第96篇 耗散结构理论（4）— 熵：一种新的世界观

杨鸿智

第96篇  耗散结构理论（4）— 熵：一种新的世界观
作者：
中国医药信息学会北京分会后现代理论医学专业委员会主任委员杨鸿智
《说明》：
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一  另一种思维--读《熵：一种新的世界观》
二十世纪八十年代的中国知识界对市场化、工业化及其反思讨论的很热烈，西方的有关著作也译进了很多。《熵：一种新的世界观》[杰里米·里夫金、特德·霍华德 著 上海译文出版社 1987年版]便是其中之一。尽管书中提出的观点，所进行的探讨直到现在看来仍不为我们的主流认可，但确实是极具启发的另一种思维。
《熵和退化史观》
何为熵？作者说熵定律"实质是说，宇宙万物从一定的价值与结构开始，不可挽回地向混乱和荒废发展。" [《熵：一种新的世界观》第4页]熵律适用于孤立封闭系统的一切过程，小到一个生命体，大到整个宇宙。与熵律相对应的有赫尔姆霍茨的宇宙观：密集能源的大爆炸形成银河系、星体，它们将沿着熵律的方向，走向永恒的死亡与平衡。又有生命的再解释：生命体以秩序和活力出现，以衰亡结束：生命体不断与外界交换物质与能量的实质是为了减缓内部熵值的增加。
在我们的社会历史领域，熵律也同样存在。它表现为：全部社会活动的真正内容，是有效能量转变为无效能量，是有效能量的不断转化、变换和不可挽回的消失。若相比我们这个时代多数人和许多的杰出政治家、社会学家们所信奉的人类及世界总是以各种方式在进步、在发展的进化论而言，这种观点可称为退化史观。因为它不再一味地把历史看作进化、发展、创造、积累财富、走向美好未来的过程，相反，它向
人们揭示：历史将以颓废而终，一切的繁华富足最终不过是虚伪的昙花一现，进化论不过是谎言。退化史观何以敢向近代以来人们坚信不疑的进化论挑战，并把它斥为无稽之谈？书中从不同的能源环境和人的生存关系上加以论证。当人类处于狩猎--采集时期时，他的能源就是狩猎和采集所得的野生动物，她的生存方式即是狩猎和采集。在狩猎和采集进行中，猎物和可食用的植物日渐相对人的需求在减少，人的活动范围也趋向了极限，而新的生命又在繁衍，生生不思，于是生存的危机来了。这样，原有能源环境中的熵值大增，旧的能源环境为人类所破坏，所余无几。为了维持自身的生存，人必须拼命找到新的能源环境。庆幸的是，在长期的摸索之后，耕种出现了，所以新的能源--农业产品--使人的生存又在另一新的能源环境中持续。与此相似，人们的能源环境又依次经历了木材、煤炭、石油等阶段。社会形态也相应从中世纪、近代社会进入到工业资本主义等阶段。这些社会形态的变化，是因为不同的能源环境不得已需要更替的缘故。
以上的过程若简单的以模式来概括，可表示为:"原有的能源环境"生存的需要导致熵值增加到极限…寻找新能源环境…找到"。这说明人类历史的发展动力是各个能源环境、进而整个能源环境的耗散，是熵值的增加;人类历史总趋势是在每个与能源环境相对应的社会类型中进行被迫的抗争。当新能源不可能再有的时候，当旧的能源环境无法向新的过渡时，历史便终于结束退化，走进消亡。
进化论者讲生产力的发展、讲科学技术的作用、讲社会制度的进步及美好的明天，但是依退化史观者看来，这些不过是人类对整个退化无情趋势抗争的产物。是的，人们可以找到一种又一种新的能源环境，创造一类又一类新的社会形态，但这些不过是徒劳而已。因为人类总是处于一个有限的空间中，如把这个空间比作一个有限的仓库，那么所谓的生产不过是把仓库内的东西搬运回家而已;人们的家也可以比作一个封闭的盒子，在这个盒子里，人们的所谓消费，不过是把有用之物创造成垃圾、粪便、废气和有毒物而已；为进化论者所夸耀的科学技术也不过是这种搬运和创造的加速器而已。所以生产力的提高，科学技术的发展和社会形态的演变实际是加速了社会退化。熵的增加，不能称之为真正的进化。
