熵定律与经济持续增长的不可能性

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英文标题：
《The Entropy Law and the impossibility of perpetual economic growth》
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作者：
Henrique N. S\\\'a Earp and Ademar R. Romeiro
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最新提交年份：
2013
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英文摘要：
  Every production-recycling iteration accumulates an inevitable proportion of its matter-energy in the environment, lest the production process itself would be a system in perpetual motion, violating the second law of Thermodynamics. Such high-entropy matter depletes finite stocks of ecosystem services provided by the ecosphere, hence are incompatible with the long-term growth in the material scale of the economic process. Moreover, the complex natural systems governing such stocks respond to depletion by possibly sudden environmental transitions, thus hindering markets\' very ability to adapt to the new equilibrium conditions. Consequently, uncertainty of critical resilience thresholds constrains material economic growth.
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中文摘要：
每一次生产循环都不可避免地在环境中积累一定比例的物质能量，以免生产过程本身成为一个永动机系统，违反热力学第二定律。这种高熵物质消耗了生态圈提供的有限生态系统服务存量，因此与经济过程物质规模的长期增长不相容。此外，管理这些存量的复杂自然系统可能会通过突然的环境转变来应对枯竭，从而阻碍市场适应新均衡条件的能力。因此，临界恢复力阈值的不确定性限制了物质经济增长。
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分类信息：

一级分类：Physics        物理学
二级分类：Physics and Society        物理学与社会
分类描述：Structure, dynamics and collective behavior of societies and groups (human or otherwise). Quantitative analysis of social networks and other complex networks. Physics and engineering of infrastructure and systems of broad societal impact (e.g., energy grids, transportation networks).
社会和团体（人类或其他）的结构、动态和集体行为。社会网络和其他复杂网络的定量分析。具有广泛社会影响的基础设施和系统（如能源网、运输网络）的物理和工程。
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一级分类：Quantitative Finance        数量金融学
二级分类：General Finance        一般财务
分类描述：Development of general quantitative methodologies with applications in finance
通用定量方法的发展及其在金融中的应用
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PDF下载：
--> The_Entropy_Law_and_the_impossibility_of_perpetual_economic_growth.pdf (162.32 KB)

2022-5-4 20:48:33 上传

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关键词：持续增长 可能性 Quantitative Applications QUANTITATIV

熵定律与永久经济增长的不可能性*Henrique N.S\'a Earp+2013年11月6日摘要每一次生产循环迭代都会在环境中累积不可避免的物质能量比例，以免生产过程本身成为永久运动的系统，违反热力学第二定律。这种高熵物质会耗尽大气层提供的生态系统服务的有限存量，因此与经济过程物质规模的长期增长不相容。此外，管理这类股票的复杂自然系统对可能突然发生的环境变迁造成的枯竭作出反应，从而阻碍了市场适应新均衡条件的能力。因此，临界恢复力阈值的不确定性限制了物质经济增长。内容1引言21.1初步定义和主要结果陈述。51.2鲍莫尔对损耗问题的解决方案。62经济过程与环境82.1生态系统服务存量。92.2有效生态系统服务的物理约束。92.3生态阈值下的市场不足。103低熵轨迹与不负责任的增长123.1负责任和不负责任的轨迹。123.2结论。13*Unicamp——经济研究所，arromeiro@gmail.com+Unicamp——亨里克数学研究所。saearp@ime.unicamp.br;我认为，熵总是增加的定律在自然法则中占据着至高无上的地位。

如果有人告诉你，你的宠物宇宙理论与麦克斯韦方程组不一致，那么麦克斯韦方程组就更糟了。如果观察结果与之相矛盾，那么，这些实验主义者有时会把事情搞砸。但是如果你的理论被发现违背热力学第二定律，我就不会给你任何希望；没有什么比这更让人难堪的了。Arthur S.Eddington爵士（1927）1引言在经济文献中，对环境或自然资源作为生产要素的系统处理是相对较新的。哈罗德·霍特林（Harold Hotelling）在可耗竭资源经济学方面的开创性工作（霍特林1931年）在60年代的环境意识之前影响有限，最终出版了《增长有限》（Limitsto Growth，1972年）。罗伯特·索洛（Robert Solow）被大量引用的理查德·T·伊利（Richard T.Ely）演讲（索洛1974）反映了该主题的当前艺术状态，并以此为基础。索洛的见解inturn在主流文献中仍然是一个参考，为“弱可持续性”的概念提供了理论依据。他提出要解决的主要问题不是自然资源本身作为经济过程限制的可耗竭性，而是对不可再生但重要资源存量的最佳社会管理。热力学定律一开始就被提出来解释为什么材料回收不能阻止所有不可再生资源的最终消耗，以及为什么地球的整个生命最终会终结。霍特林的成功被视为效率的必要条件，因此也是社会最优的必要条件，但不是一个有效的条件。索洛有理由期望市场利率超过社会时间偏好率，导致对可耗竭资源的市场消费速度极快。

