От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты

В тех случаях, когда экспоненциальный рост продолжается длительное время и ставит новые рекорды, окончательная, неотвратимая сила этой реальности может казаться неприменимой. Многим рационально мыслящим людям удавалось убедить себя – повторяя мантру «на этот раз все по-другому», – что результаты будут умножаться в течение длительного периода. Лучшие примеры этих, часто коллективных, заблуждений можно встретить в истории рыночных пузырей, и я довольно подробно опишу два особенно примечательных недавних события: рост экономики Японии до 1990 года и Новую экономику Америки 1990-х.

Экономический подъем Японии в 1980-х является одним из лучших примеров, которые нужно учитывать людям, желающим трезво воспринимать возможности экспоненциального роста. После роста в 2,6 раза в 1970-е годы Nikkei 225 (ведущий японский индекс фондового рынка и эквивалент американского Dow Jones Industrial) вырос на 184 % в период между январем 1981 и 1986 года, затем еще на 43 % в 1986 году, почти на 13 % в 1987 году, почти на 43 % в 1988 году и еще на 29 % в 1989 году (Nikkei 225, 2017). В период между январем 1981-го и декабрем 1989 года Nikkei 225 вырос более чем в пять раз, что соответствует среднегодовому экспоненциальному росту в 17 % за десять лет и 24 % за вторую половину. Одновременно ВВП Японии продолжал расти с годовым темпом более 4 %, и обменный курс йены укрепился с ¥239/US$ в январе 1980 года до ¥143/US$ к декабрю 1989 года.

Но должна была наступить отрезвляющая развязка, и в главе 6 я расскажу о том, что происходило после 1989 года. Но экспоненциальный рост легко вводит в заблуждение, и в 1999 году, через десять лет после того как Nikkei достиг своего пика, я размышлял об опыте, пережитом Японией, ожидая арендованную машину в аэропорту Сан-Франциско. Кремниевая долина переживала годы пузыря доткомов, и, даже зарезервировав машину заранее, приходилось ждать, пока только что возвращенные автомобили обслужат и снова выпустят в самую гущу забитого Бэйшор-Фривей. Памятуя японский опыт, я думал, что каждый год после 1995-го мог быть последним периодом иррационального изобилия, как назвал его Алан Гринспен, но ни 1996-й, ни 1997-й, ни 1998-й не стали им. А многие экономисты заверяли американских инвесторов – даже с большей готовностью, чем десятью годами ранее, – что этот период экспоненциального роста отличается и что старые правила неприменимы к Новой экономике, в которой бесконечный быстрый рост будет продолжаться беспрепятственно.

В 1990-е Dow Jones Industrial Average – предположительно под влиянием Новой экономики – продемонстрировал самый высокий десятилетний рост в истории и поднялся со значения 2810 в начале января 1990 года до 11 497 в конце декабря 1999 года (FedPrimeRate, 2017). Эти показатели соответствуют годовому экспоненциальному росту в 14 % за десять лет с пиковыми значениями 33 % в 1995-м и 25 % в 1996 году. В продолжение этого роста к 2010 году уровень индекса достиг приблизительно 30 000. Nasdaq Composite Index, отражающий растущую мощь отрасли компьютерных технологий и коммуникаций (во главе с компаниями Кремниевой долины, стремительный рост капитализации которых был обусловлен биржевыми спекуляциями), продемонстрировал в 1990-х еще более высокие результаты: его экспоненциальный рост в среднем составил почти 26 % в год в период между апрелем 1991 года, когда он достиг отметки в 500 пунктов, и 9 марта 2000 года, когда он достиг 5046 пунктов (Nasdaq, 2017).