人类的生存依此来说，也是难容乐观，因为这个无情的趋势最终即是消亡。但作者也提出人在此过程中仍有所作为，因为"人类在这个地球上的一举一动都直接影响到熵的过程的缓急。人类可以通过对自身生活与行为方式的选择决定世界上有效能量的扩散速度。"[《炳:一种新的世界观》第47页]所谓死罪虽然难免，延年益寿还是可以办到的。
二  《熵：一种新的世界观》“译者的话”节选
迄今为止，人类文明的历史是勇往直前，所向无敌的历史。我们人类有着得天独厚的与其他动物相比要大得多、也复杂得多的大脑。在大脑的十二分之一的体积里，就有几十亿个神经细胞。人们发明了语言，用来协调行动，以进行有组织的狩猎与生产活动。人又是地球上唯一能驯服并利用火这一体外能源的动物。火不仅被用来驱赶野兽，它也成了人们进行“刀耕火种”的工具。随着畜牧业、农业和工业的发展，人类征服自然的能力又大大加强了。到今天，人类已毫无疑问地攫取、控制了这个星球上的任何一个重要的生态场所，并以征服者的姿态左右着这个星球的命运。
生产力的不断提高和科学技术的飞速发展，使不少人变得踌躇满志。他们坚信，从原始社会、狩猎—采集社会、农业社会、工业社会到后工业社会，每个历史时期与其前身相比都是一个进步，人类社会总是呈现出一个向着更美满的现世生活发展的总趋势。不是吗?谁会怀疑日本汽车制造公司经理那种高效率、高速度、计划严密的生活方式与狩猎—采集型社会成员的闲散而又无计划的生活方式相比是一种进步?谁会怀疑煤炭燃料比木材燃料先进，而石油、电力又比煤炭燃料更先进?他们认为物质进步是没有止境的，财富增长也是没有限度的，而科学技术就是这种永无止境的进步的可靠保证。
这种信念也统治着资本主义经济学的传统流派。从资本主义萌芽起，经济增长就一直是绝大多数经济学家追求的目标。一些经济模式因带来了显著的经济增长而备受他们赞誉，经济的增长和发展也被他们视为人类进步的同义词。尽管有石油危机和其他资源短缺，西方多数经济学家仍认为价格机制和市场调节能防止任何匮乏；任凭天翻地覆，亚当·斯密那只“看不见的手”仍然在经济领域中指点迷津。
1972年，马萨诸塞理工学院的丹尼斯·米都斯领导的一个17人小组向罗马俱乐部提交了一份题为《增长的极限》的报告，对当代西方增长癖文化进行了批判。报告指出，由于地球的能源、资源和容积有限，人类社会的发展和增长必然有一定的限度。用倍增的速度去求得经济和社会的发展，注定会使社会在物质和能源方面达到极限，给人类带来毁灭性的灾难。
《增长的极限》发表后，被翻译成34种文字，在全世界范围内引起了巨大反响。人类社会发展的目的、极限和后果，从此成了全世界最杰出的政治家、社会学家、经济学家和科学家们争论的话题。《熵：一种新的世界观》就是在这种背景下出现的一部很有影响的著作，并已成了马尔修斯学派的后期代表作。
与《增长的极限》相比，《熵：一种新的世界观》涉及的领域要广泛得多，而且意义也更为深远。作者把熵这个物理学的概念广泛运用于哲学、心理学、经济学、政治学、社会学以及西方文化的各个领域。作者在此书中预告了牛顿—笛卡儿科学观的死亡，驳斥了鼓吹不断增长的资本主义经济思想，但最后却得出了历史是一个不断倒退、衰亡的过程这个悲观结论。
所谓熵定律就是热力学第二定律。热力学第一定律告诉我们能量是守恒的、不灭的，只能从一种形式转变到另一种形式。这是不是说我们就可以高枕无忧地滥用那万世不竭的物质和能源了呢?作者认为，不幸的是热力学第二定律表明，能量只能不可逆转地沿着一个方向转化，即从对人类来说是可利用的到不可利用的状态，从有效的到无效的状态转化。用加尔文的话来说，这种无效能量已“从人们那里不可挽回地失去了……尽管它并没有湮灭”。而物理学意义上的熵，就是这种不能再被转化做功的能量的总和。
