首页 >> 我是Dr. You >> 来信 >> 文章

第三十五期问题:拿什么取代你,我的电能?(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)

这是Dr.Who收到的第二批来信,来自dasltr、e113355、潮汐、sunless和全金属馒头同学。到底在我们这个宇宙中,是否有可以替代电能的其他能源呢?我们来看看他们的答案。


dasltr

其实,这个问题可以分为两个部分:电能是文明所必经的么?电能是否能被其它形式的能源所替代?

对于第一个问题,我认为电能确实是一个文明所必经的。

这个结论有个前提,那就是这个文明应该是贪婪的,他们会不顾一切用最简便的方法让自己的生活更加美好。否则完全可能存在这样一种文明,他们每天过着苦行僧的生活,最终参透了宇宙的终极定理然后飞升而去。这种文明不仅跳过了电能,其它几乎所有形式的能源都会被他们跳过。另外,这个结论也忽略了以能量形式存在的生命,毕竟那种东西太抽象了,谁也保不准会出现个什么形式的能源。

在我们的宇宙中,存在着四大基本力:强核力,弱核力,库伦力(也就是电磁力)以及引力,所有的相互作用都是靠这四种力而产生的(在高能物理中,这四种力其实可以“合四为一”,这又是另外一个问题了),我们所有的能源都来自于这四种力。然而强核力以及弱核力的作用范围太小了,强核力作用范围在10-15m,弱核力作用范围比强核力还要小。而能长距离作用的两个力之中,引力又太弱小了,比电磁力小了1039倍,所以电磁力成了承载能源的不二人选,我们周围几乎所有的能源归根到底都是电磁相互作用的结果。而电能则是对电磁力的最佳利用,就像所有商品都能换成人民币,而人民币又能购买任何商品一样,电能可以和任何形式的能源相互转化。所以当一种文明发现了电能这么一种好东西,他能不好好利用么?

那么,是否有种环境可以让生命无法发现电能?我想了很久,最终的结论是没有。

所谓“万物生长靠太阳”,一种生命的头顶至少要有一个太阳才行。别看我们的“太阳公公”每天看上去挺温和慈祥的,其实他可凶了!无时无刻不在喷射着数都数不清的高能带电粒子轰击着我们的地球。且不说宇宙中许多行星没有大气层和地磁场,就算有,也不过是将这些高能粒子阻挡一下,最终电荷还是会在大气层顶层堆积然后以闪电的形式释放出来。身处其中的文明生物一开始会对其敬若神明,接着一名富兰克林式的疯子就会跑出来在一个电闪雷鸣之夜放风筝玩儿,最后把电能带入文明之中。

然则,如果有一种生物不喜欢电能怎么办?不喜欢的原因可以有很多,宗教,身体无法承受强电场…..是否有种能源可以替代电能?

当然有咯~最简单的例子就是——蒸汽动力!在18世纪人类便是将蒸汽作为主要能源,它同样可以和其他所有形式的能源相互间进行转换。事实上,如果保温抗压措施做得好,蒸汽甚至能短距离、短时间进行传输和储存。可惜的是由于电能发现得太早,以至于蒸汽无法作为能源好好发展,可以说我们至今所知道的蒸汽动力是一个不完全的能源。推荐大家看看动画片《蒸汽男孩》,里面讲述了一个蒸汽机被高度开发的架空世界。其实就算是现实世界蒸汽也并不是完全停滞,有一门学科叫“流体机械与能量学”,研究的就是如何在不适宜用电能的情况下利用流体做功。

除此之外,电磁波也是一个不错的能源。有人认为电磁波也是电能,非也,电能指的是通过电流做功,而电磁波算不上是电流,非要说是什么能的话,算是光能吧。在这里,推荐大家看一本科幻小说,大刘的《三体2》,里面就讲了人类如何通过辐射过上了幸福的生活(好奇怪的句子)。可以说,这几乎是未来能源的必然发展趋势。


e113355

普通中发光物质占了宇宙总能量的0.4%,其他的普通物质占了3.7%,暗物质占了近23%,另外的73%是占主导暗能量。

太阳是由普通物质,发光物质构成的恒星。

暗星是由暗物质构成的恒星。

按照上面的比例,很自然可以推测出来,暗星的数量比发光的恒星要多。

有恒星,就有行星,有行星,就有智能生命,有智能生命,就有文明。

暗星养育的智能生命发展的文明会使用电能吗?

暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。

所以由暗物质构成的恒星不发光,所以此文明不会使用电能。

所以电能这种形式可以被其它能量形式替代。

所以也不能说电能的利用是一个文明的必经过程,暗星发展的文明
既不会理解,也不会利用电能

为了更深入的理解暗星,这里要谈谈宇宙的起源和发展,宇宙起源于在120~150亿年以前的一次大爆炸,还要引入一些生物学知识,在海洋中,各种生物种群的食物关系,呈食物金字塔的形式。海洋生物学家曾做过这样的研究报告:处在这座生物金字塔最低部的,是各种硅藻类。它们是海洋中的单细胞植物,其数量非常之巨大。当接近海洋食物金字塔的顶端时,生物的数目比起底部来说,变得非常之少。

类比一下物质的比例,可以发现发光物质在金字塔的顶端,暗物质在金字塔的中间,暗能量在金字塔最低部。如果把物质比喻成生物,那么很自然,物质的进化过程是,从大爆炸到暗能量,从暗能量到暗物质,最后从暗物质进化到发光物质。

由此可见,暗星是在宇宙发展早期出现的恒星类型,或许宇宙出现的第一批恒星就是暗星,如果我们理解暗物质到底是什么,我们就能理解暗星文明可以利用的能量形式。

但是当代的物理还没有搞清楚暗物质到底是什么,仅仅只是证明了暗物质存在,所以只能迂回探索了。

科学里有一种特别的研究方法,就是两个看似风马牛不相及的学科是等价的,而研究学科a很难,研究学科b很容易,所以可以通过研究学科b来得到学科a的结论,如数学里的拓扑学里有奇点,物理学里也有奇点,研究物理学里的奇点很难,研究拓扑学里的奇点很容易。

