在我们目前为止已经描述过的政治、经济和军事变化背后，正在发生其他更深刻的变化。尤为重要的是，工业化和经济发展增强了人类控制整个生物圈的生态力量。衡量一个物种生态力量的最明确标准之一，就是其数量的增长，因为只有更多资源的支撑，物种的数量才可能增加。1913 年，地球上人口数量大约为 18 亿；2008 年大约有 67 亿。在不到一个世纪时间，世界人口几乎增加了 3 倍。世界人口达到 10 亿几乎花了 20 万年时间，20 世纪的 100 年时间增加了另外 50 亿人口。此外，大多数人现在活得更长久，平均寿命在 20 世纪增长了一倍，从大约 31 岁增加到 66 岁。与一个世纪之前相比，现在的人口是原来四倍，寿命是原来两倍，这意味着，即使每个人像 1900 年那样消费资源，被消费的资源总量差不多也将是原来 8 倍（参见图 12.3）。
图 12.3 世界人口增长，1500 年到 2008 年
但是，每个人的平均消费量也在增加，而且增加量十分引人注目。当然，我们必须牢记，以下数据充满了不确定性，而且它们忽视了经济行为的一些重要方面，这些方面包括大多数形式的家务劳动和对孩子的抚养，以及人类活动对环境造成的影响。然而，它们确实为人类消费资源量的变化提供了粗略的衡量，因为不断增加的产量一定需要更多的劳动力和更多的原材料。
依据一份更广泛地为人所接受的统计汇编，所有国家的总产值（GDP，以 1990 年国际货币美元计算，单位：十亿）从 1913 年 27000 亿增加到 1998 年 337000 亿美元，同比几乎增长 12 倍。到 2008 年，全球总产值再次翻了一番。如果这些统计数据不那么离谱的话，它们表明，作为一个物种，我们在 2008 年使用的资源几乎是 100 年前使用量的 24 倍。这意味着，在短短一个世纪时间里，人类对地球能量和资源的控制能力出现了惊人的增长（图 12.4 和图 12.5）。
图 12.4 GDP 的增长，1500 年到 1998 年。
这幅图表显示了全球 GDP 在过去 500 年的增长。注意，GDP 如何在 20 世纪增长 12 倍
图 12.5 人均 GDP 的增长，零年到 1998 年
消费也出现了增长，因为创新的速度加快了，在 20 世纪后半期尤为明显。如此普遍、如此迅速以及如此出人意料的创新是前所未见的。创新不仅仅改变了生产方式，也改变了组织和资助生产的方式，以及货物运输、销售和买卖的方式。它也创造了全新的产品、服务和技术：从塑料制品到因特网再到核武器。下面简要描述一些新方法和新技术，它们增强了我们对生物圈资源的集中控制。所有这些新技术都降低了生产成本，从而也扩大了市场，这些反过来又刺激了对生产和研究的投资，在一种强有力的反馈循环中，市场进一步扩大。地图 12.1 到 12.4 概述了世界各地财富在过去 2000 年时间发生的变化。
地图 12.1 2000 年前的全球 GDP。
领土大小与对它的经济规模做出的估算有关。注意 2000 年前的超级大国印度和中国
地图 12.2 500 年前的全球 GDP。
注意，500 年前，东亚仍然是世界经济的中心
地图 12.3 100 年前的全球 GDP。
注意，工业革命如何增加了欧洲和北美的财富，并且导致东亚相对财富的急剧下降
地图 12.4 现今的全球 GDP（2015 年的估算）。
注意，东亚在 21 世纪早期迅速重新崛起
食物
1900 年以来，食物产量超过了人口增长。人口数量增长到原来 3.5 倍，谷物总产量增长到原来 5 倍，从大约每年 3600 亿公斤增加到每年 18000 亿公斤。同时，一定面积的可耕土地的生产力差不多也提高到原来 3 倍。食物产量的这种显著增长，无法通过增加两倍可耕土地来获得，因为与以往许多世纪不一样，新的可耕土地现在已经很少。（一个主要的例外是欧亚大陆大草原，20 世纪 50 年代，在所谓的“处女地规划”期间，苏联政府把这片土地用作农地。）1900 年以来，生产力的主要成就，依靠的是提高生产力的新技术。