Даже обычно осторожные в высказываниях обозреватели были поражены. Джереми Сигел из Уортонской школы бизнеса не мог скрыть восхищения: «Это потрясающе. Каждый год мы говорим, что более 20 % роста снова быть не может, – и снова получаем его. Я по-прежнему считаю, что нам нужно привыкать к более низкой, более нормальной прибыли, но кто знает, когда закончится эта полоса?» (Bebar, 1999). А энтузиасты зарабатывали деньги на оптовой продаже невозможного: один спрогнозировал, что Dow Jones достигнет отметки 40 000 (Elias, 2000), другой – что он неизбежно поднимется до 100 000 (Kadlec and Acampora, 1999). Но конец пришел, и опять-таки довольно быстро. К сентябрю 2002 года Dow Jones упал до отметки 9945 пунктов, почти на 40 % по сравнению с пиком 1999 года (FedPrimeRate, 2017), а к маю 2002 года Nasdaq Composite рухнул почти на 77 % по сравнению с пиком в марте 2000 года (Nasdaq, 2017).

Технический прогресс также иногда развивается по экспоненте и, как я покажу в главе 3, в некоторых случаях продолжается десятилетиями. Максимальная мощность паровых турбин является прекрасным примером долгосрочного экспоненциального роста. Чарльз Алджернон Парсонс запатентовал первую модель турбины в 1884 году и почти сразу же создал маленькую установку, которую можно видеть в холле Parsons Building в Trinity College в Дублине, с мощностью всего 7,5 кВт, но первая коммерческая турбина, начавшая вырабатывать электричество в 1890 году, была в 10 раз больше и имела мощность 75 кВт (Parsons, 1936).

В результате последующего быстрого роста к 1899 году появилась первая турбина мощностью 1 МВт, через три года – установка мощностью 2 МВт, в 1907 году – первая модель мощностью 5 МВт, и перед Первой мировой войной максимальная мощность турбины, установленной на станции Фиск-стрит Commonwealth Edison Co. В Чикаго, составила 25 Мвт (Parsons, 1911). Между появлением первой коммерческой модели мощностью 75 кВт в 1890 году и установкой мощностью 25 МВт в 1912 году максимальная мощность паровых турбин Парсонса росла с экспоненциальной скоростью более 26 %, удваиваясь менее чем за три года. Это было значительно быстрее, чем рост мощности первых паровых двигателей в XVIII веке, когда Бенуа Фурнерон начал серийный выпуск первых моделей.

Иногда показатели растут экспоненциально благодаря не постоянному совершенствованию изначальной технологии, а серии инноваций, когда этап следующей инновации начинается там, где старая достигла своего предела: траектории индивидуального роста, несомненно, имеют S-образную форму, но огибающая кривая[5] явно носит экспоненциальный характер. История электронно-лучевых трубок, которая кратко будет изложена в главе 4, является прекрасным примером экспоненциальной огибающей кривой, охватывающей почти век прогресса. В главе 4, посвященной росту артефактов, я подробно рассмотрю самый, пожалуй, известный случай современного экспоненциального роста, продолжавшегося 50 лет: рост числа транзисторов на кремниевой микросхеме, описанный законом Мура, согласно которому оно удваивается каждые два года.

И прежде, чем оставить тему экспоненциального роста, будет уместно упомянуть простое правило расчета периода удвоения значения, идет ли речь о раковых клетках, банковских счетах или вычислительной мощности компьютеров или, наоборот, расчете темпов роста с использованием известного времени удвоения. Точные результаты получаются путем деления натурального логарифма 2 (равного 0,693)[6] на преобладающий темп роста (выраженный как доля от единицы, например 0,1 для 10 %), но довольно точный приблизительный результат можно получить, разделив 70 на темп роста, выраженный в процентах. Когда экономика Китая росла на 10 % в год, период удвоения составлял семь лет; и наоборот, удвоение числа компонентов на кремниевой пластине за два года предполагает годовой темп экспоненциального роста около 35 %.

Гиперболический рост

Неограниченный и, следовательно, на Земле только временный экспоненциальный рост не следует путать (как это иногда бывает) с гиперболическим ростом. Для экспоненциального роста характерно увеличение абсолютного темпа роста, однако он остается функцией по времени, приближенному к бесконечности. В отличие от него гиперболический рост достигает своей кульминации в абсурде (сингулярности), когда значение растущей переменной достигает бесконечности за конечный промежуток времени (рис. 1.7). Это конечное событие, конечно, невозможно в любых конечных пределах, и сдерживающая обратная связь в конечном счете окажет тормозящий эффект и прекратит гиперболический рост. Но, начавшись в низком темпе, гиперболические траектории могут развиваться в течение относительно длительных периодов времени, прежде чем их развитие остановится и сменится другой формой роста (или спада).

