21世紀能源革命的方向與內容——“光能”

人類自從在地球上誕生的哪一刻起，便開始運用自身的體能的勞動，並且，不斷藉助於外力提升勞動的效率，減輕體力勞動的強度。人類對於牛、馬等動物的馴養，是最初級的提高勞動生產力和減少勞動強度的發明。

一般認為，詹姆斯·瓦特（1736— 1819年）發明蒸汽機，直接催生了英國的第一次工業革命。瓦特在1776年製造出第一台有實用價值的蒸汽機。以後又經過一系列重大改進，使之成為“萬能的原動機”，在工業上得到廣泛應用。他使人類由人力或藉助動物體力而進入到嶄新的“蒸汽時代”。1782年瓦特的雙向式蒸汽機取得專利，同年他發明了一種標準單位：馬力。1782年，韋奇伍德在伊特魯里亞陶瓷廠大規模採用博爾頓——瓦特鑄造廠生產的聯協式蒸汽機和伯明翰廠生產的動力機床，進行機械化陶瓷生產。1784年，瓦特對聯協式蒸汽機進行了改進，增加了一種自動調節蒸汽機速率的裝置，使它能適用於各種機械的運動。從此之後，紡織業、採礦業、冶金業、造紙業等工業部門，都先後採用蒸汽機做為動力。之後的1794年，瓦特與博爾頓合夥組建了專門製造蒸汽機的公司，到1824年生產了1165台蒸汽機。

幾乎與瓦特同時，在尚未成立的美國之前，偉大的富蘭克林（1706—1790年）開始做了著名的“電”的實驗。1752年7月的一天，46歲的富蘭克林領着兒子來到牧場，在一場雷雨中，他們讓一個風箏飛上高空。富蘭克林父子倆躲在一塊屋檐下觀察着，閃電“啪”的擊中了風箏框上的金屬絲，亞麻風箏線上的纖維頓時直豎起來，而且能夠被手指吸引。富蘭克林用食指靠近鑰匙環，驟然間，一些電火花從他食指上閃過，與萊頓瓶產出的電火花是一樣的。富蘭克林被一股巨大的興奮激動着，他抱起兒子大喊：“電，閃電捕捉到了。”富蘭克林不僅是一位偉大的科學家，同時是美國建國初期最偉大的政治家。

在富蘭克林之後，美國再次出現一位全面使用“電力”的偉大科學家，這便是愛迪生（1847年－1931年）。1878年9月，愛迪生開始進行電力照明方面的發明試驗，他分別在兩方面進行試驗：一是分類試驗1600多種不同耐熱的材料；二是改進抽空設備，使燈泡有高真空度。愛迪生首先發現真空狀態對白熱燈非常重要，關鍵是燈絲。他先後試了鋇、鈦、錮等各種稀有金屬，效果都不很理想。一天，愛迪生腦海突然萌發了一個念頭：用棉紗纖維做燈絲。在連續進行了多次試驗，燈泡的壽命達到了13小時，又一下子延長到45小時。根據棉紗的性質，愛迪生決定從植物纖維這方面去尋找新的材料。最後，愛迪生選擇竹這種植物。愛迪生把炭化後的竹絲裝進玻璃泡，通上電後，這種竹絲燈泡竟連續不斷地亮了1200個小時！與此同時，愛迪生又開設電廠，架設電線。過了不久，美國人民便用上這種價廉物美，經久耐用的竹絲燈泡。竹絲燈用了好多年。直到1906年，愛迪生又改用鎢絲來做，使燈泡的質量又得到提高，一直沿用到今天。

瓦特發明蒸汽機的時間與富蘭克林發現“電”，在時間幾乎同時。從瓦特發明和使用蒸汽機的1776年，到愛迪生1878年9月全面進行使用電力的實驗，大致經過了整整100年的時間。愛迪生開啟了人類社會的一個全新的電力時代。由此，把人類社會的存在方式和運行模式建築在一個全新的基礎上。從蒸汽機到電力的使用，人類使用動力的方式得到一場巨大的提升，在電力為核心能源的社會運行模式，到20世紀80年代，推動人類社會進入全球化的時代。

在美國，從富蘭克林到愛迪生，大致經歷了一個世紀的時間。可以說，自18世紀50年代起，美國是人類發明和使用電力的先鋒國家。在20世紀初，美國發明了電話、電報等通訊技術，到20世紀中葉，美國以硅谷為基地，發生了以電子技術為先導的科技革命，從而實現了人類信息傳播的全球化，同時也開闢了人類社會生活的一種全球化的局面。

