[论文解读] 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 13

一句话总结

本文将长期经济增长与创新视为热力学过程，将文明建模为一个开放的非平衡系统，由能量耗散和物质流动所驱动。它推导出预测方程，将全球财富、生产率和增长与能源消耗联系起来，表明持续增长取决于能源储备的发现与创新，而回报递减则在增长放缓时增加崩溃的脆弱性。

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.

研究动机与目标

• 开发一个基于热力学原理的长期经济创新与增长框架。
• 将文明建模为一个开放的非平衡系统，通过能量耗散和物质循环维持自身。
• 仅使用基本热力学原理，推导出财富、生产率、通货膨胀和增长的预测方程。
• 评估在资源枯竭和回报递减条件下的经济增长可持续性。
• 评估在增长放缓和外部冲击条件下文明的脆弱性。

提出的方法

• 将文明建模为具有明确能量流和物质流的开放非平衡热力学系统。
• 利用全球经济财富与一次能源消耗之间的固定关系，推导出经济量的物理表达式。
• 应用逻辑斯蒂方程，以模拟因过去增长带来的回报递减导致的S型下降。
• 将财富回报率（η）表示为能源储备（ΔHR）、物质整合能量（eStot）、文明规模（NS）和衰减率（δ）的函数。
• 引入基于网络的财富观：财富是文明连接的长度密度，由能量耗散维持。
• 使用能源消耗、GDP和储备发现的实证数据，对模型行为进行验证和预测，无需预先拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用热力学第一原理对长期经济增长与创新进行建模？
• RQ2 哪些物理限制制约了经济增长与创新的可持续性？
• RQ3 过去增长如何影响未来的回报率以及文明对崩溃的韧性？
• RQ4 能源储备发现在此前维持或加速经济增长中发挥什么作用？
• RQ5 在何种条件下，文明会变得容易发生加速崩溃？

主要发现

• 全球经济财富的增长速度仅与全球能源消耗速度相当，其中财富被定义为文明互联网络的长度密度。
• 财富回报率（η）约为每年2.2%，由能源储备、物质整合成本和文明规模决定。
• 由于衰减加剧、资源稀缺或回报递减，回报率呈S型下降，符合逻辑斯蒂方程的模式。
• 持续的GDP增长要求能源消耗呈超指数增长，这仅在能源储备发现速度超过枯竭速度时才可行。
• 当增长放缓且回报率趋近于零时，文明变得极为脆弱，易受外部冲击影响，可能触发加速崩溃。
• 创新与崩溃是内部连通性增强的双重结果：在有利条件下实现快速增长，但条件恶化时也可能迅速衰退。