美国肯特州立大学的纬度

进入正题之前，先给大家讲一个关于工具的故事。

这个故事来自一本名叫《太阳的阴影》（Shadows in the Sun）的旅行日记，作者韦德·戴维斯（Wade Davis）是加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）的人类学教授。他写过15本书，内容大都是他在各个原始部落的冒险经历，因此他被誉为“真实世界里的印第安纳·琼斯”。

这本《太阳的阴影》讲的是住在加拿大北方的因纽特人的故事。上世纪50年代，加拿大政府试图把分散在各地的因纽特人集中起来，迁入政府出资建造的移民村。一位因纽特老人不愿意搬家，于是他的家人把他的工具全都藏了起来，逼老人跟大家一起走。但是，倔强的老人用自己的粪便制作了一把刀，用这把刀杀死了一只狗，用狗的胸骨制作了一副雪橇，把狗皮剥下来制成了一副挽具，然后老人指挥另一只狗拉着这副雪橇逃离村庄，消失在茫茫冰雪之中。

戴维斯很喜欢这个故事，曾经在“技术、娱乐、设计”（TED）大会上讲过一次，收获了将近400万的点击量。曾经有人质疑这个故事的真实性，他回答说：“不论真假，这是个很好的寓言故事，表现了因纽特人坚毅的性格。”

2019年，美国肯特州立大学（Kent State University）的人类学教授麦庭·艾伦（Metin Eren）听到了这个故事，他也怀疑这个故事的真实性，决定亲自做个小实验来验证一下。他模仿因纽特人的饮食习惯，连吃了一个星期高蛋白高脂肪的食物，然后他收集了自己的粪便，用干冰将其冻成硬块，磨成了一把刀。可是，当他试图用这把刀切猪肉时，却发现刀口一碰到猪皮就融化了，好像手里拿着的不是一把刀，而是一支棕色的蜡笔。

艾伦教授把实验结果写成一篇论文，发表在2019年10月出版的《考古学杂志》（Journal of Archaeological Science）上，结果被“搞笑诺贝尔奖”（Ig Nobel Prize）评为2020年度材料科学大奖。其实艾伦教授的这项研究比戴维斯讲的那个故事更像寓言，因为它深刻地揭示了人和材料之间的紧密关系，值得我们好好琢磨一下。

首先，这个故事告诉我们，材料在很多时候是比食物更重要的东西，因为材料具有极强的不可替代性，这一点和食物非常不同。比如，因纽特人生活在北极冰原上，那里几乎没有任何植物，所以因纽特人既没有面包也吃不到米饭，甚至连蔬菜都没有，但他们依然能靠吃生肉活下来，而且他们的身体也慢慢适应了这种变化，反而吃不惯米饭面包了。可是，由于北极地区除了冰雪之外几乎啥都没有，因纽特人缺乏制造工具所需的原材料，生活质量受到了很大影响。比如那位因纽特老人的亲戚们只需把老人的工具藏起来就能把他困住，因为他找不到制造工具的原材料，几乎任何事情都做不了。

正常情况下，因纽特人会用海象牙或者兽皮和低纬度地区的人们交换工具，一把钢制小刀的价值要比一件毛皮大衣大多了。同理，古代社会不同部落之间最先开始交换的东西并不是美食，而是制造工具所需的特殊材料。比如，非洲最早的贸易网络就是为了交换黑曜石而搭建起来的，这种石材只有在火山附近才能找到，在原始人学会提炼金属之前，黑曜石是制造切削刀具的最佳材料，无法替代。再比如，人类走出非洲之后建立的第一个贸易网络是为了交换铅和锡，这两种金属都是制造青铜所必需的原材料，同样无法替代，而且储量稀少。

说到古人建立的贸易网络，最知名的案例无疑是丝绸之路。这是古代欧亚大陆上建立的距离最长、规模最大、持续时间最久的贸易网，原因就是丝绸是一种无法替代的奢侈品，西方人做不出来，只能和中国人交换。东西方文化的相互交融，正是借助这条丝绸之路才得以实现的。

无数类似案例表明，正是由于人类对一些特殊材料的需求，开启了不同族群之间大规模物质交换的序幕。如果没有这种物质交换，也就不会有文化交流，人类就无法相互学习，互相借鉴，人类文明肯定不会进步得这么快。

其次，这个关于工具的故事还告诉我们，制造工具的材料的性能往往和温度密切相关，而温度则和人类的技术发展水平紧密相连。在这个故事里，低温改变了材料的性能，但在人类的材料史上，高温才是更重要的因素。祖先们通过高温煅烧，把软泥巴变成了硬砖块，盖起了世界上第一幢结实的房子，彻底改变了人类的居住环境；祖先们还在这一过程中摸索出了陶器的制作方法，制造出人类历史上第一套厨房用具，彻底改变了人类的饮食方式；青铜器的出现得益于古人对高温的理解和追求，人类的日常生活因此而精致了许多；铁器的出现则是和人类烧窑技术的进步密切相关，从此人类掌握了一种威力强大的杀人武器，先天的体力优势不再是决定战争胜负的关键因素。事实上，由于地壳中的铁矿石蕴藏量非常丰富，铁成为人类历史上第一种几乎完全取决于使用者技术能力的原材料，任何人都可以拥有铁器。从此，人类从资源主导型社会过渡到了技术主导型社会，从体力为王的荒蛮时代过渡到了靠智力取胜的文明时代。