Рис. 1.7. Кривая гиперболического роста в сравнении с экспоненциальным ростом

Первым так называемую суперэкспансию – то есть ускоряющийся рост мирового населения благодаря ускоренной эволюции цивилизаций – отметил Анрэ Кайо: «…вполне естественно связывать суперэкспансию человечества с присутствием Духа?»[7] (Cailleux, 1951, 70). Этот процесс соответствует квазигиперболическому уравнению: P = a/(D – t)M, где a, D и M являются константами. Мейер и Валли (Meyer and Vallee, 1975, 290) пришли к выводу, что рост населения «далек от “естественной” склонности к состоянию равновесия… демонстрирует уникальное свойство самоускорения».

Но такое возможно лишь на ограниченном временном промежутке, иначе число людей в конце концов достигло бы бесконечности. Фон Фёрстер и др. (von Foerster et al., 1960, 1291) рассчитали, что «пятница, 13 ноября 2026 года» станет Судным днем, когда «население приблизится к бесконечности, если будет расти, как росло за последние два тысячелетия». Очевидно, что это никогда не случится, и всего через несколько лет после того, как Фёрстер и его соавторы опубликовали свою работу, годовой рост мирового населения достиг пика, и начался переход к новой траектории.

Правда, Хёрн (Hern, 1999) доказывал, что рост мирового населения демонстрируют поразительные параллели с ростом раковой опухоли, так как некоторые виды рака также демонстрируют сокращение периода удвоения клеток во время самой агрессивной фазы. Начав отсчет 3 млн лет назад, он рассчитал, что к 1998 году население удваивалось 32,5 раза, а 33-й (когда оно достигнет 8,59 млрд) закончится в начале XXI века[8]. Если к антропомассе добавить биомассу домашних животных, то 33-е удвоение уже завершилось. Некоторые злокачественные опухоли вызывают смерть организма-хозяина после 37–40 удвоений, и (если предположить, что тенденция продолжится) 37-е удвоение населения будет достигнуто через несколько веков.

Анализ роста мирового населения Нильсена (Nielsen, 2015) показывает, что за последние 12 000 лет наблюдалось приблизительно три периода гиперболического роста: первый – между 10 000 и 500 годами до н. э., второй – между 500 и 1200 годами н. э. и третий – между 1400 и 1950 годами. На эти три периода пришлось около 89 % всего роста за последние 12 тысяч лет. Во время первых двух переходных периодов (с 500 года до н. э. по 500 год н. э. и 1200–1400) происходило значительное замедление роста народонаселения, и кривая этого роста далеко уходила от гиперболической траектории. Траектория же сегодняшнего переходного периода еще неизвестна: увидим ли мы сравнительно быстрое выравнивание и последующее длительное плато или пик, за которым последует значительный спад? О траекториях роста населения будет сказано больше в главах 5 и 6.

Существует еще один класс примечательных примеров антропогенного гиперболического роста, который отмечают многие авторы, изучающие ускоренное развитие. У этих работ длинная история: впервые они появились во второй половине XIX века (Lubbock, 1870; Michelet, 1872), а в XX веке их дополнили работы Генри Адамса, французских историков 1940-х годов и (начиная с 1950-х) многих американских историков, физиков, специалистов в области техники и информатики. Адамс писал о законе ускорения (Adams, 1919) и «законе фазы применительно к истории», согласно которым человеческое мышление предельно и интеллект в конце концов должен достичь предела своих возможностей (Adams, 1920)[9]. Мейер (Meyer, 1947) и Галеви (Halévy, 1948) писали об ускорении эволюции и об ускорении истории. Основной вклад в американскую волну с разных точек зрения внесли Фейнман (Feynman, 1959), Мур (Moore, 1965), Пил (Piel, 1972), Моравец (Moravec, 1988), Корен (Coren, 1998) и Курцвейл (Kurzweil, 2005).

