土木工程与地球环境的哲学思考

1、土木工程与地球环境的哲学思考马宝民（清华大学建筑设计研究院）AbstractTheauthorsurveystheinfluenceexertedbyhumansconstructionontheearthenvironmentfromtheaspectoftheearthevolution.Theformerincludessingleearthenvironment,self-organizationtheory,thesupernaturalandfaintnessofhuman,humanandnature,theindustrialandbioecologycivilization,

2、sciencestwo-edgeeffectetc.Finally,thepaperdiscussesthecountermeasureofcivilengineeringagainsttheearthenvironmentandputsforwardtheconceptionoftouchingtheearthslightly,zerotrace,andindustrialself-cleaning.前言曾几何时，科学家坚定地认为地球是一部润滑很好的机器，以不可改变的精确度工作着，可以追朔到任何遥远的过去，预见到任何遥远的未来。但今天，这种观点难以维持了，越来越多的观察表明人类活动影响了地球

3、这个庞大机器的运转。进入工业文明的300年中，人类用现代科学技术装备了自己，使人的行为能力增长了千万倍，开始了大规模的工程运动。然而，把地球仅仅当作“取之不尽”的资源宝库的错误自然观，使人恣意地浪费不可再生资源，破坏生存环境，将地球环境推向了危险的边缘。德国著名医学家狄特富尔特(DitfurthH.V)在人与自然中写道：”如不立即制止按人类随意判断而进行的任性改造地球的活动，则在即将到来的灾难中，人类首当其冲：一旦人类因失却生物生存的基础(空气、饮用水、土地、生物)而毁灭自己，自然界却有可能随即复原。地球重归平静。大自然又会以其在过去亿万年中所显示的创造力而崛起于人类遗留的废墟之上。人类在此星

4、球上的数万年存活史终将降格为TOC o 1-5 h z一段插曲，一段很成问题、毫无结果的插曲。”想想地球环境是从荒蛮死寂的状态演变而来的历史，这段描述似乎耸人听闻却又不无道理。环境、工程、以及其中大量存在的哲学问题很值得思考，这些问题是目前人类面临的最重大问题之一。地球有四大主要圈层：大气圈、水圈、生物圈、岩石圈，地球表层是这四大圈层的交错结合部位，是地球最活跃、最有生气、也是最敏感的部位。土木工程活动恰恰是对这个敏感部位进行的人工改造。土木活动留下的痕迹深刻而久远，是显著影响地球环境的人类最重大活动之一，稍不留意就会像“大象在摆满瓷器的房间里散步，随时有可能把珍贵的东西打碎。”近些年频发的气

5、候异常灾难，也许土木活动是最主要诱因之一。地下空间的开发利用、城市化建设的迅速发展、不断涌现的建筑新材料、移山填海工程等等，这些由人强加给地球的、体量足以与地球产物相当的东西，都可能对地球环境造成直接损伤。人已经显著感到了环境污染、垃圾成灾、资源浪费、能源短缺等一系列的生存危机。然而，这些让人头痛的问题，对地球来说却并不存在。不难发现，那么复杂的地球环境却从来不设“垃圾桶”，也从来没有资源、废料之说。地球上的所有物质都是地球的骨肉，都是资源，没有废料。如此看来，所谓资源、废料只是相对人的需要说的，也是因人而起的。由此，我们研究问题的全部出发点、落脚点都是紧紧与直接间接影响人的生活和发展的自然因

6、素、社会因素相关的。唯一的地球环境TOC o 1-5 h z我们生存的地球环境演化成今天这个样子，经历了46亿年的漫长过程。地球环境的形成几乎是一种巧合，巧合于复杂的方方面面的因素，成功概率几乎为零。举几个例子：第一，巧合于地球与太阳恰到好处的距离，才使得地球能有合适的温度。在太阳系中，近日的行星温度太高，水被蒸发掉了，液态水无法存在；远日的行星温度太低，完全是个冰球。月球是地球的近邻，但月球外没有空气层的保护，表面温度白天130，晚上180，昼夜温差310，阳光和阴影的分界处温差也是如此之大。月球完全是死寂一片。唯独地球，公转和自转，一会儿将这一面向着太阳，一会儿又转过来。循环地吸入和排出太