农业也成为一种工业活动，农耕规模巨大，并且依赖大量投资和先进科学。燃烧化石燃料的机器——从烧煤的蒸汽机到烧汽油的内燃机——逐渐接管了收割之类的艰辛工作。化石燃料革命带来的丰富能源，也使古老的灌溉技术恢复了活力。以化石燃料为动力的挖掘机器降低了修建堤坝和灌溉沟渠的成本，而柴油泵的使用让人们更容易从水井或地下蓄水层取水。1950 年到 2000 年间，受灌溉土地面积从 9400 万公顷增加到 2.6 亿公顷，今天，灌溉用水大约占所有用水量的 64%。水产业也得到更加有效的开发，因为更强大的机器、更好的航海设备以及更大的渔网让拖网渔船的海上作业更加高效。20 世纪后半期，捕鱼量从 170 亿公斤增加到 850 亿公斤。我们对捕鱼如此擅长，以至于许多鱼类现在几近绝种。
土地的生产力也提高了。几千年来，恢复土壤的肥力意味着暂时放弃耕作（休耕）或者以动物和人类粪便施肥。但是，自然肥料的储量是有限的，在一些社会尤其如此，比如不愿意以人类粪便作肥料的西方社会。19 世纪早期，南美丰富的海鸟粪储量被人们发现；到 1900 年，它们基本上被用完了。1909 年出现了一项重要突破：弗里茨·哈伯在那一年演示了如何从大气中的氮和氢合成工业用氨，而氨可以用来制造大量硝酸钾，从而为土壤提供肥料。约翰·麦克尼尔认为，与其他任何事物相比，哈伯的发明最有力地扩大了 20 世纪的食物供应，或许为 20 亿人提供了粮食，如果可耕农地的产量没有增长 30% 的话，这些人根本无法养活。② 通过研制杀虫的化学药品，工业化学家也提高了农业生产力，尽管许多杀虫剂（比如 DDT）最终被证明具有有害的副作用。它们会进入土壤，然后经由食物进入人体。
我们也学会了如何提高家用作物和家畜的生产力。人工选择的老方法开始被更有效地应用到大型的、资金充足的研究项目中，例如，培育出 20 世纪 60 年代绿色革命中更高产的新型小麦品种的项目。这些品种对大量施肥做出了良好反应，它们的生长更多转向可食用的产品，而不是根和茎干。仅仅在印度和巴基斯坦，小麦产量在 20 世纪 60 年代就增长了 50%；在墨西哥，小麦产量在 20 世纪 40 年代到 70 年代之间几乎增长了 5 倍。
1953 年，詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）发现了 DNA 的活动模式，生物学家由此得以进入自然选择的引擎室（engine room）。自 20 世纪 70 年代早期以来，科学家学会了如何将一个物种的遗传物质转移到另一个物种，这样，通过利用其他物种的有用基因，他们就可以有意识地改变农作物和动物的基因结构。例如，他们能够制造出不太需要或根本不需要肥料的谷物，或者对虫害有自然抵抗力的谷物，因此，它们几乎也不需要杀虫剂。转基因谷物产量更高，一些人宣称，它们比那些被取代的谷物更美味。这些新技术在美国受到热情支持，就美国而言，在 2000 年种植的作物中，15% 的玉米、30% 的大豆以及超过 50% 的棉花都是转基因产物。
健康与寿命
医学创新——比如对感染的危险性和清洁的重要性的认识得到提高——对健康产生了显著影响，对老人和小孩来说尤其如此。