熵定律不仅适用于地球这一特定系统，而且也适用于包括所有星系和银河系在内的整个宇宙。作者以一种显然十分赞同的口吻阐述了以赫尔姆霍茨“热寂”学说为依据的宇宙观。它认为整个宇宙是以一个密集能源的大爆炸开始的。当这个稠密能源向外膨胀时，它的膨胀速度逐渐减慢，从而形成了银河系、恒星和行星，因此能源也渐渐失去原来的秩序，最后达到最大值的熵，即热寂的最终热平衡状态。那时一切能量差别均趋向于零，所有有用能量已消耗一空，到处是永恒的死寂。这也就是说我们的宇宙正无可挽回地走向死亡。
作者认为古代希腊社会由鼎盛走向衰亡的历史观与当代那种认为人类社会在不断进步的历史观相比，前者更准确地反映了现实。希腊神话意义深远地把历史划分为黄金时代、白银时代、青铜时代、英雄时代和铁器时代。黄金时代是历史的顶峰，是富饶和充足的时代。黄金时代以后，每个时代都比前一个时代更为退化、粗俗、严酷。
作者认为人类历史是江河日下的历史，而且人类思想的发展也不见得是一个进步的过程。作者声称，几世纪来人类思想与人类其他活动一样，正朝着一个越来越复杂、抽象、浪费的状态发展。特别是自从引进控制论和现代信息论以后，科学家们认识到收集信息和储存知识都要花费能量，因此也是熵过程的一个组成部分。
知识的取代还破坏了世界的原始美，就像夏娃吃了知识之果就标志着一个漫长的苦难历程的开始一样。从本能、直觉、理智到抽象思维，人类思想发展的每个过程都越来越复杂、集中、抽象。而且我们得到的信息越多，我们有时反而更加糊涂。心理学家称这种情况为“信息超载”。作者还认为美国精神病剧增是与信息革命并行不悖的。
熵定律的提出，无疑也是向鼓吹无止境经济增长的传统经济学提出了挑战。这样的经济学的一个基本前提，或者说一个基本错觉，就是人们在生产而不是找到能源和物资。事实上能源和物资是一项资本，一项并不是人们生产出来的，而是地球所赋予的、不可替代的有限资本。正如作者所指出的，由于经济的快速增长以及人们对科学技术的崇拜和放纵，世界非再生的能源和物质材料的耗散实际上在加速增大，两者的熵正提高到了一个非常危险的水平。
要理解这一危机的严重性，我们有必要理解当今社会的一个显著特点，即人口、经济以及对非再生的能源和物资的耗费的指数增长。就人口而言，人类人口达到第一个10亿花了整整200万年，再增加10亿只花了100年，第三个10亿却只花了30年(1930～1960年)，第四个10亿竟只花了15年。照这样的速度发展下去，人们预计到2000年，世界人口将大约是70亿。那时，全世界的能量需求将是现在的4倍。而要在将来十几年内保持中等水平的全球经济增长，那么普通矿产的消费必须增长5倍，食品消费必须增长4倍。这种指数增长如果不加控制，必然会导致这样的悲剧——耗尽地球上的非再生能源。人类正处在这样一个十字路口上。
历代的哲人早就认识到了这样的事实。先秦时代的韩非子曾说道：“今人有五子不为多，子又有五子，大父未死而有二十五孙，是以人民众而货财寡，事力劳而供养薄。”普罗米修斯把火交给了人类，给了人类以无穷的力量。然而我们也不应该忘记，普罗米修斯同时也曾警告人类，如果不谨慎使用，火也能给人类带来灾难。(吕明  袁舟)


三  《熵：一种新的世界观》节选
热力学关于熵的概念揭示了热传递的不可逆性，即热量总是自发地从高温热源向低温热源流动，而不是相反。本文从热力学第二定律出发，将熵的观念引申到能源、环境等领域，对当今世界普遍关注的能源危机、环境污染问题表示了深深的忧虑。阅读时，要注意作者运用日常事例说明科学道理的方法。
