每好像在反其道而行:數十億年前在地球上出現了的生命,應該是比沒有生命的化學物來得複雜、有組織;現今我們身處的現代社會,不用多說,其複雜性自然要比我們祖先的原始社會要高出許多。如此看來,世界的某些部分好像在變得愈來愈有規律了。

要逆定律而行 需固定注能量

之前也和大家說過,這並不是因為熱力學的第二定律不正確,只是它在以上提到的狀況不適用而已:一個不是封閉、與外界接觸的系統,並不能夠應用熱力學的第二定律。要維持各種各樣的「規律」,也就是要朝第二定律喜愛的方向相反而行,必須要固定地注入能量;而要維持的「規律」愈複雜,所需要的能量就愈多。由此看來,人類的發展史,其實就是一個我們不斷尋找、運用能量的日記。

如前所述,生命要比沒生命的化學物複雜,因此我們需要光合作用、進食、呼吸等等來「開發」固定的能源。一旦缺乏了能量的來源,生命這副機器將不可以再開動,生物也會慢慢變回普通的化學品,回歸大自然了。

解決了自身的生存問題以後,人類並不滿足於個別個體的複雜性之上,而是慢慢發現在「社會」的層面上,可以發展出更高的複雜性:也就是我們的社會變得愈來愈複雜,人與人之間可以有更多不同的交流。剛開始的時候,我們的祖先主要靠狩獵動物、採集野果來維生,人與人之間的連繫也相對較少,自然也不需要太多的能量來維持當時這樣社會的複雜性。

植物光合作用 吸陽光儲能量

隨後我們的祖先發現了農耕,讓我們進入了農業的時代。農業的出現一直被歷史學家認為是人類發展的一件大事,可以堪稱為一大革命。

從今天介紹的角度來看,農耕其實為我們的祖先提供了一個收集能量的方法:地球的許多能量,歸根究底就是來自於在天空閃耀的太陽。而植物能夠進行光合作用,將太陽的能量轉化為「食物」,可以算是很有用的「太陽能電池」。我們的祖先進行農耕,因此就可以被看成是在利用植物這種天然的「太陽能電池」來收集能源。收集到的這些能源,令我們的人口得以增加,繼而再發展出城鎮、國家等等的社會結構。

再從這個角度看下去,應該不難看到人類發現煤、石油等等化石燃料的重要性:我們說千年古樹,可能就是說植物最久可能生長千多年,所以我們從植物之上得到的太陽能,也就是累積了幾千年的而已。煤、石油等等化石燃料,動輒來自於數千萬年以前,是累積了這洩齯[太陽能的結晶,因此是近代人類極其寶貴的能量來源。

數個世紀之前工業革命的成功,跟我們開發了化石燃料這些能源,實在是有茪ㄔi分割的關係。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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