現代的人類社會，建築在以電力能源的基礎上，也就是說，現代社會的運行以電力能源為核心。現代社會建立在以電力為核心能源的基礎之上，離開電力，現代社會將無法正常運行。因此，現代社會是一種建立以電力為核心能源的社會模式，在21世紀，人類必將超越電力為基礎能源的社會運行模式，這首先需要創建出完整的能源體系，以“光能”為基礎。改變人類的生產與生活方式，同時推動人類生活範圍即速度、距離等空間的擴展。

從21世紀開始，人類社會能源科學與技術的進步，必然向着有電力向“光能”的方向逐步升級。而且，可以預見，“光能”對於傳統的“電力能源”的取代，將極大改變人類社會的存在方式和運行模式，首先是擴展人類活動的空間範圍以及運動的速度。

21世紀人類的能源革命，必須超越以電力為核心的能源結構，實現由“電力”向“光能”開發和利用的轉型。這是人類有史以來一場醉偉大的革命，將從根本上改變人類社會生活的質量、速度、距離和範圍，把人類的行動範圍擴展到整個太陽系和銀河系，甚至引領人類走向銀河系之外的宇宙。 可見，能源革命與空間空間緊密相連。

向陽光要能源，這不僅是人類能源革命的方向，也是人類社會文明得到實質性升華的前提。從更長遠的未來看，由於地球地質與氣候的角度變化，終將成為一個不再適應人類生活的星球，也就是說，人類終將走出地球，為了智慧生命的延續而尋找嶄新的星球做為棲息地。而走向嶄新星球，必須的要件則是擁有走向宇宙身處的強大的動力。完成這樣的偉大科學任務，這便是人類能源革命的方向和內容。

在現代光學研究領域，由於激光的發現和發展，產生了許多新的光學分支學科。1905年愛因斯坦在研究光電效應時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能並不像電磁波理論所描述的那樣把能量分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。這種微粒仍保持着頻率的概念，頻率為ν的光子具有能量hν。

　　激光科學和激光技術的發展以及激光在眾多領域的應用，使得新型光源和激光器發展中所涉及的基本問題成為現代光學的重要內容，這是物理學的一個重要的方面。“光能”的探索、研究以及對於“光能”的利用，必將成為21世紀人類科學領域裡的一項主要的任務。

總之，能源革命是人類走出自18世紀中葉以來造就的工業社會運行模式的最重要的途徑，人類開發和利用能源的方式，在21世紀必將發生一場實質性的變革，這種變革即是由“電力能源”向“陽光能源”的升級，人類開發和利用太陽能，還處於一種最初級的狀態和水平。人類對於陽光的認識和掌握能力，不僅是21世紀人類社會運行模式變革的重要方向和內容，更是人類創建高於工業文明體系的文明體系的開端。

21世紀註定是人類社會從整體上逐步走出18世紀以來工業革命形成的社會運行模式的世紀。這種社會運行模式，其能源基礎是電力，而電力主要依靠煤炭等不可再生資源進行生產，不僅造成嚴重的自然環境污染和破壞，同時也是對得起資源的嚴重浪費。

可以肯定，哪個國家哪個在21世紀能源革命中勝出，哪個國家便有希望在創造嶄新的社會文明形態方面走在全人類的前列。在21世紀，中國理當充當人類能源革命的急先鋒，但是，中國仍然屬於一個在基礎科學與技術研發方面極其落後的國家。實現一場領先全人類的科技革命，必須打破傳統的邏輯，才能夠實現真正的突破。中國在公元前6世紀末和5世紀初，曾經湧現過墨子這樣的偉大思想家和科學家，墨子在他的時代就書寫了《光學》，可以說，墨子是人類最早探索光學知識的一位偉大先驅。墨子認識到光的直進性質，並且對於光的直線傳播進行了實驗，他發現了光的反射定律。在21世紀，中華民族必須把現代漢語升華為世界上主要的科學語言，並且利用漢語在科學發現與技術發明上做出傑出的貢獻。只有如此，中華民族才能夠成為世界民族之林中的一個偉大民族。

在21世紀，人類的三大科學領域是生命科學、能源科學、空間科學。21世紀中華民族需要湧現一大批偉大科學家，在光學方面實現突破，繼承墨子開闢的光學成就，並且“為往聖繼絕學”，陽光是人類生命的一個源泉，它是人類最值得付出精力去認真探索的客觀物質。

徐國進

2019年7月12日星期五