了解电磁力和生物学的某部分的对应对于理解电磁力很有帮助,电荷有两种,高级智慧生命一般都不是单性繁殖的,于是两者就可以对应起来了,金字塔最低部的低级生命一般都是单性繁殖的,而暗物质与低级生命类似,所以暗星文明可以利用的能量形式,我们姑且叫他为暗力,和电力有电荷类似,暗力的电荷叫他为暗荷,可以想象,暗荷如单性繁殖般的只有一种。

传递电磁力的媒介粒子是光子,自旋是1,传递暗力的媒介粒子先叫他暗子,他的自旋是几呢,自旋为1的粒子在旋转360度後看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度,自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。自旋和生物学的某部分的对应对于理解自旋同样很有帮助,那个对应物就是变异法则,人们经常会提起所谓的隔代传,比如某人有病a,他孩子没有病a,他孩子的孩子有病a,这就是所谓的隔代传,用脑袋好好想想,隔代传好像自旋为1/2的粒子,旋转2圈才会一样和2代才会一样何其相似,类似的,自旋为1的粒子就是某人有病a,他孩子也有病a,两性繁殖的后代具备双亲的遗传特性容易发生变异,而单性繁殖则不然,两性繁殖的高级智慧生命光子的自旋是1,那么单性繁殖的中级智慧生命暗子的可能自旋就是2了,因为单性繁殖发生变异的可能性要比两性繁殖少,当然自旋是2的粒子一出现,他就成了某人有病a,他孩子也有病a的那类了,自旋为1的就成了隔2代传,自旋为1/2的就成了隔4代传。

经过以上讨论,可以发现,所谓的暗力就是引力,引力子是一个传递引力的假想粒子。是一个自旋为2、质量为零的玻色子。引力只能相互吸引,而正电荷和负电荷有异荷相吸,同荷相斥,因为引力只能相互吸引,所以可以推测引力的电荷只有一种,正好和电荷的同荷相斥对应,一个是同荷相斥,一个是同荷相吸。

另一个同样的两极分化就是引力对于暗能量和非暗能量的区别对待,引力对于暗能量,是互相排斥,而引力对于非暗能量是互相吸引,这很容易让人想到,生物进化的奇妙,生物在每个进化的分叉口,总是两个分叉都选择,最后总是可以进化出智能生命。

所以结论就是暗星文明可以利用的能量形式就是引力能,宇宙一开始只有引力,物质只有暗能量,随着引力导致的暗能量聚集,量变引起了质变,暗能量开始进化成暗物质,暗物质慢慢聚集,变成第一批暗恒星,暗恒星一批又一批的进化,最后终于在一个小区域里的能量密度够大了,暗恒星开始发光。

以上只是讨论了暗星文明可以利用的能量形式不是电能,因为暗物质星不发光也不吸收光,然后通过一些讨论发现暗星文明可以利用的能量形式是引力能,因为对于暗物质和暗能量的不了解,所以暗星文明是如何运用引力能这点就没有办法说了,但是因为暗星文明是宇宙的中级生命形式,所以像我们这样的宇宙的高级生命形式,最终是有可能了解暗星文明是如何运用引力能的,可以猜测的是引力能的效率没有电磁能高,而且电磁能和石油那些化学燃料一样是非再生的,而引力能是可再生的,我们这样的宇宙的高级生命形式或许最后会发现使用引力能的方法,在太阳进入矮恒星阶段的时候,当太阳不发光的时候,还可以继续演化下去,还可以继续想下去,当宇宙进化到,23%是普通物质,73%是暗物质的时候,另一种新的力又出现了,更高级的能量形式,比电磁能更高效的能量形式。

那时候的更高级的智慧生命会不会记得曾经有过使用电磁能那样低效的能量形式的智慧生命曾经存在过呢,那就是另一个问题了。


潮汐

本来在这种科班问题上,我是没有话语权的。但看着一片悲观情绪,我忍不住跳出来想说上两句。在我看来,电能现在并且在将来相当长一段时间内占据人类可利用能源的首选。但终将退出历史舞台。

电的发现和利用,有其偶然性,但是更多的是必然。做为自然界最容易被人类观测和重现的一种能量转换运动之一,电能必然会在人类的能源历史上占据相当重要的一页。

从18世纪美国科学家富兰克林开始系统的探索电能到现在,短短的200多年,电能已经深入到人类的方方面面。

形象点来说,电能有点象货币。象是一般等价物一样的存在。它可以方便的由热能,动能,光能,核能等不易于直接应用的能量形式转化而来。也可以方便的转化为日常生产生活所需的热能,光能,动能等。相比起石油等其他能源,它又易于存储和携带,传输。因为以上优点,电能得到广泛应用是意料之中的事情。但是电能的弱点和优点同样明显。

(1) 传输损耗:在远距离传输中,电能传输损耗严重的问题被扩大了。虽然可以通过加高电压,甚至是未来通过超导实现损耗减小,但在相当长的一段时间内,我们不得不面临能源浪费的问题。不过跟其他弱点比起来,这个简直可以忽略不计了。

(2) 电力产生来源短缺:不论是火力发电,核能发电,水利发电,光伏发电,还是风能地热发电等。能够产生电能的来源总是在一点一点减少的。首先消失的大概是火力。水利风能等因为其过于依赖外部条件不可能占据发电主角。那么大有可为的就是光伏和核能发电。这也是世界电能发展的主流。但是这两者都面临原料问题。核燃料和光伏电池板原料不可能是无限的。虽然在相当长的一段时间内我们不用担心这个问题。

(3) 对金属的依赖:电能的发展是以金属的广泛应用和低成本获得为前提的。如果地球没有金属,那么即使电能易于获得,恐怕也不会成为主要能源。当太空时代来临,人类不得不面临新的物质材料革命的时候,更轻,更坚固,成本更低,可靠性更高的新材料将对电能的应用作出巨大的挑战。能源革命和物质革命从来都是相辅相成的。