随后，人类又先后发明了瓷器、玻璃、棉布、丝绸、水泥、橡胶、塑料和化纤等新型材料，极大地提高了人类的生活质量。制造这些新材料不但需要高温，还需要用到很多更加先进的物理和化学技术，人类的整体科技水平也因此不断提高，终于把人类送上了地球之王的宝座。

第三，在这个关于因纽特人的故事里，粪便属于可再生材料，只要这位老人有海豹肉吃就行了。但实际情况往往正相反，很多材料都是不可再生的，总有用完的那一天。比如用于制造钢筋混凝土的矿石的储量是有限的，用于制造塑料和化纤的石油和天然气的储量也是有限的。随着地球人口的持续增长，争夺原材料的战争愈演愈烈，已经成为国与国之间发生争端的主要原因之一。

更加令人担忧的是，有些原材料虽然是可再生的，或者因为储量极为丰富而暂时不用担心枯竭，但因为用量实在太大，给自然环境带来了不可挽回的损失。比如，人类对木材的需求导致大量原始森林被砍伐殆尽，很多陆地动植物因此而灭绝；再比如，人类对一次性塑料制品的滥用导致大量不可降解的塑料制品进入海洋，严重影响了海洋生物的健康。最糟糕的是，材料的生产和使用过程排放了大量温室气体，这是全球气候变化的主要原因之一。

虽然这些危害我们早已知道，但材料的生产和消耗仍然与日俱增，因为人类社会不能没有经济增长，而经济增长一直没能和物质生产脱钩，所以人类暂时还离不开材料。2020年12月10日出版的《自然》（Nature）杂志刊登了以色列魏茨曼科学研究院（Weizmann Institute of Science）的科学家撰写的一篇论文，发现人造物质总量已经超过了地球上的活生物量，地球从2020年起正式从一个所有生命共同拥有的家园变成了人类一家独大的超级大工厂。

造成这一结果的原因是双向的：一方面，随着生产力的飞速提升，人造物质正以每年超过300亿吨的速度增加；另一方面，由于人类占用了太多本属于野生动植物的领地，导致地球上的活生物量反而略有下降。于是，人造物质占地球活生物量的百分比从20世纪初时的3%变成了2020年的100%。

这些人造物质主要包括钢筋混凝土、砖石、沥青、塑料、人造纤维和各种金属，制造这些物质的原材料大部分来自地下，其中只有不到10%被循环利用了，其余的终将有一天会变为垃圾。

要想彻底解决材料带来的问题，必须把经济增长和物质生产之间的联系断开。英国萨里大学（University of Surrey）经济学教授蒂姆·杰克逊（Tim Jackson）和加拿大约克大学（York University）环境学教授皮特·维克多（Peter Victor）在2019年11月22日出版的 《科学》（Science）杂志上发表了一篇重磅论文，分析了经济增长和物质生产“断联”的可能性。

文章用二氧化碳排放量作为衡量物质生产强度的指标，发现1965年全球国民生产总值（GDP）当中每1美元对应的二氧化碳排放量是760克，而2015年时的这一数值降到了500克。也就是说，人类依靠技术革新提高了能源效率，在半个世纪的时间里把GDP的碳强度减少了35%。

但是，同一时期的二氧化碳排放总量却一直在增加，这是因为人类的经济增长速度远比生产效率的提高要快得多。今天人类排放二氧化碳的速率比1990年时高了60%，这个增长速度如果持续下去的话，早晚有一天会把地球变成一个大火炉。

按照两人的计算，要想把气候变化限制在可接受的范围内，人类必须大幅降低GDP中的碳强度，降幅必须保持在每年14%以上，而且要连降30年，难度是非常大的。要知道，此前人类GDP碳强度的降幅最大也只有3%，而且这一“成就”是在上世纪70年代石油危机时达成的。

两位科学家特别指出，要想完成“断联”的目标，必须全世界一起努力，光靠某几个国家或地区使劲是不行的。比如欧盟在1990～2017年间的碳排放总量下降了22%，GDP却增加了58%，看似“断联”成功，但这一成绩是通过把高污染行业转移到发展中国家来实现的，如果把这部分算上的话，欧盟的真实碳足迹要比统计数据高20%。

文章结尾指出，要想把GDP和二氧化碳之间的联系断开，光靠技术革新是不行的，必须从根本上改变人类的行为方式，不再把物质享受当作衡量幸福的唯一标准。

对应到材料领域，这就意味着我们必须改变我们盖房子的方式、乱扔东西的习惯，以及对服装的审美标准，因为钢筋混凝土、塑料和纤维是人类使用量最大的3种材料，对环境造成的污染也是最大的。如果再不改变的话，节能减排的目标是不可能完成的。

就在2020年9月22日召开的第75届联合国大会上，中国向全世界做出承诺，到2030年时达到二氧化碳排放峰值，GDP的碳强度比2005年下降65%以上，争取2060年前实现碳中和目标。这是个振奋人心的承诺，很有可能彻底改变世界的未来。要想实现这些目标，能源领域的改革当然是重头戏，但材料领域同样不可忽视。要知道，仅仅是水泥这一种材料，就占人类排放温室气体总量的8%，而中国的水泥产量占比超过了50%。

人类文明曾经被材料改变过很多次，未来仍然会继续如此，因为我们本质上都是那位因纽特老人，一旦离开了材料就不再是文明人了。同理，人类对于材料的生产和使用方式也到了必须加以改变的时候了，因为如果再不改革的话，我们也不再是文明人了。

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