7、阳能，使得各处温度大体相当，平均温度20，可存在液态水，1具备了演化生命的温度条件。第二，巧合于大爆炸时地球恰到好处的初速度。如果初速度太快，离心力大，就会远离太阳，如果初速度太慢，向心力大就会靠近太阳。如果不是这个恰到好处的初速度，就不会有现在这样恰到好处的地日距。第三，巧合于地球恰到好处的大小。这个大小使得地球的引力能适度地控制大气圈的厚度和各气体元素的级配。否则，空气层就会因引力过小而摔出去，或者因过大只有近地表的薄薄一层。第四，巧合于地球内部有大小恰到好处的核能动力，若内动力太大，火山、地震频繁，生物无法生存；若太小，地壳无法演变出山川湖海和大气圈。这几个例子已足以说明问题。这一切十分

8、巧合，好像预先设计好了似的。许多年来，人们坚定地相信，偌大宇宙必有另一个适合生物生存的环境，然而至今还没有找到第二个存在生命的星球。地球环境的唯一，更增添了它的神秘色彩和珍贵价值。在此重提这些科普常识，只是想呼吁珍惜这难得的地球环境。人类智慧的来源TOC o 1-5 h z地球环境的奇妙还表现在它不仅演化人，也教化人。人最引以自豪的是有超乎万物的智慧。然而，人的智慧是那里来的？人的所有智慧都是向地球环境学来的。地球万物无不深藏着智慧和哲理。一朵米粒大的小花也开放得那么精致、认真、准时、洒脱。达尔文说：“大自然不制造蠢东西。”自然不言，却可以教化人；自然不思，却极端睿智、严谨、精确；自然不德，却

9、厚德载物，公平、公正、无私、无畏。地球正值年盛，仍在自强不息地和谐运转。我们有这么一个养育教化我们的神奇地球，应该感到幸运而倍加珍爱，而不是嫌弃她，动不动就随心所欲改造她，更不是折磨她。自然系统和人工系统如此奇妙而复杂的地球，究竟是靠什么力量把大大小小的系统组织协调得如此严密？20世纪60年代发展起来的自组织(self-orgnization)理论回答了这个问题。自组织理论认为自然系统在演化过程中存在着双重势力的斗争，一面趋向混乱、解体、破坏，另一面又趋向有序、组合、建设，两种力量相反相成。这些无穷无尽的相互作用使每个系统作为一个整体，产生了自发性的自我组织。自组织、自适应、自调解是自然界中生

10、物、非生物、自然系统、社会系统都具有的一种本能，是自然万物的天性。正是由于自组织能力，自然系统才组合得天衣无缝。自然里蕴藏着深奥的哲理，常常把人的智慧捉弄得啼笑皆非。自组织的最大特点是可以进化、演化，这样就能持久、延续，是一个活的系统。与自组织的自然系统相对的是人工系统。人工系统是人按自己的意志改造环境而建立的系统，例如一片田园、一栋房屋等。人工系统受人的意识制约，其原动力不是系统内部自发的，因此不可能有演化、进化，是一个死的系统。人工系统的残局往往要自然力花费漫长的地质时间进行修复才能达到新的自然平衡。因此，自从地球上有了人之后，自然系统的平衡已不再是纯粹自然状态下的平衡。神奇的人和人的幼弱