节选自《熵：一种新的世界观》(上海译文出版社1987年版)。吕明、袁舟译。作者里夫金和霍华德是美国当代著名社会学家。
一位名叫麦克斯·格拉克曼〔麦克斯·格拉克曼(1911—1975)〕南非文化人类学家，以研究非洲诸部落的政治制度著称。的人类学家曾经说：“科学是一门学问，它能使这一代的傻瓜超越上一代的天才。”热力学第一定律与第二定律早已编入物理学基础教程，它们所表达的内容现在看来不过是简单明了的常识而已。然而将它们最终明白无误地表达出来，却经过了一段曲折的路程；许多天才为之呕心沥血，提出过大量复杂的理论。奇怪的是，虽然科学家们多少年来为这两个定律的真正涵义绞尽脑汁，地球上各民族文化的民谚却早已悟出其中三昧〔三昧〕梵文Samadhi的音译，指使心神平静、杂念止息的修行方法。后借指事物的要诀。。我们都听说过这些说法：“你不可能不劳而获”，“覆水难收”或者“天网恢恢，疏而不漏”。如果这些谚语对你说来不算陌生，而且在日常生活中你也反复有过这样的亲身体验的话，那么，你就懂得了热力学第一定律和第二定律。
热力学概念乍听起来有些深不可测，其实它们是我们所知道的最简单而又给人印象最深的科学概念。热力学的两个定律可以用一句简短的句子来表达：
宇宙的能量总和是个常数，总的熵是不断增加的。
这也就是说我们既不能创造，也不能消灭能量。宇宙中的能量总和一开始便是固定的，而且永远不会改变。热力学第一定律就是能量守恒定律，它告诉我们能量虽然既不能被创造又不能被消灭，但它可以从一种形式转化为另一种形式。
我们应该牢记的最重要的一点，就是我们不能创造能量。从来就没人创造过能量，也永远不会有人能创造。我们力所能及的只是把能量从一种状态转化成另一种状态。要理解这一点不甚容易，特别是考虑到一切都是由能量所生成的。世间万物的形态、结构和运动都不过是能量的不同聚集与转化形式的具体表现而已。一个人、一幢摩天大楼、一辆汽车或一棵青草，都体现了从一种形式转化成为另一种形式的能量。高楼拔地而起，青草的生成，都耗费了在其他地方聚集起来的能量。高楼夷为平地，青草也不复生长，但它们原来所包含的能量并没有消失，而只是被转移到同一环境的其他所在去了。我们都听说过这么一句话：太阳底下没有新鲜东西〔太阳底下没有新鲜东西〕这是《旧约·传道书》中的话，一般译作“日光之下，并无新事”。。要证实这一点你只需呼吸一下。你刚才吸进了曾经让柏拉图〔柏拉图(前427—前347)〕古希腊著名的唯心主义哲学家。认为理念是世界的本原，是古希腊哲学家中第一个留下大量著述的人，对后世影响很大。吸进过的5 000万个分子。
如果我们需要考虑的仅仅是热力学第一定律，那我们滥用那万世不竭的能源也没有什么奥妙了。然而我们知道世界并非如此。比如我们烧掉一块煤，它的能量虽然并没有消失，但却经过转化随着二氧化碳和其他气体一起散发到空间中去了。虽然燃烧过程中能量并没有消失，但我们却再也不能把同一块煤重新烧一次来做同样的功了。热力学第二定律解释了这个现象。它告诉我们每当能量从一种状态转化到另一种状态时，我们会“得到一定的惩罚”。这个惩罚就是我们损失了能在将来用于做某种功的一定能量。这就是所谓的熵。
熵是不能再被转化做功的能量的总和的测定单位。这个名称是由德国物理学家鲁道尔夫·克劳修斯〔鲁道尔夫·克劳修斯(1822—1888)〕德国物理学家，热力学的奠基人之一。于1868年第一次造出来的。但是年轻的法国军官沙迪·迦诺〔沙迪·迦诺(1796—1832)〕一般译作“卡诺”，法国物理学家、工程师，在研究热机效率的过程中，提出了“卡诺循环”定理。却比克劳修斯早41年发现了熵的原理。迦诺在研究蒸汽机工作原理时发现，蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。