Многие из работ этих авторов или подразумевают, или явно говорят о наступлении сингулярности, когда развитие искусственного суперинтеллекта достигнет такого уровня, что превратится в беспрецедентный неконтролируемый процесс. Подразумевается, что искусственный интеллект не только превзойдет человеческие возможности (вообразимые), но также приблизится по скорости обработки информации к мгновенной скорости физических изменений. Очевидно, что подобные достижения кардинальным образом изменят нашу цивилизацию. Адамс предсказывал (как он понимал ее, то есть исключая вычислительные измерения) наступление сингулярности в период между 1921 и 2025 годами (Adams, 1920). Корен (Coren, 1998) откладывал ее до 2140 года, а последние прогнозы Курцвейла, касающиеся момента, когда машины, работающие с помощью искусственного интеллекта, возьмут верх над людьми, относятся к 2045 году (Galleon and Reedy, 2017). Пока мы (как утверждают многие из этих авторов) неумолимо движемся к этой фантастической ситуации, сторонники ускоренного, то есть гиперболического, роста приводят другие его примеры, разворачивающиеся на наших глазах. Среди них чаще всего называют способность человечества обеспечивать продовольствием растущее население, использовать еще более мощные способы преобразования энергии или путешествовать на еще более высоких скоростях. Это отображается в виде последовательности логистических кривых, феномена, хорошо описанного Дереком Джоном де Соллой Прайсом (Derek J. de Solla Price, 1963, 21):

Каждое новое осознанное ограничение вызывает восстановительную реакцию… Если реакция успешна, ее ценность обычно настолько трансформирует измеряемое явление, что оно обретает вторую жизнь и поднимается с новой силой, пока наконец не встретит свою гибель. Поэтому встречаются два варианта традиционной логистической кривой, более частые, чем простая S-образная интегральная кривая распределения. В обоих случаях вариант возникает во время перегиба, предположительно в тот момент, когда лишения, связанные с потерей экспоненциального роста, становятся невыносимыми. Если небольшое изменение определения измеряемого явления позволяет считать это явление новым наравне со старым, то новая логистическая кривая, как феникс, возрождается из пепла старой…

Мейер и Валли (Meyer and Vallee, 1975) доказывали, что феномен логистического расширения или ускоренного роста недооценивается и что скорее гиперболический, чем экспоненциальный, рост довольно распространен, если рассматривать технический прогресс в долгосрочном плане. Их примеры гиперболического роста включают как число людей, которые могут прокормиться с участка земли, так и рост максимальной мощности первичных двигателей, скорости путешествий и максимальной эффективности методов преобразования энергии. Историческая траектория роста отдельных явлений описывается S-образными кривыми (логистическими или другими, с характерными для них асимптотами[10]), но огибающая кривая последовательных приростов делает всю последовательность роста временно гиперболической. Как и Прайс, Мейер и Валли (Meyer and Vallee, 1975, 295) рассматривали этот процесс передачи эстафеты как автоматическую последовательность: «как только машина достигает потолка производительности, другая, с качественно отличающейся технологией, подхватывает эстафету у предыдущей и превосходит ее предельный результат, в результате чего создается эффект поддержания ускорения количественной переменной».

Однако при более пристальном взгляде становится понятно, что реальность несколько сложнее.

Пищи, добытой первыми собирателями и охотниками, хватало всего на 0,0001 человека с гектара земли. В более благоприятных условиях это число достигало 0,002 человека/га. Переход к производящему сельскому хозяйству поднял плотность на два порядка, до 0,2–0,5 человека с гектара. Первые государства, где практиковалось интенсивное земледелие (Месопотамия, Египет, Китай), подняли этот показатель до 1 человека с гектара. Лучшие традиционные методы агрокультуры XIX века в таких интенсивно возделываемых регионах, как южный Китай, позволяли прокормить более 10 человек с гектара, обеспечивая в среднем гораздо лучшее питание, чем ранее (Smil, 2017a).

