[論文レビュー] Thermodynamics of long-run economic innovation and growth

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

Global Energy and Sustainability Research被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、長期的な経済成長とイノベーションを熱力学的プロセスとして定式化し、文明をエネルギー散逸と物質の流れによって駆動される開放的・非平衡系としてモデル化する。グローバルな富、生産性、成長とエネルギー消費を結びつける予測式を導出し、持続的成長はエネルギー埋蔵量の発見とイノベーションに依存しており、収益の減少は成長が鈍化する際に崩壊への脆弱性を高めることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 長期的な経済的イノベーションと成長を熱力学的根拠に基づく枠組みとして開発すること。
• 文明をエネルギー散逸と物質循環によって自己維持する開放的・非平衡系としてモデル化すること。
• 基本的な熱力学的原則のみを用いて、富、生産性、インフレ、成長の予測式を導出すること。
• 資源枯渇と収益の減少がもたらす経済成長の持続可能性を評価すること。
• 成長の鈍化と外部ショックの下で文明の脆さを評価すること。

提案手法

• 文明をエネルギーおよび物質の流れが定義された開放的・非平衡熱力学的系としてモデル化する。
• グローバル経済的富と一次エネルギー消費との間の固定関係を用いて、経済的量の物理的表現を導出する。
• 過去の成長に起因する収益率の減少をシグモイド的（S字型）に表現するため、ロジスティック方程式を適用する。
• 富に対する収益率（η）をエネルギー埋蔵量（ΔHR）、物質統合エネルギー（eStot）、文明の規模（NS）、および崩壊率（δ）の関数として導出する。
• 富を文明の接続の長さ密度として定義し、エネルギー散逸によって維持されるネットワーク的視点を導入する。
• エネルギー消費、GDP、埋蔵量の発見に関する実証データを用いて、モデルの動作を検証および予測するが、事前のフィッティングを一切行わない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱力学の第一原理を用いて、長期的な経済的成長とイノベーションをどのようにモデル化できるか？
• RQ2 どのような物理的制約が経済的成長とイノベーションの持続可能性を制限するか？
• RQ3 過去の成長は、将来の収益率と文明の崩壊に対するレジリエンスにどのように影響するか？
• RQ4 エネルギー埋蔵量の発見は、経済的成長の維持または加速にどのような役割を果たすか？
• RQ5 どのような条件下で文明は加速的崩壊のリスクにさらされるようになるか？

主な発見

• グローバルな経済的富は、文明の相互接続ネットワークの長さ密度として定義されるが、その成長速度はグローバルエネルギー消費の速度に限定される。
• 富に対する収益率（η）は約年2.2%であり、エネルギー埋蔵量、物質統合コスト、文明の規模から導出される。
• 崩壊の増加、資源の枯渇、または収益の減少により、収益率は低下し、ロジスティック方程式に従ってS字型のパターンを示す。
• 持続的GDP成長には、エネルギー消費の超指数的増加が必要であり、これはエネルギー埋蔵量の発見が枯渇を上回る場合にのみ可能である。
• 成長が鈍化し、収益率がゼロに近づくと、文明は極めて脆くなり、外部ショックによって加速的崩壊を引き起こす可能性が高まる。
• イノベーションと崩壊は、内部的接続性の増加の二面的結果である：好条件では急速な成長を示すが、条件が悪化すると急速な崩壊を引き起こす。