换一句话说，要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异(即温差)。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个水平转化到另一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就减少了。比如河水越过水坝流入湖泊。当河水下落时，它可被用来发电，驱动水轮，或做其他形式的功。然而水一旦落到坝底，就处于不能再做功的状态了。在水平面上没有任何势能的水是连最小的轮子也带不动的。这两种不同的能量状态分别被称为“有效的”或“自由的”能量，和“无效的”或“封闭的”能量。
熵的增加就意味着有效能量的减少。每当自然界发生任何事情，一定的能量就被转化成了不能再做功的无效能量。被转化成了无效状态的能量构成了我们所说的污染。许多人以为污染是生产的副产品，但实际上它只是世界上转化成无效能量的全部有效能量的总和。耗散了的能量就是污染。既然根据热力学第一定律，能量既不能被产生又不能被消灭，而根据热力学第二定律，能量只能沿着一个方向——即耗散的方向——转化，那么污染就是熵的同义词。它是某一系统中存在的一定单位的无效能量。
现在我们再回到起了“熵”这个名称的克劳修斯那里。他意识到在一个封闭系统里，能量水准的差异总是趋向于零。任何人只要把烧红了的火钳从火堆里取出来，他就会注意到这个使克劳修斯得出熵的定律的现象。当一把烧红了的火钳从火中取出时，我们很快注意到火钳开始冷却，而周围空气的温度却开始上升。这是因为热量总是从温度较高的物体流向温度较低的物体。经过足够长的时间后，我们碰一下铁钳，然后用手感觉一下周围空气。啊!它们的温度完全一样了。专家们把这种没有任何能量级别差异的状态叫做能量平均状态。水在平面时就处于这种状态。在这两种情况下，冷却了的铁钳与平面上的水都不能再做有用的功了，它们的能量是封闭或无效的。但这并不是说人们就不能重新用水桶把水从坝底提到坝顶再让水落下来，或者把火钳再一次加热。然而这两个过程又将进一步消耗新的有效的自由能。
能量平均状态是熵值达到最大的状态，那时将不再有任何自由能量来进一步做功了。克劳修斯在总结热力学第二定律时说：“世界的熵(即无效能量的总和)总是趋向最大的量的。”
我们地球上有两个有效能量的来源：一个是地球本身所蕴藏的能量，另一个是太阳能。经济学家赫尔曼·戴利对两者之间的区别做了如下的解释：
地球本身的能量贮备有两个来源：一个是在对人类有意义的时间内可以再生的能源，另一个是只在地质学意义上的时间内可被再生，因而对人类来说只能被看成是不能再生的能源。地球上熵值较低的能源贮备可以分成能量与物质。地球本身的能源与太阳能都是有限的。地球上不可再生的能源是有限的，地球上可以再生的能源也是有限的，而且一旦消耗殆尽，它们也会变成不可再生的能源……太阳能虽然就其总能量而言是永不枯竭的，但按其到达地球的速率和形式而言，却又是十分有限的了。
虽然太阳能量的总和每秒钟都在递减，然而远在它的熵达到最大值之前，地球上的能源就早已告罄〔告罄〕指财物用完或货物售完，这里指能源枯竭。了。每当你点燃一支香烟的时候，世界上的有效能量就减少了一点儿。当然就像我们已经指出过的那样，在一段孤立的时间内的一个特定场合，我们可以逆转熵的过程；但我们同时却必须消耗更多的能量，并使整个环境的熵的总值进一步增加。这点对工业回收有特殊意义。许多人相信，只要我们发展适当的技术，那么我们所用过的一切东西都是可以被完全回收并再次使用的。其实不然。虽然更为有效的回收技术对我们这个星球的生存的确有着十分重要的意义，然而要做到接近100%的回收是不可能的。目前绝大多数金属的平均回收率为30%。而且回收过程中废旧材料的收集、运输和处理都要消耗额外的能量，导致同一环境里熵的增加。