(4) 存储问题:不得不说从电池原理被发现以来电能的存储发展十分迅速,尤其实在最初的几十年。但现在如何制造体积更小,存储量更高的电池越来越成为一件困难的事情。可以预见的是,如果在接下来对于电池技术不作出突破性的技术突破的话,面对日益增加的能源消耗,或许哪天上街人们都背着一块大电池也不稀奇。

(5) 能效比低下:一度电能做什么呢?能够让一盏40W的灯亮很长一段时间,能够看半个小时电视,能够推动汽车走几步路。电能的能级单位低下会是电能不的不退出历史的舞台的一个重要原因,就好比蒸汽机一样。当用电器的功率需要变的越来越大的时候,电能将不可能成为我们的首选。我们不可能期待一个充了1年电的宇宙飞船却只能飞行一小时。在大宇宙时代,低能级的能源不可能占据主导地位。人们需要更高效,爆发力和持续性更强的能源。可控核聚变技术不得不说是个让人期待的方向,当然还有反物质能。小型化不是个问题,当年发明电脑的人看到现在的笔记本可能会把牙都惊掉了也说不定。

(6) 安全性能:对于能源安全的需求可以预见的将会越来越高。随着仪器的高度精密化,任何一点细小的安全隐患可能都会被放大到可怕的地步。而随着社会进步,对于人的安全的要求只会更高。45伏电不死人。刚发明电的时候恐怕谁也想不到需要能达到雷电的程度甚至更高的电流。

大概我也就只能说这么多了。不论充分不充分,我是坚信将会出现替代电能的“新能源”的。从人类诞生到认识电能我们用了几百万年,从认识电能到应用我们只用来几百年。电能的潜力还远远没有被开发出来。但作为一种如此容易被发现和应用的能源,不可能是人类能源应用的尽头。随着对能量和物质的研究和认识不断加深。“新能源”的发现和应用不可阻挡。当然,那将是一条漫长和曲折的道路。不过,也许明天就发现了呢?谁知道呢?

在这里,我就不对“新能源”做具体的推测了,如果被未来人看到了,大概会偷着乐吧!


sunless

给我带来启发的,首先是问题本身。对自己的计划是,去做属于不久的未来的事情,其中一个方面就是新能源。一直以来我只在考虑什么新的能源可转化成电能,这个题目让我突然意识到,或许可以去思考什么能源可替代电能。

但在第二次思考这个话题时,我意识到问题本身对我们的思维有一定误导,电能事实上与光能、动能等我们直接使用的能源有着不同的意义。电能是一种中间能源,它在我们使用能源的链条中,所起的作用是转换、存储、传输。我们既不直接获取,也不直接使用,摸电自尽时除外。也就是说我们在讨论的不是电灯的光,不是机器的运转,而是什么东西也可以让灯发光让机器运转。

从目前人类掌握的知识来看,电能似乎是无法取代的。但是,never say never。在蒸汽机时代,有谁能意识到它会被替代呢?

在“人类”这个基本概念不变,人类基本需求不变的前提下,可能替代电能的能源,必须满足两点:一、电能能做到的,它能做到;二、比电能更好,考虑到替代会产生的成本,还不止好一点。那么:

一、电能能做到什么?转换、存储、传输,这是电能的作用,从另一个角度就是电能的特性。电能可以方便地从其他形式的能源产生,能够通过一次次地转化被存储和使用,能够较为便捷地被传输。如果确实存在某种什么可以取代电能,那么这些就是这个“什么”所应该具备的特性。

二、电能还有什么不足?电能的生产和使用过程,伴随着在光能、势能、化学能、核能等多种形式中的不同形式的一次又一次转化,而由于电阻的存在,其传输也非尽善尽美,每一次转化和传输都造成能源的损耗,甚至是对人类自身环境的破坏和威胁;看似干净的能源,与其相伴而生的,是铁架、线缆、庞大的变电站,是温室气体和放射性威胁,是不能回游到亿万年前家乡的中华鲟。综上,电能的弊端在于:过多的转换造成能量损耗和环境破坏。另一种能源替代电能,这些大概也就是需要解决的问题。

现在进入实质环节,这个“什么”到底是什么。

归根溯源,我们使用到的各种各样的能源,终可归结到太阳能(500秒之前的核能)和万有引力势能。鉴于关于太阳热核聚变的初始也是起因于万有引力造成的压缩,可以说万有引力是真正的最原始的能源。出于减少转化环节的目的,我们似乎应该将视角重点放在太阳能和引力势能之上,放在减少他们进入实际使用环节需要的转换次数。

目前对于太阳能的利用,主要是转化为电能和热能。这已经是一个进步。在从前,它需要经过光合作用被植物储存到煤炭之中,然后在发电厂通过热能转化为动能再转化为电能,或者经过光合作用被植物利用,然后被动物获得并储存到石油和天然气之中,然后再转化为热能。太阳能转化为热能,比如太阳能热水器等,在热能的储存上还存在问题,转化效率也很低,不过鉴于太阳能在人类意义上取之不尽,转化效率的问题倒不太突出,主要是储存问题。转化成热能是为我们直接使用的,这之中没有使用到电能,也不完全属于本话题的讨论范围。但转化为电能就是重点了。众所周知,太阳能转化为电能还存在一些问题,但技术问题并不是主要的,技术问题都是可以随着科技的发展而解决的。最严重的问题是方向问题。如果要减少转换环节,探索的方向就应该是太阳能被直接存储、传输和使用,而不是转化成电能。

关于万有引力,相比太阳能来说它就更加“玄幻”了,甚至它可能不被公认为一种能源。那么我们是否可以把它作为一种势能来考虑。万有引力并不仅仅存在于星体之间,它事实上存在于任何的物质之间,大到星体,小到原子。作为一切能量的本源,它又与电磁力等概念千丝万缕。从能源利用的角度,我们可以不讨论那么多仍存在争议的假说与理论,我们需要看到的是,由于万有引力的存在,它在任何物质之间,造成了一种势能。最容易理解的就是水往低处流,以致我们可以利用水能发电。这就绕回来了,我们对引力势能的利用,与对太阳能一样,走的方向是要把它转化为电能。那么,对引力势能的直接利用,或者直接转化为我们实际使用中需要的能源类型呢?