废水处理和洁净饮用水的供应也产生巨大影响，不过，这些都有赖于资金充足的地方政府机构，因此，即使在 1980 年，世界上也只有一半人口可以喝到净化过的水。新的、得到改善的药物（阿司匹林或抗生素）也减少了疾病引起的痛苦。1928 年，亚历山大·弗莱明（Alexader Fleming，1881—1955）发现，青霉素之类的细菌可以用来防治感染，霍华德·弗洛里（Howard Florey，1898—1968）在 20 世纪 40 年代研发了大规模生产的可靠方法，此后，抗生素在二战中被广泛用来保护士兵的健康。抗生素最终帮助改善了几百万人类及其家畜的健康。然而，我们也逐渐意识到，人类与疾病的斗争远远没有结束，越来越多的证据表明，一些携带疾病的有机体——从引起获得性免疫缺陷综合症（AIDS）的人类免疫缺陷病毒（HIV）到金黄色葡萄球菌——能够有效地对我们用来对付它们的化学和生物武器产生免疫力。广泛应用的高科技医疗程序——器官移植或脑外科——对人类健康的影响越来越有限，尽管它们保留了希望，即我们最后会解决许多种疾病，或许会消除衰老本身的诸多原因，从而把平均寿命延长几十年。
更多的食物以及更好的健康和卫生条件，使得更多人生活得更健康和更长久。富裕国家的寿命仍然比贫穷国家高出很多。在 2000 年，世界预期寿命男子为 65 岁，女子为 69 岁，而美国分别是 74 岁和 80 岁，撒哈拉以南非洲为 46 岁和 47 岁。不过，即使较低的数据也体现了我们所理解的人类“寿命”的变化。在 10 万年时间里，人类平均寿命一直是 25 岁到 35 岁。实际上，这意味着大量婴儿和小孩夭折。也就是说，一旦你活过了 35 岁，你就已经在享受生命的奖赏了。然后，在短短 100 年时间，世界平均预期寿命增加了一倍。
消费
人们也比以往消费得更多。在农业时代，绝大多数人是农民，生活勉强糊口。只有一小群精英——通常不会超过人口的 5%——消费奢侈品。农业生产力太低，基本上不可能供养超过 5% 到 10% 的非农业人口。今天，随着生产力提高，非农业人口的相对规模也在增加，产品的生产与消费超过了人口增长。一个新的、全球范围的中产阶级正在兴起，他们拥有前所未有的财富。
电缆以及石油和天然气管道把化石燃料革命的能源送入我们家庭和工厂，创造了洗衣机之类的机械奴隶，它们比农业时代的人类奴隶更强大、更温顺、往往也更高效。电力让人类能够廉价而数量精准地配备能量，以便驱动小型机器——从灯泡到电话再到洗衣机和计算机。让能量变得如此适合传输的关键，在于 1821 年迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791—1867）的发现：在磁场移动一个金属线圈，就可以创造出电流。到 19 世纪 60 年代，在德国和比利时设计的、由蒸汽机或水电站驱动的功能强大的发电机，能够制造出巨大电流。19 世纪 90 年代开发出来的交流电，让电力的远距离配送更容易也更便宜。1889 年，尼古拉·特斯拉（Nicola Tesla，1856—1943）设计了第一批廉价电动机，20 世纪早期，电灯和电机开始改变消费者的生活。在苏联，布尔什维克政府将电气化视为社会主义建设至关重要的组成部分。20 世纪 20 年代和 30 年代，电力逐渐改变更多工业化国家普通消费者的生活。到 20 世纪 30 年代中期，将近 90% 的日本家庭用上了电，美国几乎为 70%，英国差不多为 50%。
廉价的石油和电力可以为私家车、洗衣机、加热器、冷却器、空调、电视以及计算机提供动力。内燃机比蒸汽机更有效，因为燃料直接在驱动发动机的活塞内部燃烧。卡尔·本茨（Karl Benz，1844—1929）在 1883 年建造了第一辆以汽油为燃料的内燃机。然而，最早的汽车都很昂贵，属于手工制造的奢侈品。1913 年，亨利·福特（Henry Ford，1863—1947）开始制造出一辆流水线生产的汽车，它售价低廉，足以让汽车进入正在兴起的中产阶级家庭。通过借鉴那种制造可互换零件的技术——最先应用于枪炮生产领域（可互换零件都是一致的，因此可以大规模生产而不需手工加工）——福特大大降低了费用；他还把这种技术与生产线的使用（率先在肉品加工业使用的生产技术）结合在一起。