因此，应该引入正确的公共干预来减缓和延长资源池的开发。此外，也可能是几种可耗尽资源池的开采模式，这些模式在短期内短视地遵循霍特林的基本原则，但在长期内是错误的，这意味着市场需要对长期前景有一个合理、准确的看法。具体而言，索洛指出了两个条件，从长远来看，这两个条件可以保证在进入可耗竭资源库方面实现代际公平：第一，技术进步的可能性，尤其是自然资源节约型进步——即生产过程的当今生态效率（例如，一些创新减少了采矿或冶炼过程中的矿石损失）；第二，可耗竭资源被其他生产因素替代的程度，尤其是劳动力和可再生资本（例如，房主增加保温支出以节省燃料成本，从而用玻璃纤维代替取暖用油）。毫无疑问，这些都是经验性问题，但也有理由预期每单位实际产出的自然资源需求将大幅减少，以及“可耗竭资源和可再生或可再生资源之间有相当多的可替代性”。索洛特别强调了后者的重要性，特别是对于可指责的资源，这让人想起了他提到的热力学定律，指出了前者的局限性。

因此，已经进行了大量的实证研究，以发现它们在经济过程中与自然资源基础“脱钩”的证据。S·奥洛分析工作背后的生态模型未能解决所有相关的生态问题：他的热力学定律只适用于生态效率；不断地用新的自然资源替代枯竭的自然资源没有热力学上的后果。事实上，作者忽略了自然资源的第二个维度，作为生态系统服务的来源，它不可避免地受到经济过程质量能量规模增加的影响。后来被称为“污染经济学”的东西，与“可耗竭资源经济学”不同，演变为精确处理第二个维度。庇古关于外部性概念的研究（庇古1920年）为其提供了理论基础。从经济上讲，这方面的特殊性源于生态系统服务市场的缺失，这是因为提供这些服务的生态系统的公共地位。为了解决这个问题，允许市场出现，国家必须通过定价或建立市场产权进行干预。这样，市场力量将导致生态系统服务使用的社会最优路径，即最佳污染。在这个模型中，不存在关键生态系统潜在灾难性损失的风险。此外，从长远来看，可以保证代际公平获得可耗竭资源池的同样条件也意味着公平获得生态系统服务。虽然原则上是可再生的，但后者可以被视为可耗竭的，因为它们在任何给定时间的存量都是有限的，并且可能会因过度使用而被破坏。

另一方面，生态效率的降低可以防止这一点，无论是减少生产过程产生的废物（“清洁”技术），还是替代资本密集型残渣处理设施或废物吸收的生态系统服务（“末端”技术）。最后，但实际上并非最不重要的一点是，即使一个生态系统遭到破坏，无论其规模如何，其服务冰也可以被人造设备生产的同等服务冰所取代。Baumol 1986年对这些条件如何允许（准）永久经济增长进行了严格描述。Georgescu Roegen在其对经济理论的“熵”批评（Georgescu Roegen 1971）中首次明确指出，这些分析方案背后的生态模型缺乏现实性。正如达利和其他生态经济学家和生态学家进一步阐述的那样，熵定律不仅对经济学有着全面的影响（达利1996年），（科斯坦扎和达利1992年），（Daily 1997年），（Rockstr–om等人，2009年b，a），（生态系统和人类福祉：综合2005年）和（苏赫德夫2008年）。关于不同生态经济学方法的调查，另见（Adaman et al.2012）。过程被忽略，但事实上关键生态系统服务的存在。这些服务源自复杂且相互关联的生态系统，极难被资本取代，由于生态系统的适应力，它们的损耗轨迹遵循不可预见的非线性模式。违反临界阻力阈值的经济后果是市场自身分配缓解效果的能力突然下降，从而开启了不可逆反馈机制的可能性。在本文中，我们推导了经济过程自然影响的理论模型的理论含义。

我们将物理和环境科学的基本事实纳入鲍莫尔的正统观点，这为资源的（准）永久使用提供了严格的条件，似乎允许不确定的经济增长，即使在熵定律下也是如此。令人惊讶的是，当考虑到g Baumol的经济中所有生产过程的资源消耗模型时，在关键生态系统服务存量的约束下，我们实际上得出了相反的结论。我们建立了经济体质量能量规模不确定增长的热力学不可能性，不受灾难性环境影响的风险——这是大多数当前增长模型通常隐式或显式做出的假设。我们引入了负责任轨道的概念，这为可持续经济政策提供了一个量化标准。鉴于关键恢复力阈值的内在不确定性，我们证明，即使承认自然资产可能会被科学的资本替代，目前实施或维持物质经济增长轨迹是不负责任的。关于数学使用的注意事项：虽然我们的论点是定量的，但所有的主张都是用简单的英语陈述的，保持数学语言的通用性，并且仅对命题6和命题10进行技术证明。致谢：作者感谢苏黎世ETH大气与气候科学研究所的Joeri R ogelj博士对草案的评论。平心而论，并不是所有主流阵营的人都对自然有这样真实的看法。