回头再看,上面的语句,我表达的是,要减少能源的转化次数,以提高利用效率,减少能源浪费和污染。我猜想应当尽可能直接使用引力势能和已经被太阳转化好的太阳能。
按照之前我们设定的需求,这就要求对引力势能和太阳能,能够直接转化(不经过电能的二次转化)、存储和传输,以完成现在电能的任务。但或许并非如此。如果我们能够anywhere,anytime直接转化和使用他们,那就不存在要存储和传输的问题了。所有问题归于一点,就是如何将其直接转化为我们实际使用中需要的能源类型。谜底最后揭晓。
另外聊几句。诚然,电能对今天的我们具有重大意义,但要知道,我们真正需要的并不是电能,我们需要的是动能、光能、热能等我们直接使用的能源,电能只是我们的一个工具。我们探讨电能的替代,就是要有卸磨杀驴的气概~

当今人类已经对电能产生了极大的依赖,而电能的整个体系,却是非常的脆弱,自然灾害、战争、甚至一个不经意的事故,都可以在很大范围造成电力的中断,从而中断人们的正常生活。因此取代电能不是应该作为一种可能性来考虑,而是必须。人类文明的进化,不应该永远依赖一个不稳定的能源系统。而引力势能、太阳能,他们无处不在,他们无法被切断。

电能取代热能成为人类发展的动力,与之伴随的是蒸汽机被电机取代。人类目前的文明建立在电能的利用之上,人类创造、使用着大量依赖电能的工具。另一种能量要取代电能,就意味着这一切依靠电能运转的工具也将随之淘汰,这将是一个极其庞大的系统工程,鉴于当前人类文明的规模,其难度是蒸汽机被替代所无法比拟的。

在本文的结束之时,我们才进入了真正的结论:取代电能,不是从能源入手,而是从使用能源的工具入手。所有要做的,就是洗脑。当人们在讨论如何利用太阳能和万有引力来发电的时候,需要有人来解决它们怎么来变成人类生活和生产需要的光能、热能、动能等。有一些有益的探索,似乎并没有被我们纳入到一个新的能源革命的酝酿进程之中来,例如利用某些建筑材料将太阳能转为热能储存在墙体并在需要时释放出来的技术,例如利用光的反射散射将阳光转化为复杂建筑物内部光源的建筑学尝试,例如对万有引力永动机的探索(万有引力是由质量决定的,可是万有引力又可以做功,能量如何守恒,永动机能否实现)……最后鉴于我从事的行业,不得不补充一句关于计算机。有机物的蛋白分子可以处理二进制数据。所谓“电脑”,也是可以走向不依赖电的方向的。试想有一天,我在用生物计算机打这些文字,而它运转的能量,是从原子间的引力势能或者太阳能带来的化学变化。。。

惭愧,昨晚才发现松鼠会这个网站,刚才才看到Mr.U这个东东5日截稿,没有经过谨慎的论证,更没有时间查阅更多资料,信口说了些没有具体方案的幻想给松鼠们发过来了。


全金属馒头

——在我们这个宇宙的物理原则下,电能的利用是一个文明的必经过程吗?或者说,电能这种形式可以被其它能量形式替代吗?

这个,基本上,真的很难……

可以作为头脑风暴,一个观察世界的奇特视角,看看没有电世界究竟是个什么样子?!J

clip_image001

这个电,不要好像问题不大——玩笑而已

窃以为,这个问题可以划出4个层面的问题:

1) 没有电能,是指没有电网,电能限于小范围自给自足,人类世界就是个什么样子?

2) 人类已经能达到的科技水平上,不采用电能作为驱动能源,人类世界究竟是个什么样子?

3) 用已知科学知识,在未来发展出一个不采用的世界,人类世界究竟是个什么样子?

4) 在物理世界中,没有电的效应,人类世界究竟是个什么样子?

如果那只松鼠敢先问第4个问题,我先把他吃了再说,因为没有电磁力的效应,分子原子都不能存在,当然也就没有松鼠的存在!

要全面回答剩下3个问题真的很难,我的方法是把电磁的效应划出来,看看能不能一一替代,最后看看社会发展出个什么样子?

首先要划定替代的边界,是否仅仅只是没有大规模的电力供应,这是第1个问题要回答的内容,或亦只是不能使用电能驱动人造物,这是第2、第3个问题要回答的内容。如果是电磁效应都不能使用,那么光这个典型的电磁现象都不能应用,人类世界将是一片黑暗,别提文明什么的了。

其次要界定应用的概念,是否主观刻意的应用才是应用,而非主观故意则不算应用,这个问法太主观了,要是某人装昏用了算什么呢?或异说,把物理学中电磁学这一章整个拿掉,放心,人类凭经验也会用上电磁现象的。

最后是考察的范围,要一一界定电应用及替代太困难了,只能从几个主要的方面考察没有电的世界:

首先是光,光是电磁现象,但没有光的世界太难想像了,因此定义边界应该是,1)第一问题中,这个假设不成立,2)在第2、第3个问题,应这样提:不用电或磁的方法产生光;

其次是热,同上,1)第一问题中,这个假设不成立,2)在第2、第3个问题,应这样提:不用电或磁的方法产生热;

再者是信息处理,包括信息的采集、存储、变换、传输(就是通讯了)等,1)第一问题中,这个假设不成立,2)在第2、第3个问题,应这样提:2)不用电或磁的方法进行信息处理;

最后是最重要的动力,1)第一问题中,这个假设不成立,2)在第2、第3个问题,应这样提:不用电或磁的方法产生动力;

下面开始回答问题。

1) 没有电,是指没有电网,电力限于小范围自给自足,人类世界就是个什么样子?