越来越多一度被视为奢侈品的产品逐渐被廉价生产出来，它们是如此之多，以至于大多数消费者都有能力购买。新的廉价原料的合成也降低了费用，比如，塑料和合成橡胶（德国是这种原料的先驱，因为德国无法轻易获得天然橡胶）。同时，广告也刺激了有购买力的人购买新的消费品，而银行为无力购买这类产品的人提供贷款。随着市场扩大，货币和信贷变得更便宜。由此带来的结果，就是每一个经济学家都很熟悉的积极的反馈循环：当更多人购买曾经昂贵的消费品时，生产和信贷的成本就会降低，这样一来，更多的人有能力购买它们。
运输和通讯
运输和通讯的创新一直是发展和创新的重要驱动力。运输方式的改善减少了消费品从生产商到零售商再到消费者的流通费用，因而也降低了它们的价格。
随着铁路和汽船的推广，19 世纪出现了运输革命。1877 年以后，许多汽船都安装了制冷系统，以便把新鲜货物从世界一端运送到另一端。1815 年到 1900 年，仅仅汽船差不多就减少了跨大西洋运费的 95%，铁路让陆路运输的成本下降幅度更大。20 世纪，新的运输形式包括私家车和卡车。这两种交通工具都需要铺好的道路网络，政府愿意为此买单，因为它们很清楚，改善的运输能够大大刺激经济发展。汽车、卡车和公共汽车让中短程运送人口和货物比以往更容易。二战之后，商业航空运输开始加快小容量货物（比如邮件）的运送速度。1950 年以后，标准金属集装箱——它们能够在卡车与火车以及轮船之间轻松地装载或卸载——的使用，大大降低了较笨重货物的运输成本。
20 世纪，人类发明了可以把人送入太空的火箭。尽管苏联率先将人送入太空，不过，美国是第一个把人送到另一个天体的国家：1969 年 7 月 20 日，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong，1930—2012）在月球着陆。在某种较小规模上，人类已经成为一个星际物种。观看从太空拍摄的地球图片，有助于千百万人理解我们地球家园的渺小和脆弱。
事实证明，与运输的变化相比，信息交换和储存技术的变化更重要。工业化之前，信息转移的速度不可能快过个人式传递。1837 年，人们发现电荷通过电线可以传输信息，信息革命由此开始。同年，塞缪尔·摩斯（Samuel Morse，1791—1872）编制了一种密码，它让电报显得切实可行。1876 年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell，1847—1922）为第一部电话申请了专利。
古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi，1847—1922）证明了电波在无线状态下可以发送信息，此后，远距离通讯开始迅猛发展。商业货主和海军对无线技术尤为着迷，因为他们不能使用基于固定电缆之上的电报形式。1899 年，马可尼以摩斯码发送的无线电报穿过了英吉利海峡，1901 年，他发送的无线电报穿越大西洋。到 20 世纪 10 年代中期，无线电报已经可以传输声音和音乐。1920 年，第一个商业广播电台（KDKA）在匹兹堡被推出。以无线的方式传输移动影像是一项更复杂的挑战，电视直到二战之后才蓬勃发展起来，尽管电影中动画的机械投影技术在 19 世纪末已经出现。
20 世纪晚期计算机革命引起通讯的再次变化。计算机技术是在二战期间研发出来的，用以计算火箭的弹道或破解密码。然而，早期计算机使用了巨大的、不可靠的真空电子管，它们显得庞大、昂贵、不可靠以及笨重。与汽车一样，只有对大众消费者而言足够便宜时，计算机才会逐渐改变社会。1947 年晶体管的问世，让这一切成为可能。当晶体管的尺寸变小、成本降低时，它的性能开始以指数方式猛增。1975 年，Altair 公司研制了第一台面向大众市场的计算机，它售价 400 美元。20 世纪 80 年代，计算机开始联网，它们的功能也倍增；1989 年，蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee，1955—）编写了一个程序，此后，即使业余者也可以使用“因特网”——在世界大大小小的计算机之间相互交换信息的巨大网络。光纤电缆降低了计算机连接的成本，让信息传递的费用几乎减少到零。信息逐渐变得几近免费。1930 年，从纽约向伦敦打一通三分钟电话需要花费 300 美元；1970 年为 20 美元；2007 年仅仅 0.3 美元。不过，电子邮件事实上是免费的。现在，集体学习运作的速度和效率甚至在一个世纪之前都无法想象。