Bishop在Ciriacy Wantrup（Ciriacy Wantrup 1952）的工作基础上，提出了一种SMS（安全最低标准）方法来处理关键生态系统不可逆转损失的风险（Bishop 1976）。1.1初始定义和主要结果声明我们从以下假设开始，希望没有争议：公理1。人类的经济活动发生在物理大学里，因此它的过程受到物理定律的约束。从根本上说，经济过程通过机械、化学和热力装置来改变物质，这些装置在有限的能量范围内运行，尽管在历史上不断增加。因此，从概念上区分经济过程是支配现象的宇宙次区域是很方便的：定义2。人类圈是宇宙的区域，其当前状态和动态与经济过程具有相同的数量级，因此在人类的设计下会发生变化。换句话说，正如公理1所规定的那样，人类圈是经济过程的全部物质基础，以及物质和能量的潜在相互关系。然而，在人类圈内，必须区分两个领域：生命存在的生态圈和生命外部的非生物圈。因此，经济过程可以理解为在人类圈内发生物质能量交换的机制。质量能量生物圈非生物生物圈throposphere图1：物理世界示例3（人类圈和生态圈的边界）。地球的大气层、土地、生物多样性、化石燃料和矿物，以及由人类控制的原子核，都包含在人类圈中。

潮汐运动、构造运动、行星运动和恒星辐射都不完全属于无生物区。特别是，所有的生态系统服务都包含在生态圈中，生态系统受到来自非生物圈的质量能量流的干扰。这种交换可能发生在人类圈之内或之外，也就是说，可能分别是人类工业或自然现象（构造、陨石等）的结果。作为公理1的直接结果，人类圈作为一个整体，特别是经济过程受制于热力学约束（Kittel&Kroemer1980），我们后来形成了热力学定律。基于机械、化学或热设备或其组合的任何转换过程都会对效率产生一定的限制，因此此类过程的封闭系统与其周围环境的净负质量能量平衡与其规模成正比。我们将给出以下断言的精确含义和证明：有限增长定理。假设热力学定律在人类圈的一个高度范围内是有效的，我们有以下结论：1。t+1时经济过程的质量能量规模增长受到t时生态系统服务总存量的制约。在时间t评估的任何负责任的增长轨迹必须在有限的时间内预测，并且可能在较短的时间t内预测- t、 生态圈外部的低熵源对每种类型的高熵废物排放都有负面贡献。在确定所有基本生态系统服务的实际关键恢复力阈值时，面临着固有的不确定性，或者说不可能，我们得出了一个令人不安但在逻辑上是必要的结果：零增长的必然结果。

除非每个关键的恢复力阈值都准确地被认为是特定时间经济过程中不可或缺的生态系统服务，否则唯一负责任的非负增长轨迹就是零增长。1.2 Baumol对耗竭问题的解决方案我们采用（Baumol 1986）的定义，在质量能量un its中，一个混凝土时间变量t的函数（以年为单位测量）：Ri（t）地球上资源i的可用存量，单位为iod t。vi（t）在t.Ei（t）期间消耗的数量=Mi（t）Ri（t）在t期间资源i的有效存量，其中Mi（t）>0是生产过程w.r.t.r资源的效率比。注意，经济中的循环利用可能会使Mito降低到1以下，即一些提取的资源一次有效消耗更多。极端情况Mi（t）=0是指资源i可以在零损失的情况下不确定地重复使用，从而使有效库存有限，而不考虑实际可用量Ri（t）。让我*表示经济过程中涉及的资源总数。在这些术语中，我们阐述了作者实现的热力学定律的相关推论：权利要求4（热力学界）。每种资源1≤ 我≤ 我*, 存在一个详细下限（Mi）*> 0表示效率低下，创新无法支撑。自从我*是有限的，总的正最小值M*= min1≤我≤我*（米）*> 0令人满意（t）≥ （米）*≥ M*> 0, i、 t.（1）Baumol证明，即使在权利要求4的有效性下，每种资源i都允许p laus ibledepletion轨迹（Ri（t），Mi（t）），因此有效存量Ei（t）保持恒定，甚至在任意大的（尽管最终是有限的）时间间隔内增加。