这个,没有大电网,自家搞个发电机自给自足还是可以活的,甚至我们现在所用的对电应用都不用改变,只是自家发电罢了,灯照亮、热照供、电机照转,一切照旧。只是,自家发电成本太高了,要按自家最大可用负荷配备发电机,而平时我们不在家时,有的电器还在运转,如冰箱,这时全家的电力负荷非常低,可是发电机还要运转供电。到了晚上,全家灯火通明,你的弟弟要用电热水器洗澡,妈妈要用蒸汽熨斗,而你可能因家庭发电容量不足不得不停止上网冲浪了。

当然可以用当今最先进的智能电网技术和冷热电联产技术来装备我们的家庭独立小电网,但是这意味着投资增加。为了投资这个家庭小电网,在有限的收入下,对社会而言是有限的产出下,你也许不得不放弃一些东西,也就意味社会总产出降低,生活水平下降。

这并不是说智能电网和冷热电联产技术是效率低下的,而是脱离了大电网的智能调节技术和冷热电联产技术价格高、效率低下。因为一个单位的冷热电负荷是不同时的,在大电网中,电力平衡交给大电网去完成了,而每个单位只需要配备少量蓄冷或蓄热设备,就可以平衡冷热负荷,这样就降低了系统成本,其价格降低、效率提高了。

clip_image003

巨大的电力网是人类最复杂的发明物,可以提高全社会的能源效率。通过大型复杂发输供电系统和统一调度,提供了高质量的电源,也为可以吸纳大量小的、不稳定的电源,如风电、小水电等。

电网是一个交换电能的网络,一个重要作用就是通过用户用电的非同时性,可以降低系统总容量,你家里用电热的时候,可能你的邻居正在睡觉,没有用电。当然不是说电力网中电力负荷就没有波动,一个电力网每时、每季的负荷峰值、用电量都是不一样的,电力网装机总量要满足系统最大的用电需求,而用户用电的不同时,自动平衡了一些负荷,使得装机总容量可以比较小,而一个完全独立按家庭或单位供电的社会,其总装机量是各单位用电峰值的总和,显然要远远大于一个使用电力网供电的社会总装机。理论上电力网越大,所需要峰值供电的量就越小,如果形成全球电网,发电负荷峰谷差将是最小的,发电容量利用率最高,当然电力输送的利用率低了,输电成本将提高,因此每个电力网都有一个经济的覆盖范围。

到这里,我们可以得出一个结论,电力网是一个提高能源效率、降低能源价格的能量交换网络,没有电力网,人类社会还可以生存,生活质量也不会下降太大,但社会总产出、效率降低了,能耗提高了,对化学能的依赖更加严重,碳排放量也会增加。有人可以争辩,用微型核能,这是可能的,但每家每户后院都安一个微型核反应堆,想想安全问题有多严重!!??

2) 人类已经能达到的科技水平上,不采用电能作为驱动能源,人类世界究竟是个什么样子?

这个,真的,有点难……

没有电能的世界,当然首先要把带电字头的东西统统去掉,肯定不能上网冲浪了,没有电视,没有电灯,没有电话(不能泡mm了,5555……),没有……,没有电影,哦不对,电影还是可以有的,只是不能叫电影了,要叫映画J

人类没有电当然能活(几千年都这样过来了),但这个世界当然不是你我想待的,我们只是头脑风暴一下,没有电能的人类社会能发展到什么程度呢?

首先是光,没有电灯了,当然无极灯也不能用,它虽然是微波驱动发光的,但它的电路都是电能驱动的。

没有电,当然可以有光了,老祖宗当年没有电,还不是可以烛光晚餐,囊萤映雪,照样夜读。不过,人类现代文明可不能只用这么低照度的照明工具,在人类长长的发明清单上,还是有一个高亮度的光源的,那就是汽灯!在大航海时代,就用于灯塔,现在还广泛用于缺电地区和野外徒步,驴友们可以非常熟悉的。照度非常高,几十个到几千烛光的都可以满足,有了它,看电影,哦不,应该叫映画,就不成问题了!

clip_image004

呵呵,很漂亮的野营汽灯

汽灯要烧油,太贵、维护太麻烦,在发明单上还有几个可以选择的低照度光源,不一定比得过蜡烛油灯,至少比囊萤映雪强。第一号,荧光棒,这是化学照明光源,反应物由过氧化物、酯类化合物和荧光染料组成,可以满足几个小时至几十个小时的照明需要,而且没烟没火,非常适合居家旅行使用。

第二号,放射发光,是物理光源,是永不熄灭的明灯,,利用放射性同位素衰变产生β射线的与发光基体(一般是硫化锌)作用发光,主要用于军事照明。放射材料主要用钷147和氚,据说阿波罗登月舱中使用了125个钷147原子灯,作为永久性照明。

这两种光源的颜色很多(当然不能和电发光比了),通过调整配比,可以产生不同色光,满足低照度照明要求。

有了光,热的问题就好解决了,高温热源可以用锅炉,低温热源还是可以使用热泵技术,只是驱动力不能是电力罢了。制冷,用机械热泵,或溴化锂制冷,还是可以冷热联产以节约能耗哦J

信息处理这是一个难题,信息的采集、存储、变换(计算)都只能也只能采用机械的方式实现了,机械计算机可是最早的计算机了,第一台真正的计算机是著名科学家帕斯卡(B.Pascal,哦想想压强的单位)发明的机械计算机,帕斯卡1623年出生在法国一位数学家家庭,19岁那年,他发明了人类有史以来第一台机械计算机。这个计算机是比较简单的,只能实现加减法运算,人称为“帕斯卡加法器”。1674年,莱布尼茨造出一台更完美的机械计算机——莱布尼茨的乘法机,加、减、乘、除四则运算一应俱全,也给其后风靡一时的手摇计算机铺平了道路。可别小看这些机械计算机,中国的原子蛋就是用手摇计算机摇出来的——P,美国的还是摇出来的。机械计算机一直发展,后来甚至还发明了机械差分计算机,据说二战美国战列舰上都装备了机械火控计算机呢……555,当时都那么强大了……

clip_image006

手摇计算机,难道蛋蛋就是这个东西摇出来的?!

