[논문 리뷰] Thermodynamics of long-run economic innovation and growth

Timothy J. Garrett|RePEc: Research Papers in Economics|2013. 06. 15.

Global Energy and Sustainability Research인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 장기적 경제 성장과 혁신을 열역학적 과정으로 공식화하여, 문명을 에너지 소산과 물질 유동에 의해 구동되는 개방계, 비평형계로 모델링한다. 세계적 부, 생산성, 성장과 에너지 소비를 연결하는 예측 방정식을 유도하여, 지속적인 성장이 에너지 자원 발견과 혁신에 의존하며, 성장 둔화 시 수익 감소로 인해 붕괴에 더 취약해짐을 보여준다.

ABSTRACT

This article derives prognostic expressions for the evolution of globally aggregated economic wealth, productivity, inflation, technological change, innovation and growth. The approach is to treat civilization as an open, non-equilibrium thermodynamic system that dissipates energy and diffuses matter in order to sustain existing circulations and to further its material growth. Appealing to a prior result that established a fixed relationship between a very general representation of global economic wealth and rates of global primary energy consumption, physically derived expressions for economic quantities follow. The analysis suggests that wealth can be expressed in terms of the length density of civilization's networks and the availability of energy resources. Rates of return on wealth are accelerated by energy reserve discovery, improvements to human and infrastructure longevity, and a more common culture, or a lowering of the amount of energy required to diffuse raw materials into civilization's bulk. According to a logistic equation, rates of return are slowed by past growth, and if rates of return approach zero, such "slowing down" makes civilization fragile with respect to externally imposed network decay. If past technological change has been especially rapid, then civilization is particularly vulnerable to newly unfavorable conditions that might force a switch into a mode of accelerating collapse.

연구 동기 및 목표

• 장기적 경제 혁신과 성장을 열역학적으로 근거를 두는 프레임워크를 개발하기 위해.
• 문명을 에너지 소산과 물질 순환을 통해 스스로 유지하는 개방계, 비평형계로 모델링하기 위해.
• 기본 열역학 원리만을 사용하여 부, 생산성, 인플레이션, 성장에 대한 예측 방정식을 도출하기 위해.
• 자원 고갈과 수익 감소 조건 하에서 경제 성장의 지속 가능성 평가하기 위해.
• 성장 둔화와 외부 충격 조건에서 문명의 취약성 평가하기 위해.

제안 방법

• 문명을 에너지 및 물질 유동이 정의된 열역학적 개방계, 비평형계로 모델링한다.
• 세계적 경제적 부와 주요 에너지 소비 간의 고정된 관계를 사용하여 경제적 양의 물리적 표현을 도출한다.
• 과거 성장으로 인한 수익 감소로 인한 시그모이드형 감소를 모델링하기 위해 로지스틱 방정식을 적용한다.
• 부에 대한 수익률(η)을 에너지 비축(ΔHR), 물질 통합 에너지(eStot), 문명 규모(NS), 및 붕괴 비율(δ)의 함수로 유도한다.
• 에너지 소산에 의해 유지되는 연결의 길이 밀도로 부를 네트워크 기반의 시각으로 제시한다.
• 에너지 소비, GDP, 자원 발견 데이터를 활용하여 모델 행동을 검증하고 예측하되, 사전 피팅 없이 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열역학의 제1원리만을 사용하여 장기적 경제 성장과 혁신을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 어떤 물리적 제약이 경제 성장과 혁신의 지속 가능성에 제한을 가하는가?
• RQ3 과거 성장은 향후 수익률과 문명의 붕괴에 대한 회복력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 에너지 자원 발견은 경제 성장 유지를 또는 가속화하기 위해 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 어떤 조건에서 문명은 가속화되는 붕괴에 취약해지는가?

주요 결과

• 세계적 부는 세계적 에너지 소비 속도만큼만 증가하며, 부는 문명의 상호연결 네트워크의 길이 밀도로 정의된다.
• 부에 대한 수익률(η)은 약 연간 2.2%이며, 에너지 비축, 물질 통합 비용, 문명 규모로부터 유도된다.
• 부패 증가, 자원 부족, 또는 수익 감소로 인해 수익률은 감소하며, 로지스틱 방정식에 따른 시그모이드 패턴을 따른다.
• 지속적인 GDP 성장을 위해서는 에너지 소비의 초지수적 증가가 필요하며, 이는 에너지 자원 발견 속도가 고갈 속도를 앞서야만 가능하다.
• 성장 둔화와 수익률이 0에 수렴할 경우, 문명은 매우 취약해지고 외부 충격에 의해 가속화된 붕괴를 유발할 수 있다.
• 혁신과 붕괴는 내부 연결성 증가의 이중적 결과이다: 유리한 조건에서는 빠른 성장, 그러나 조건 악화 시에는 빠른 쇠퇴.