11、人是地球环境演化的产物，组成人体的化学元素不过是极普通的碳、氢、氧和微量元素，与非生物元素并无二致。然而一个单细胞卵能在极短的时间内分裂生成功能迥异和谐互补的手足躯干心肝肺脑，从而组成一个活生生的人。这无论如何不能不说是自然力的一个奇迹。大家知道，一个普通人的脑不过1360g，却有上千亿个神经细胞，纤维总长度可以从地球延伸到月球再返回来；肺泡的表面积之和比一个网球场还大；人体所有器官都是以最大功能的形式装进最小的空间，将资源“吝啬”地利用得淋漓尽致。相形之下人工系统还做不到这一点。脑的学习、记忆功能，使人的经验积累大于因个体死亡而消失的经验，克服“获得性不能遗传”的障碍，从众多动物种群中脱颖而

12、出。人的智慧积累进一步演进出科学技术，发展到现代，知识更新的速度以指数形式发展，18世纪知识陈旧周期为80-90年，现在缩短为5-7年。于是人的能力已从靠体能抵御自然侵袭的被动状态，发展到越来越远离自然，营造自我封闭的人工环境的主观能动状态。随之人的情感也发生了变化，一个自幼生活在大自然中的人，能充分感受到生物生命力的顽强和生物间的亲密友好、自然力的伟大；而一个自幼生活在现代都市中的人，对自然力、甚至人与人之间的情感天然表现出冷漠和无知。人已越来越疏远自然，满足于关在钢筋水泥笼子中的生活。工程活动几乎是人的全部活动，营造自己满意的人工环境。以至于人工系统可以和自然系统抗衡。这到底是一种文明还是

13、愚昧，其实尚未可知。食物链是自然界的一个基本现象，其后一个级位是前一个级位的天敌。人是食物链的顶级，没有天敌，致使人口“疯长”。美国生物学家刘易斯托马斯写道：“我们到处生长，像一个新的生物体盖满地球表面，地球因我们的充溢而有窒息的危险美国科学家林德曼提出食物链每个级位的能量转化率只有10的“十分之一”定律。即下一级向上一级提供的食物的能量转换在10%左右。顶级生物必须有庞大的生物种群基础，否则就要灭绝。TOC o 1-5 h z人其实很脆弱很渺小。人对饥饿的耐受力仅几天，对温度的耐受范围仅有几十度，对许多疾病还束手无策。都市生活使人对自然条件的适应能力大大降低。人的直立行走毕竟仅有百万年，虽手

14、脑进化较为明显，但心脏位置还嫌偏低。有人把宇宙寿命缩短为一年，人则在宇宙年的年夜22点半才诞生，23点40分北京人才学会使用火，元旦钟声敲响前10秒钟才有人类历史的记载。人毕竟还太幼弱。宇宙间还有许多人不了解的事，还有许多人做不到的事。例如，给你足够的元素，你还不能组合成一个活生生的人。幼弱的人却在奋力地和教它养它的地球环境抗争。人不可急于过高估计自己的能力，自毁生存基础，要敬重自然。人与自然、发展与环境20世纪60年代罗马俱乐部和美国赫德森研究所双方就人与自然、发展与环境展开过一场激烈的争论。罗马俱乐部的代表著作有增长的极限、人类处在转折点上、超越浪费时代、能源：倒过来计算、流向未来的道路图

15、等。他们认为全球的环境危机和科技发展带来的可怕后果已经到了危险的边缘，主张以生态为中心，提出经济“零增长”、“回归自然”。而赫德森研究所持反对意见，认为不应如此悲观，人口、资源、科技、环境问题都还没有严重到危机的程度，那样会使人类士气低落，丧失自信。争论过程使世人对环境问题大大觉悟，使许多基本问题更加明朗。经过修正，双方意见趋向接近。也正是这场争论开拓了人类生态文明的新时代。人与自然“和谐”其实是很不容易做到的事。植物通过光合作用向自然贡献氧气，向动物提供食物，没有植物地球环境将黯然失色，植物与自然十分和谐。然而，若撇开思维功能仅从自然属性看，人几乎没有向自然贡献什么，地球可以没有人，而人不可