clip_image008

可爱的迷你机械计算机

clip_image010

让人高山仰止的差分机

不过,看了这些老古董,你是不是对机械的信息处理能力感到很失望呢,我也是,不过,我们还是得佩服一下先人的智慧。机械的信息储存技术可不同于电子时代,那个时候存储介质是穿孔卡片,别小看它哦,IBM就是干穿孔卡片机起家的。18世纪末,西方一些国家已将穿孔卡片应用于纺织业,用来贮存纺织机工作过程控制的信息,后来,其应用领域扩展到统计工作中,如美国第一次人口普查就使用了穿孔卡片,穿孔卡片可以用于信息的管理、检索、存储等领域,也可以用于控制自动机械的运转。但要注意到是,穿孔卡片机是采用电信号控制的,要完全采用机械方式读取信号,其卡片厚度强度都需要提高,穿孔卡片机原理也要进行调整,但至少提供一个可能。

clip_image012

穿孔卡片的手工检索方法

信息的输入,当然可以是机械打字机、打孔机了,输出设备可以是机械打印机,机械的存储效率太低,机械计算机不太可能存松鼠们发表的文章,用机械计算机做文字处理太浪费了。

至于机械方式的远程通讯,我没想(查)出来,除了用电的方式,其他方式效率太低了,穿孔卡片可以通过邮递,和寄信差不多,反正没有电,工作效率不高,还是有时间写个信什么的。

一个完全没有电世界,信息处理的效率是很低的,需要人的大量参与……至少可以解决就业问题……,社会生产效率自然不高。

这样就说完了信息处理了,但要听音乐怎么办?电唱机是有机械式的,爱迪生发明的第一台唱片机就是全机械式的,至于音量,机械方式处理模拟信号功率放大有点难。不过并不是没有办法,喇叭也分为很多种,比如电动式、电磁式(也叫舌簧式)、压电式、电容式、压缩空气式、离子式等、磁场带式……等等,五花八门,种类繁多,但基本上都是电动式的L,等等,有一个不是,就是用振膜瓣控制压缩气流的压缩空气喇叭,这在早期的有声电影中有应用,但是发出的声音带有浓重的鼻音,而且同步方法很不完善,很快被放弃了。压缩空气喇叭并没有退出历史舞台,1984年清华席葆树教授研制成功了世界上最大功率的喇叭——2万声瓦的调制高压射流方向的射流式气流扬声器,用于厦门对台广播,气源压力6个大气压,声压143分贝,并因此发展出强声学,可以用于机场消雾、驱鸟等等。不过这样的喇叭转换部件仍然是电驱动的,还需要进行气动改造,利用气动转换部件替代电声部件。

clip_image013

找不到气动扬声器的图,只有当年厦门前线这个威力无比的美国九头鸟,不知道是电声还是气动的。

下面就该解决动力的问题了,动力是这个世界最重要的东西之一,没有动力机械计算机也不能做运算啊。用电能对动力解决之简单,是任何方式都不能比拟的。嘿,别在哪里自怨自艾了,快回答问题!不,这个事情很重要,是的,使用电能后,电机转速控制等,都交给电网解决了,而要自己安装非电能动力设备,就要自己调速了。

能产生动力的方法很多,内燃机——当然只能是柴油机,水轮机,蒸汽(轮)机、液动或气动机械,或许还有燃气轮机(需要改造),有人会问那汽油机呢?唉,那些都是要用电火花塞的。

工厂的话,可以集中安装动力机械,通过长长的传动轴将动力分配到各个车间,这是19世纪解决动力的办法,现在可不能采用这样的笨办法了。如果分散安装动力机械,比如每个车床安装一台内燃机提供动力,这样且不说排气困难,车床起停控制、转速控制需要增加不少成本,我们要的是一个现代化的非电工厂。

clip_image014

19世纪英国水力棉纺织厂内景,到处挂着传动轮J

非电工厂动力源需要一个像电一样的二次能源,比较合适的候选对象是液压和气压,这里比较推荐气压方式,气压就要有气动马达,就像电动机是电气时代的基本动力设备。

clip_image015

看,气动马达,这玩意性能还不错,就是噪音比电马达大些

气动马达在电气时代的药品、食品、化妆品、化学品等行业得到了广泛应用,在一些不合适使用电机、电气的场合也有广泛应用,甚至还发展出了气动逻辑元件,这是真正的非电气自动化的核心部件。气动逻辑元件可分为无可动部件的和有可动部件的两类,前者是射流逻辑元件(见射流元件),后者是微型逻辑阀。微型逻辑阀的工作压为5~800千帕,寿命高达几百万至几千万次,工作频率由几赫到几百赫,频率响应时间由几毫秒至十多毫秒。微型逻辑阀可分为各种基本逻辑门,如“或门”﹑“非门”﹑“与门”等,并可由它们组合成复合逻辑门,如“或非”﹑“与非”和双稳等。这样的逻辑能力可以完成一个非电的自动化工厂里吧J,但是这些电气时代发展出来的气动逻辑部件还大量依赖于电气控制回路,需要经过改造才能组装出一个非电工厂,至少通过这些图景,我们可以看到利用气动马达驱动的机械计算机、穿孔卡片、气动马达、气动逻辑部件、气动执行器、气动转换部件,足以做到一个非电自动化工厂。

clip_image017

呵呵,气动建材装配线,还是电控的

clip_image019

气动逻辑部件原理图

工厂的问题解决了,那家庭呢,冰箱、洗衣机、空调可都是需要动力的。同样,家用机械一样采用气动驱动,如气动的洗衣机、冰箱、空调等,由气动实现都没有问题,甚至气动洗衣机、空调利用机械计算机实现全自动控制。

clip_image021

可以气动的东东太多了

那能源配送呢,现在的天然气、煤气、煤炭、油料的生产、配送网络依然可用,动力的产生必须是小区式的点式集中供应,采用冷热气联产方式,集中提供冷气、热水和压缩空气。厨房炊事用火,采用管道燃气网络供应;气灯照明用油采用传统的商店销售方式供应。

到这里我们可以描绘一下在现有技术下可以达到的一个非电社会的生活图景:

某个夏日下午,你被小区的气流喇叭广播叫醒了,那悠悠的声音,仿佛是回到了70年代的中国,那熟悉的单位广播,只是声音有点闷。广播提醒小区的住户,过两天小区的冷热气联产中心需要停机检修,对此带来不便请各位住户原谅。只是,你心里想,停了好,虽然热了点,但终于可以睡上一个清净觉了。你走到厨房,看见老婆正在用煤气炉给全家准备晚饭,气动抽油烟机呼呼作响。夫人嘱你去去百货公司买瓶好酒回来,你那做穿孔卡片程序员的儿子写信来说过,今晚要带女朋友回来,全家吃个饭见个面。你把该洗的东西丢进气动自动洗衣机清洗,心里想着,家里的汽灯油不多了,也要记着去买些回来,全家晚餐总不能就着那盏永不熄灭的、昏暗的放射灯吧。接着下楼来,开上汽车——柴油驱动的,晚上开要点汽灯——去百货公司,路过映画院的时候,你看见门口挂起新映画广告,好像是前两天报纸上说的大片,可以考虑回头买4张票,晚上吃完饭,全家一起出来看有声映画呢……

看到这里,你对没有电的生活是不是要崩溃了。没有电,不但生活没有品质,社会生产效率也不高,所以没有电就没有现代化的生活啊……这个不学习的家伙,没听列宁同志说过,共产主义就是苏维埃+电气化吗!?

显然,机械时代的效率、计算能力、对物质的控制能力实在是太弱了,现在可以回答副标题的第一个提问了:在我们这个宇宙的物理原则下,电能的利用是一个文明的必经过程。

你可以争辩说,未来科技发达了,人类有足够的能力发展出不依赖电的文明,我同意,但我不愿意,请看……

3) 用已知科学知识,在未来发展出一个不采用的世界,人类世界究竟是个什么样子?

我们首先还是要定义一下问题,已知的知识和未来世界是什么关系,我觉得是,可以利用电气科技去发展出一个不依赖电能的世界,这个世界究竟是什么样子?

首先是能源供应,不能使用电能,那么非禁止就可以使用,物理的、化学的、生物的都可以,只要不用电力作为能源就行,但微观过程利用电磁现象应该不受限制的,否则,只有以死明志了……

物理能源包括,压力(液、气)、热力、弹力(形变蓄能)、重力等,比较容易入选的还是气压能、热能,一个是比较容易获得——容易从其他能源转化而来,再者是比较容易形成分配网络。

压力能的获得,一般是通过机械能转换而来,机械能可以从化学能、热能中获得;热能则是化学能、核能、太阳能转换而来。

使用气压能作为能源相对比较安全,是替代能源的首选。热能尽管比较容易获得,但热能潜在危险性较大,不宜直接用于民用,特别是居家使用。

化学能源,包括常规的化石能源,可以进行氧化-还原反应的化学能源,生物能也是化学能源的一种。

化石能源是除电能外,唯一可以远程输送和配送的能源,但我们都知道,它的储量是有限的,一旦用完就意味着非电文明的终结。也许有人争辩说,可以使用核能和太阳能,是的,金属铀是有限的核能也是有限的,太阳能虽然是无限的,但太阳能热采集需要用到的部件很多都依赖于电化学过程。禁止用电的话,热太阳能很难远距离输送,我们可以用太阳能在沙漠中搞温室,生产生物燃料供文明使用,可以的,但这个生产方法效率那么低下,这个地球肯定养不活现在这么多的人。

其次工业生产,如果不能使用电能,很多电化学过程都不能使用,对常规的生产方式影响是非常大的,比如电解铝,常规置换法生产的铝比黄金还贵;比如电镀,这是很多太阳能热采集装置必须使用电镀的聚光材料,有部分电镀工艺可以采用化学气相沉积或物理气相沉积方法代替,效率最高、效果最好的物理气相沉积方法——离子镀却是要用电的;比如电焊,很多金属构件生产的方法,部分可以采用氧焊、铆接工艺完成,但性能远不及电焊;比如……

最后,要看光、声、热、力、信息等如何产生和运作:

光,前面已经讲过可以用汽灯、荧光、放射光,在未来世界还可以用生物光源,生物发光是一个古老的现象了,属于化学发光的范畴。比如萤火虫,萤火虫发光细胞中含有荧光素、荧光素酶两种发光物质,它们与ATP(三磷酸腺苷)及氧一起反应发光,发光强度正比于ATP浓度。生物光源属于冷光源,效率比较高,如果将来科技足够发达的话,是可以做出照度足够高的生物冷光源的。

热,现有的非电技术都可以满足。

力,采用气动技术仍可继续满足要求。纳米和生物技术的进步,可以想见在微观领域中,动力系统可以大不一样。在如此小尺度上,物体运动受布朗运动影响极大,微生物、细胞发展出了与众不同的运行方式(菌城旧事(上))。如果人造物体积能大幅度缩小,其工作方式一定和细菌差不多。

信息处理,机械方式效率太低,在候选的信息处理技术中,有量子计算机、生物计算机等,最有非电世界前途的,应当是生物计算机。如果生物技术足够先进,可以制造出合适的生物器件,完成信息采集、存储、变换、输出、通讯等过程,这个社会还是能产生足够的生产力。

clip_image022

传说中的RNA分子生物计算机

clip_image024

传说中的生物计算机,据说可以能耗很小、速度很快,输入输出还是电的

有了这些分析,现在我们可以尝试描绘一个生物技术的极度发达的社会生活了:

某个夏日的下午,午休中的你被家里的智能生化仆人叫醒——这个智能生化仆人长得和人一样,各种机能比如记忆力、技能、力量都被进行强化了,只是思想上完全忠于主人,也没人权,它是被你买来的——提醒你,你需要准备出发去你的好朋友哥斯拉的家,参加今晚的派对。在你穿着打扮的同时,智能生化仆人向你报告,它已经补充了家里的生物营养液——这是它和家里的生物光源灯、生物计算机、生物电视的工作能源,生物营养液是由遥远的沙漠中太阳能生物能量厂制造的,完全循环使用,非常环保——并按照您的要求,通过超声波通讯网给远方的叔叔发了一封节日问侯信。你走到楼下,智能生化仆人帮你叫好的智能出租车已经在等候你了,这个车是采用甲壳生物技术生产的,重量轻,安全性好,由超高压压缩空气驱动的,行驶非常安静平稳,由智能生化人驾驶,这些智能生化人的机能经过了强化,在操作车辆行驶过程中几乎不会出事故,甚至可以模拟电子时代汽车的ABS(防抱死刹车)进行紧急操作。到了哥斯拉的家了,在家门口,智能生物安保装置核对了你的面貌、声音,打开肌动门,并用温柔的生音欢迎你的到来……