每个孩子在学习生物学基本原理时都被告知自然界一切物质是在不断循环再生着的。这一点并没有错，因为它说的只是物质既不能被创造也不能被消灭，是热力学第一定律的重复而已。然而不幸的是人们往往忽略了热力学第二定律。而这一定律告诉我们，物质虽然可以循环再生，但必须以一定的衰变为代价。比如我们从地底下挖出一块金属矿石并将它冶炼成一件餐具。在餐具的使用期内，由于磨损，金属分子不断地离开这件餐具。这些离开了餐具的金属分子并没有被消灭，它们最终又回到了土壤中。但它们现在是零零星星地散失在土地里，而不是处于一种聚集状态，因而已不能再像原来那块金属矿石一样被有效地使用了。也许我们可以找到一个方法来回收这些四处散失的金属分子，但在同时我们又要付出熵的更大增加的代价。我们必须安装一部机械装置来收集这些分子，还要动用新的能源来启动这个装置。机械装置本身又来自地表里的金属矿石，而它在回收其他零星金属分子时又会磨损，又要损失自身的金属分子。同时，回收装置所耗费的能量又使熵有所增加。
当有效能量告罄时，我们称之为“热寂”。当有效物质用尽时，我们称之为“物质混乱”。两者导致的都是熵，都是物质与能量的耗散。结果它们的集中程度降低，做有用功的能力也降低。
有些科学家争辩说，经过很长的时间，太阳能够对地表起一定作用，使消散了的金属分子又重新回到聚集的状态中去。这在统计数字上也许是可能的，但对人类却无济于事，因为这个过程是用地质学上的时间来衡量的，也就是说要花好几十亿年的时间。然而在短期内，在一些特定的地理区域里，能源与物质的熵的增加则是实实在在的现象。
练习
“熵”(Entropy)这一中文译名是意译而来的。1923年，德国物理学家普朗克来中国讲学，我国物理学家胡刚复作翻译，苦于无法将“Entropy”这一概念译成中文。他根据“Entropy”为热量与温度之商，而且这个概念与“火”有关，就在“商”上另加火旁，构成一个新字“熵”。


四  《熵：一种新的世界观》中关于历史上的能量的论述
只要我们略为观察一下两个重要的历史时期，就会发现历史确实是在按熵定律发展。让我们来看一下公元4世纪到19世纪的西欧，这段历史对现代世界模式以及我们美国的生活方式的形成有着重要意义。历史学家们把这15个世纪划分成两大部分：中世纪和工业时代。文艺复兴通常被看成是两个时代之间的过渡。流行的教科书通常把从中世纪到现代的过渡归功于人类思想的伟大复苏——好像这以前整个人类莫名其妙地决定停止思想，整整冬眠了几百年似的。虽然学者们为新教徒改革，资产阶级和资本主义的兴起以及在这些重大变革中开辟的商业通道的意义争论不休，但很少有人费心去讨论这些变革背后的真正原因。事实上13～16世纪之间是西欧一个重大的熵的分界线。木材，这一中世纪生活的能源基础日益短缺，人口的增长进一步加剧了木材的匮乏。人们开始寻找出路，终于以煤代替了木材。从以木材为主的能源环境到以煤为主的能源环境的转变，深刻地改变了整个西欧的生活方式。从木材到煤的能源环境是中世纪灭亡、工业革命出现的主要因素。
今天的欧洲对每一块空间的有效利用，都给参观者留下了深刻的印象。每一件东西似乎都按几何形状和尺寸安排得井井有条，即使是空地，看上去也像是规划过的，仿佛整个欧洲大陆从鸿蒙初辟之时就被规划得一丝不苟、毫厘不差。很难想像公元4世纪的时候，这块大陆还只是从阿尔卑斯山到喀尔巴阡山脉之间的一片广袤的密林。一只鸟在森林上空飞上几百英里也很难看见一块空地。偶尔有几块林中空地，一缕青烟会从那里升起。篝火边有几座草屋，几十个人在森林边缘来回忙碌。