Но эта последовательность не описывает строго распределенное во времени универсальное эволюционное движение, так как во многих регионах собирательство тысячелетиями сосуществовало с оседлым земледелием (и существует по сегодняшний день: вспомним сбор трюфелей и охоту на кабанов в Тоскане). Переложное земледелие[11] практиковалось даже в некоторых частях Европы (Скандинавия, Россия) еще в XX веке и по-прежнему кормит миллионы семей в Латинской Америке, Африке и Азии, а такие гибридные методы, как агропасторализм[12], по-прежнему распространены там, где они помогают сократить риск чрезмерной зависимости от растениеводства.

И, очевидно, что даже если сажаются лучшие семена, а растения получают оптимальное питание, влагу и защиту от сорняков и вредителей, максимальный урожай по-прежнему ограничен интенсивностью освещения, продолжительностью вегетационного периода, морозостойкостью и уязвимостью перед множеством природных катаклизмов. Как я продемонстрирую в главе 2 (в разделе, посвященном росту сельскохозяйственных культур), во многих регионах, где прежде наблюдался рост производительности, теперь она сократилась, несмотря на активное применение удобрений и усиленную ирригацию, а динамика урожайности отражает минимальный прирост или откровенный застой. Ясно, что универсального, суперэкспоненциального роста урожайности не существует. Человеческий гений добился множества впечатляющих результатов, когда ему не нужно было считаться со сложностями организмов, чей жизненный цикл определяется разнообразными ограничениями среды. Технический прогресс демонстрирует лучшие примеры самоускоряющегося развития, за которым следуют траектории гиперболического роста, и максимальная удельная мощность первичных двигателей и скоростей передвижения являются точно задокументированными иллюстрациями.

Максимальная удельная мощность современных первичных двигателей (первичных источников механической энергии) в начале XVII века составляла 1000 Вт у паровых двигателей. Им на смену пришли водяные турбины (между 1850 и 1900 годами), а затем показатели мощности поднялись до рекордных более 1 ГВт у паровых турбин (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Эстафетный рост мощности самых крупных стационарных первичных двигателей (Smil, 2017b). Пересекающийся логистический рост номинальных мощностей паровых двигателей, водяных турбин и паровых турбин дает временный гиперболический рост на семь порядков за 300 лет

Картину можно расширить, включив в нее ракетные двигатели, использовавшиеся только в течение коротких периодов времени: мощность ракеты Saturn C 5, осуществлявшей полет «Аполлона» на Луну, составляла около 2,6 ГВт (Tate, 2012). Аналогично максимальная скорость передвижения возросла со скорости человеческого бега (10–12 км/ч – скорость гонцов) и скорости всадников (средняя скорость 13–16 км/ч) до скорости парусных судов (клиперы середины XIX века в среднем развивали скорость около 20 км/ч, а максимальная достигала 30 км/ч), поездов (максимум около 100 км/ч до 1900 года) и пассажирских самолетов на поршневых двигателях (чья скорость возросла с 160 км/ч в 1919 году до 550 км/ч в 1945 году) и, наконец, реактивных самолетов (более 900 км/ч с конца 1950-х годов).

В обоих случаях ускоряющийся рост был достигнут за счет феномена эстафеты, когда накладывающиеся друг на друга логистические (самоограничивающие) кривые дают впечатляющую восходящую огибающую кривую. Очевидно, что эстафета не может продолжаться бесконечно, так как в конце концов приведет к невозможно высоким темпам роста, будь то удельная мощность или скорость… Как и в случае с мировым населением, временная гиперболическая огибающая кривая в конце концов трансформируется в логистическую траекторию. Можно сказать, что это уже произошло, если рассматривать технический прогресс с практической, реалистичной точки зрения, а не как последовательность максимальных показателей.

Очевидно, что построение огибающей кривой максимальной скорости с помощью накладывающихся друг на друга логистических кривых скорости лошадей, парусников, поездов, автомобилей, самолетов и ракет демонстрирует прогресс видов транспорта, которые не являются последовательно заменяемыми. Массовый городской транспорт эволюционировал от конных экипажей до моторизированных дорожных транспортных средств и подземных поездов, но мы не будем передвигаться по городу на реактивных самолетах. Верно как раз обратное, поскольку средняя скорость городского движения с 1960-х годов сократилась почти во всех крупных городах, и ее удвоение невозможно, даже если каждое транспортное средство будет частью синхронизированной, автоматизированной городской системы (если только не убрать в городах все перекрестки, что невозможно с точки зрения инфраструктуры существующих городов). Средняя скорость скоростных поездов возросла лишь незначительно с момента первого запуска в 1964 году и, опять-таки, вероятнее всего, миллиарды людей, пользующихся поездами, не будут путешествовать на сверхзвуковых скоростях.