写到这里,我几乎都被恶心死了,我宁愿生活在一个有电的、乱哄哄的世界,也不愿意去这样一个发达的、没电的世界,更不用说那个没有电、机械的世界……

现在可以可以回答副标题的第二个疑问:电能这种形式是没有其它能量形式可替代的。

clip_image026

最简单、最复杂,如同CPU一样,简单的导线背后封装的是一个完整的复杂系统

电能带给这个世界的效率是非常高的,几乎不可想象。仅仅是一对导线,就可以提供几乎所有生活所需的能源。导线在物理空间上的任意弯曲,使得很多人造部件的安装布置、工作变得极为简单。插头背后是有史以来最复杂的人造物,不,应该说是一个系统,到目前为止,我们还没有完全掌握这个系统的所有知识。

这个系统带给其他人造物的性能提高,几乎不可想象。仅仅是稳定的频率,使得很多动力设备省却了复杂的调节控制装置,节省了大量的社会成本。

这个系统的未来发展,几乎不可想象。发、输、配、用电技术在不断的变化,发电将越来越洁净,太阳能风能将成为未来的主力,未来的发电系统可能由超大太空太阳能电站和遍布全球的微小的、分布式发电站组成,用户既用电也发电,富余电量反馈电网,用电高峰时从电网获得电能补充;输配电完全智能化,能自动隔离故障,并调整系统的运行方式,与发、用电设备交互更加紧密;用电设备日益智能化,能自动根据系统生产能力、用户的需要、价格等自动做出调节。智能电网只是未来20年的主题词,这个系统还会发展出更多更令人惊叹的成就。

一个没有电的文明世界几乎是不能想象的,舍去电能的利用,会让人类社会付出效率上的极大代价,简单的说,就是文明的倒退。要奴役一个群体,或打败一个群体,最有效的办法,就是不给他们用电,山姆大叔在南斯拉夫、伊拉克就是这么干的。

所以,拿什么取代你,我的电能,这个,现在和可预见的未来,根本不可能!

——————————

参考资料:这篇文章参考了互动百科、百度百科、中国百科网、科学网、藤影荷声网、国科社区、维普知识社区等的刊载的资料,还有很多没数出来的网站、博客、论坛等等,一句话,没有互联网就没有这篇文章。

http://hi.baidu.com/全金属馒头


Dr.Who说:我个人倒是相信,这个宇宙中存在许多我们还不了解甚至无法想象的智慧生命……电能会作为宇宙间通用的能源方式吗?

0
为您推荐

11 Responses to “[Dr.You第36期]读者来信:亲爱的,你需要电?”

  1. xbm说道:

    沙发

  2. mirror说道:

    全金属馒头和dasltr以审题开篇很是不错。如果说有缺陷的话,前者篇幅太长,后者结尾一段有个蛇足。“有人认为电磁波也是电能,非也,电能指的是通过电流做功,而电磁波算不上是电流,非要说是什么能的话,算是光能吧”的见识与开头的4种相互作用的风格不相符。微波炉是电磁波做功,无疑是电能。高能加速器的“动力源”也是电磁波。

    sunless的题目分析也很有深度,有特色。只是功亏一筹,推论的一贯性不好。“500秒之前的核能”的理解有误。500秒前的是热辐射。核能从中心传递到面面需要更久更久的时间。

    总有人拿蒸汽机来说事儿。这里面可以看出有重大的理解方面的缺陷。今天是信息社会。支撑着这个结构的不仅是能源,更有“电子”。没有电子的大规模控制系统显然是无法实现的。

    这几位的思考深度显然大大超过了命题的人群。作为能量的电能可以讨论代替性。但是电能(子)还支撑着信息社会。这个就不是什么代替的问题了。

    • 89度热水说道:

      电子设备的话,理论上用纯光能可以代替吧

  3. hbchendl说道:

    以前曾经看到过一句话:信息就是能量的一种形式。
    当我考虑什么东西能代替电能的时候,我首先想到的是,没有电脑,我们还能用什么来处理这世界上越来越海量的信息资源。
    确实,在电能被人类发明之前,我们曾经有过蒸汽时代,没有电的日子,人类照样能活。甚至没有能源 的时代人类依然能生存下去,只是,要提到“代替”,电能的可控制性,可传输性,等等这些优势,能被别的形式代替吗?

  4. xuby说道:

    汽车上烧的汽油本质上讲就算是一种弱核力啦。

  5. Sheldon.Li说道:

    “类比一下物质的比例,可以发现发光物质在金字塔的顶端,暗物质在金字塔的中间,暗能量在金字塔最低部。如果把物质比喻成生物,那么很自然,物质的进化过程是,从大爆炸到暗能量,从暗能量到暗物质,最后从暗物质进化到发光物质。”
    ===================================================================
    这个想象力很丰富啊!不过根据现有的理论,暗能量是宇宙诞生很久之后才“出现”的,在此之前,宇宙分别经历了暴胀时期,辐射主导时期,以及物质主导时期,大概在90亿年前的时候,暗能量才开始对宇宙的演化产生重要影响。

  6. kindred说道:

    今天突然感觉松鼠会的字好小

  7. 沐右说道:

    〉〉第三十五期问题:拿什么取代你,我的电能?(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)

    其实是第三十六期,汗
    有的时候copy+paste也挺好的

  8. Lucia说道:

    这个是否可以考虑,没有电能以后,可以用其他能源代替,支持灯、电脑、等带电的东西继续使用!

  9. 说道:

    我哟,这个帖子原来这么好看,推荐推荐。

    话说前几天交流电之父特斯拉老人家的153岁生日,google都表示了敬意,我们却对此没做出任何反应,真是惭愧。