战争与破坏性技术
创新也提高了战争机器的效率和生产力。内燃机被用于坦克，飞机和火箭被用来投放炸弹。与此同时，爆炸威力呈指数增加。1866 年，阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel，1833—1896）改进了传统的黑色火药爆炸物，发明了以硝化甘油为主要成分的炸药。
20 世纪早期，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）在他的《广义相对论》中表明，物质转化为巨大的能量是可能的。二战期间，交战国双方的政府为各自科学家规定了一项艰巨的任务，即制造能够使用蕴藏在原子核中的惊人能量的武器。1945 年 7 月，美国政府的“曼哈顿计划”研制的第一颗原子弹——以铀的爆炸为基础——在新墨西哥三一试验场试爆成功。曼哈顿计划的科学指导罗伯特·奥本海默（J. Robert Oppenheimer，1904—1967）写道，当他看到第一次爆炸时，他想到了印度教经典《薄伽梵歌》中毗湿奴神的话：“现在，我就是死神，所有世界的毁灭者。”三个星期之后，一颗原子弹摧毁了日本的广岛，几乎立刻杀死了 8 万人，此后一年，辐射和其他伤害让死亡人数增加到近 15 万。
20 世纪 50 年代，美国和苏联都开始研制以氢聚变（这种产生能源的机制也为太阳提供了燃料）为基础的、威力更大的原子武器。到 20 世纪 80 年代中期，美国和苏联部署了约 7 万枚核弹头，它们的爆炸力相当于为地球上每个人准备了大约 3400 公斤 TNT 炸药。人类已经获得了足够的破坏性力量来打击自身和生物圈，其破坏程度相当于 6500 万年前导致恐龙灭绝的那颗小行星对地球的撞击。
在人类对资源的掌控力不断增加的背后，有两个根本的变化：对能源掌控力的增强和对创新本身掌控力的增强。
能源
能够提供廉价电力的发电机（不管是由燃煤的蒸汽机还是由水力驱动）的发明，真正让化石燃料进入个体消费者的生活。内燃机发明之后，化石燃料的第二种主要形式即石油被大量消费。石油比煤炭更容易运输，它蕴含的能量也更集中。1859 年，宾夕法尼亚的泰特斯维尔（Titusville）发现了最早的、储量巨大的油田。一开始，它主要被用作油灯的煤油。不过，20 世纪早期以来，从原油中提炼出来的汽油为内燃机提供了动力。化石燃料的第三种主要形式是天然气。图 10.1 展示了 20 世纪可用能源的巨大增长，以及不同能源的相对比例。在过去 100 年，化石燃料革命提供的丰富能源——相当于一次淘金热的能源——是发展的一种根本驱动力。事实上，能源如此丰富，以至于人类逐渐像免费食品那样对待它。在 20 世纪，我们成了能源瘾君子。
其他各种形式的能源也变得日益重要，因为在 20 世纪晚期，越来越明显的是，完全依赖化石燃料可能是一种缺乏远见的做法。储存在原子核内的能源，不但可以用于战争，也可以用于和平目的，但是我们很难控制这种能源。1954 年，第一座民用核电站在苏联建成运营。到 2000 年，大约有 400 座核反应堆在工作，在法国，它们的发电量几乎占总发电量 80%，在韩国和日本差不多是 40%。如果不是因为几次代价昂贵的、危险的事件，核电很有可能扮演更重要角色。最具破坏性的是 1986 年乌克兰切尔诺贝利核电站一个反应堆的爆炸，2011 年 3 月，由海啸引起的日本福岛核电站事故，再次让世人注意到核反应堆的危险性。至于如何处理核反应堆带来的高辐射、长期存在的副产品，现在也没有明确的解决之道。