西欧的土壤与中东半干旱地区分量很轻的土壤有很大的差异。西欧气候潮湿，土壤又黏又沉，耕耘十分困难。环境的特点给耕作带来了一些基本的变化，这些变化深刻地影响了欧洲大陆未来的发展。
古罗马的旧式扒犁不够坚固，耕不动欧洲肥沃但又沉重的土壤。到6世纪中期，斯拉夫农民开始使用一种更结实的新式犁。这种十字型的犁有轮子和两片刀刃。它装有“一刃竖直的刀片用来开沟，一把水平的犁头，以及一块模板用来翻土”。这种新型的犁耕起地来非常有力，使传统的交叉耕耘法失去了作用。
这种新型的十字型耕犁改变了整个农业生活的结构。十字型耕犁很沉重，需要把8头耕牛编成一组才能带动。既然没有任何农户拥有这么多耕牛，那就必须把牛集中起来共同使用。同样重要的是，使用新式犁以后再把土地划成私人占有的小块就不合算了。这种又大又沉的耕犁最适合在大片空地上使用。这两个原因使集体耕种成了北欧封建领地大部地区的基本模式。
到公元9世纪，十字型耕犁已被引入欧洲大陆许多地区。由于它特别适合耕种河谷地区的肥沃土地，因而导致了大片低地森林的毁灭，因为人口不断增长使越来越多的森林被开发成为耕地。
十字型耕犁问世以后，又出现了两项新的技术。在北欧的一些土壤肥沃地区，人口的增长不断加快，这就迫使收成也必须相应地增长。三熟循环制就这样取代了传统的两熟制。两熟制让一半耕地休闲以恢复土壤的肥力，而三熟循环制却只让三分之一的土地休闲。后者有几个优点。首先生产力提高了三分之一，其次耕耘总量又减少了九分之一。当然，这种近期内增加收成的做法只是加快了土壤肥力的消耗。通过土地使用率的提高，三熟制加快了土壤能量的耗散过程以及熵的过程。
三熟制还使马匹代替耕牛成了可能。马的工作速度是牛的两倍，但除了草之外它还要吃谷物。由于采用三熟制而增加的耕地提供了能用来喂养用于耕地的马匹所需的剩余燕麦。但在有效地使用马来耕地之前，人们还必须完成三项技术改进。到公元11世纪，现代的马轭已开始使用，铁制的马蹄已经发明，那种一前一后纵列套马的方法也日趋完善。这三项技术使马队能拖动更重的十字犁，从而使耕种的速度大大加快。
十字型耕犁、三熟循环制以及马匹的使用，大幅度地提高了现有土地的生产能力，并激励人们去开发更大面积的土地。公元9～13世纪的农产品剩余，导致了人口的急剧增长。人口的增长反过来又迫使人们过度开发已有的耕地，并且毁灭了更多的森林。每一个熵的重要分界线到来之前总要出现的那种恶性循环已经开始。技术的进一步完善增加了能量流通和人口的数量，加快了熵的过程。到14世纪中叶，一个熵的分界线终于到来了。人口的增长超过了能源基础所能承受的程度。土壤侵蚀和木材短缺严重地威胁着西欧和北欧人民的生活。到12世纪，欧洲的部分地区引进了风车(水车使用更加普遍)，从而挽救了本来已不能再使用的土地。但这么一来森林更加减少，人口更加增长。
虽然林地的不断开发大大减少了有用木材的贮备，但真正导致木材恐慌的却是高度发达的商业活动。新兴的玻璃和肥皂工业需要大量的草木灰，然而对木材需求最大的是制铁工业和造船业。到16世纪和17世纪初叶，英国木材危机已经十分严重，结果成立皇家委员会来管理森林的砍伐。委员会的条例无济于事。与15世纪末期的木材价格相比，17世纪30年代的木材价格上升了两倍半。
人们用来解决木材危机的办法是煤炭。但它不仅是一种能源基础代替另一种的简单问题。既然欧洲的所有文化已被统一在一种以木材能源为基础的生活方式之下，那么这个变化就必然导致整个生活方式的急剧变化。人们的生产、衣着、旅行等行为方式，以及政府的统治形式，都经历了天翻地覆的变化。这场危机是在13世纪亨利二世时代的英国爆发的。纽卡斯尔城的木柴告罄，有人活活冻死。于是国王恩准百姓改用煤作为能源。