16、以没有地球。工业革命后，人一度要“主宰自然”，盲目地“以人为中心”，用科技砍伐自然，向自然倾泻垃圾，结果在很短时间内严重地破坏了环境。对自然不仅没有贡献，甚至没有“和谐”过。人是自然TOC o 1-5 h z的主宰还是普通成员？这是个很基本的问题。然而越是基本的问题越难回答已成为当今科技发展的一个突出特点。作者认为既然大自然能造就人，就能制约人和任用人，制约的唯一手段就是自然法则。人可以有欲望，没有足够的欲望人进化不到今天这个样子，但人不可以为所欲为。人的杰出之处是掌握科学，但科学并不绝对是真理，科学是试验和观测的经验事实而不是客观事实。人的生存、行为、思维、科学均受自然法则的制约。自然法则不

17、随人的意志转移，不因科学家、政治家而存在。不可盲目认为掌握了科学就掌握了自然，人应当真诚地尊重自然，丢掉虚荣和政绩追求，拿不准时放弃和暂缓常常是最佳选择。当然，人是自然界最具能力的物种，应当是地球环境责无旁贷的忠诚卫士；人也是最易“犯规”的物种，应随时检点自己。人要发展，但更要持续发展。工业文明与生态文明环境问题的提出将人类文明带进了一个崭新的文明时期生态文明时期。生态文明与工业文明在观念、伦理、主导学科、思维模式等一系列重大方面显著不同。工业文明时期人们关注认识自然、征服自然，主导科学是物理学和化学；生态文明时期人们关注节约资源、保护环境、持续发展，主导科学是环境科学和生物科学。工业文明时期

18、对物理学和化学的研究模式是进行学科分离、问题分解、问题简化。进入生态文明时期，面对复杂的地球环境科学和生物科学，必须进行多学科交叉的综合研究，不能将科学分成孤立的互不相干的封闭领域。著名的美国圣菲研究所所长考温(CowanG.)说：“物理科学是一门以概念的优雅和分析的简单为特点的学科。一旦你和生物学交上手，你就会放弃优雅，放弃简单，你被搅得乱七八糟。”他批评“一直强行把科学智慧分割成越来越多的互不相连的碎片”的传统观念，认为“传统的简化论的思维已经走进了死胡同。”鉴于此，土木工程学科也必须重新审视传统的研究方法和学科界限，不能仅限于传统的工程学，而应在工程学中涉足环境学、地球学、生物学、哲学等

19、相关学科，融入它们的基本概念和基本要求。科学技术的两重性自然平衡因人的参与被打破后有两种可能前景：一种是向更高层次转化，有益人类，有益自然，产生新物种，达到新平衡，这是进化。另一种是向低层次转化，物种灭绝，荒漠化，这是退化。科学技术是人参与自然演化的最重要方式，因此科学技术也具有两重性，即建设性的进化和破坏性的退化。从这个意义上讲，科学技术工作者半是天使半是魔鬼。认为科学和技术全都是神圣的，这是不对的。土木工程也表现出两重性。治水防沙使荒原变成绿洲，是建设性的进化；伐木毁林使水土流失荒漠化，就是破坏性的退化。时间尺度TOC o 1-5 h z讨论地球环境要涉及到差别很大的时间尺度。理不清时间尺

20、度，许多观念就会混淆不清。历史学家布劳德把时间尺度分为三个概念：1.地质时间，以百万年计，用以衡量地球进化、地质构造形成等；2.社会时间，以百年计，用以衡量人类社会变迁；3.生物生命时间，以年月日计，用以衡量生物寿命和人的活动。所谓不可再生资源是指其再生所需时间为地质时间，相对人的生命时间属无穷大，相当于“不可再生”。由此看来，地球环境绝对是第一不可再生资源。土木工程活动是以第三种时间尺度扰动第一种时间尺度的活动，不适当的工程活动可以在几天内把地球环境数亿年演化的产物毁灭。因此，必须慎之又慎。土木建筑工程的地位从知识层面看，工程位于“科学技术工程产业经济社会”这个知识链条的中间环节。工程是科学