Типичная скорость крупных контейнерных судов (30–40 км/ч) ненамного превышает типичную скорость клиперов XIX века. Конечно, их грузоподъемность на несколько порядков выше, но скорость морских перевозок не испытала гиперболического роста, и не существует реалистичных перспектив, что этот основополагающий вид транспорта, сделавший возможным современную экономическую глобализацию, войдет в новый век с радикально повысившейся скоростью. Эксплуатационная скорость последнего самолета Boeing 787 (913 км/ч) почти на 7 % ниже, чем у первого гражданского реактивного самолета Boeing 707, выпущенного в 1958 году (977 км/ч). И перспектива миллиардных авиапассажирских перевозок на сверхзвуковых скоростях также отсутствует. Кажущаяся гиперболической огибающая кривая максимальных показателей на деле мало что говорит нам о реальных траекториях скоростей, создавших современную экономику путем передвижения миллиардов людей и миллиардов тонн сырья, продуктов питания и потребительских товаров.

То же самое неизбежно верно для других огибающих кривых растущих технических возможностей. Самые большие ракеты могут производить гигаватты энергии за очень короткий период старта, но это не имеет отношения к мощности великого множества машин, работающих на благо современной цивилизации. Большинство электродвигателей в нашей технике имеет мощность меньше, чем может обеспечить хорошо взнузданная лошадь: стиральным машинам нужно 500 Вт, а откормленная лошадь легко дает 800 Вт. Типичная или условная мощность паровых турбин в крупных электростанциях остается стабильной с 1960-х годов: на новых угольных или газовых электростанциях преобладают установки мощностью 200–600 МВт, а турбогенераторы мощностью 1 Гвт используются в основном на более крупных атомных электростанциях. И мощность типичных автомобилей немного выросла лишь потому, что они стали тяжелее, а не потому, что им нужно больше мощности, чтобы доехать от одного светофора до другого или поддерживать разрешенную скорость на автостраде – для равномерной езды со скоростью 100 км·ч по ровной дороге достаточно силы тяги приблизительно в 11 кВт/ч на тонну массы автомобиля (Besselink et al., 2011). И снова синтетическая восходящая траектория состоит из несопоставимых прогрессий, не подразумевающих единообразной тенденции к постоянному росту замещающих феноменов.

В истории существует достаточно примеров технических достижений, не демонстрирующих автоматического, строго последовательного ускорения показателей. Сталевары пользовались мартеновскими печами почти век после того, как довели их применение до совершенства, а проводной дисковый телефон мало изменился со времен своего появления в 1920-х годах и внедрения кнопочных моделей в 1963 году (Smil, 2005; 2006b). И перспективы долгосрочной траектории любого гиперболического роста на Земле не вызывают сомнений: он должен либо прекратиться, либо перейти в ограниченную прогрессию, которая может стать частью гомеостатического сосуществования человека и биосферы, включая конечный верхний предел содержания информации во внешней памяти (Dolgonosov, 2010).

Модели ограниченного роста

В первую очередь это траектории жизни: биосферная масса перерабатываемых питательных веществ допускает невероятное разнообразие видовых генетических выражений и мутаций, но ставит фундаментальное ограничение на производительность первичной продукции (фотосинтеза) и, следовательно, на накопление вторичной продукции (гетеротрофного метаболизма разнообразных организмов от микробов до самых крупных млекопитающих). Эти ограничения проявляются в процессе внутри- и межвидовой конкуренции микроорганизмов, растений и животных за ресурсы путем хищничества и вирусной, бактериальной и грибковой инфекции, и все многоклеточные организмы имеют внутренние пределы роста, обусловленные апоптозом – запрограммированной гибелью клеток (Green, 2011).