教皇皮厄斯二世于15世纪记录下了他出访苏格兰时的情景。他吃惊地发现衣衫褴褛的贫民排在教堂门口“接受教堂施舍的黑色石块，然后心满意足地离去。他们燃烧这些黑色石块，来代替他们国家所缺乏的木材”。到1700年，煤开始取代木材成为英国的能源基础。不到150年西欧许多国家也都用起煤来。
如今我们把煤取代木材看成是一个飞跃，是进步势力的巨大胜利。可当时的人们却不是这样认为。煤在当时受到鄙视，是劣等能源。煤很脏，带来了大量污染。1631年埃德蒙·豪斯哀叹道：“人们只能以煤取火，殷实之家亦不例外。”
煤比木材更难开采、加工，因此把它转化到有用状态要耗费更多的能量。这一点也可以在热力学第二定律的作用中找到答案。世界上的有效能源不断被消耗掉，而最先消耗的总是最容易得到的能源。后一个能源环境所依赖的能源总要比前一个能源环境的主要能源更难获得煤的。开采和加工比树木的砍伐更困难。而石油的开采和加工还要困难。分裂原子以获得核能就更麻烦了。
我们一贯理所当然地认为历史进程的飞跃是由于某一个人找到了更有效的方法。殊不知这些所谓的有效方法实际上只是为了适应更为贫瘠、严酷、更加难于利用的能源环境而找到的不同出路而已。就像威尔金森所提到的那样，每一种新的方法最终需要更多的功(或能量)——即使做功的是非人类能源。蒸汽机的发展就是一个很好的例子。
学校教员讲起工业革命时总是说：有一天一位叫詹姆斯·瓦特的年轻天才正在他的车库或什么地方敲敲打打，忽然发明了他称之为蒸汽机的那个小玩意儿。全世界很快就知道了这个发明，于是一眨眼工业时代就轰轰烈烈地到来了。从来没有人告诉我们早在公元前3世纪希腊人希洛就已经设计了一台蒸汽机。只是因为希腊人有的是奴隶，并不需要蒸汽机来干活，因此它只是成了宫廷玩具。且不说希腊人怎么样，让我们来看一看现代蒸汽机发展背后的真正原因。这将向我们生动地表明重大的技术变革(而不仅仅是现有技术的改进)是由能源环境的变化引起的。
现代蒸汽机最初是用来开采煤矿的。为了获得新的煤源，煤矿在地下被越挖越深，因此井下通风以及如何把煤块运出矿井就成了很大的问题。17世纪的煤矿还面临着另一个困难。当煤矿挖到一定深度时，就碰上了地下水，于是人们又必然考虑排水的问题。所有这些问题都需要有一个技术来解决。于是蒸汽机就应运而生了。一个叫托马斯·萨弗里的人于1698年获得了第一台蒸汽水泵的专利权。
蒸汽水泵不过是直接产生于新的煤炭能源环境的一连串机械发明中的第一个。蒸汽水泵的发明刚刚解决了采煤问题，马上又出现了一个同样棘手的问题：如何将煤运送到分布在全国各地的市场上去。用马车在陆地上运送十分沉重的煤不甚方便。英国当时的大部分道路还没有铺上路面，煤车的重载会在泥地上留下深深的车辙，一到雨天就成了泥沟，根本无法通行。同时由于耕地奇缺，不能生产足够的庄稼来同时养活人和马匹，于是喂养运输马匹的费用就变得日益昂贵。为此人们发明了蒸汽机车和火车路轨来解决运输危机。与蒸汽水泵一样，蒸汽机车是人们用来对付新的能源环境的技术措施。蒸汽水泵和蒸汽机车同时为接踵而至的工业时代奠定基础。
与木器时代的斧子、马匹和车辆相比，蒸汽水泵与蒸汽机车的耗能技术要复杂得多。然而当时的能源环境也要严酷得多。在整个历史发展过程中，科学技术的重大变化总是呈现出日益复杂，能量消耗越来越大的趋势。每一次重大的环境变化都趋向于采用更加稀少的能源。
每一种新的环境的产生不仅意味着所需工作量的增加，而且每一种新的技术又往往被看成是旧技术拙劣的替代。有时人们能立刻意识到这一点，但有时人们要等到新的方法完全站住脚后才渐渐明白过来。就拿罐头食品和盒装食品来说吧，尽管加工食品曾在很大一段时间内被誉为更优越的食品，但，要是今天人们能够在加工食品与新鲜食品之间作选择的话，很少有人会挑选前者。生产加工食品要比生产传统食品需要多得多的能量或工作量。(里夫金  霍华德)