与此同时，人类积极研发其他方式来生产能源，包括太阳能和风能，但是，从商业角度而言，这两种能源在价格或产量方面无法与化石燃料相比。此外，许多商业和政治力量已经致力于保护与化石燃料联系在一起的巨大利益。如果能够受到安全的控制和处理，聚变能可以解决许多问题，但是就目前看来，切实可行的聚变能发电似乎依然离我们很遥远。问题在于，我们不知道如何驯服聚变（这种过程也为太阳提供了能量）产生的巨大能量。当前，强大磁场的使用似乎是最有希望的解决方法，但是困难重重。
让创新变得系统化：科学与研究
在 20 世纪，创新的另一个重要动力，就是系统地刺激创新本身。人类历史上首次出现了这样一种现象：创新成为人类社会的一个主要目标，受到政府、商业和教育机构的支持。
17 世纪，最早的现代科学学会成立：1660 年的伦敦皇家学会和 1666 年的巴黎科学院。这两个学会都获得了皇家特许证，这标志着科学的重要性日益得到官方认可。
在英国，为了增进航海知识，格林尼治皇家天文台建立，1714 年，英国政府提供了一笔数额不小的奖金，用于奖励任何能够为远洋航行制造出测量经度的精准计时器的人。这个问题直到 18 世纪 60 年代才得到解决，当时，约翰·哈里森（John Harrison）制造了一种非常准确的时钟。库克船长在他的太平洋航海中，最早使用了这种时钟。由政府资助的科学组织很快也出现在瑞典、普鲁士、俄国和其他地方。这些机构创造了各种网络来分享科学研究，也创办杂志来发表科学成果。科学应当为人类利益服务，是 18 世纪启蒙运动的口头禅。然而，即使在工业革命的第一个世纪，大多数重要的科学和技术突破是热情洋溢的个人的成就，像詹姆斯·瓦特那样，他们有时候受到富有企业家的资助。
19 世纪，科学和技术开始更系统地结合在一起。科学本身经历了重要转变，因为十分明显的是，一些深刻的思想——比如达尔文的自然选择理论（1859 年首次发表）或詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879）在 19 世纪 60 年代对电磁能做出的数学叙述或热力学的发展——表明，过去看似相互独立的科学领域存在根本统一性。同时，政府和大型商业公司逐渐把科学视为创新、财富和力量的一个强有力来源，它们开始更系统地组织科学研究。尤其在德国，科学在大学——比如威廉·冯·洪堡（Wilhelm von Humboldt）于 1810 年创立的柏林大学——获得更重要地位。尤斯图特·冯·李比希（Justus von Liebig，1803—1873）成立了最早的大学化学实验室之一，这种活动不仅激励大学学者进行教学，也激励他们从事创新研究。19 世纪后期，商业公司开始建立它们自己的实验室。1874 年，拜耳公司（Bayer company）建立了德国最早的商业研究实验室之一，两年之后，托马斯·爱迪生（Thomas Edison，1847—1931）在新泽西的门洛帕克（Menlo Park）建立了他自己的研究实验室。
到 20 世纪，出色的科学和技术是军事、经济和政治力量的重要组成部分，这一点已经变得十分明显。政府为了改善武器和炸药而支持研究；美国政府的曼哈顿计划是当时为止规模最大的、由政府组织的研究项目。在其鼎盛时期，该计划雇用了 4 万多名人员在大约 40 个不同机构从事研发原子武器的工作。苏联政府也迫不及待地资助了相似规模的研究。尤其在资本主义世界更商业化的环境中，主要的政府方案——尽管军事目的是最重要的动因——通常会促进民用技术的显著发展。雷达、电脑芯片、计算机、卫星技术以及电子革命的其他许多要素，都是一开始受到政府军事需求推动的研究带来的产物。
今天，科学是所有工业化社会的一种主要活动。依据一项估计，在所有科学家中，生活在现代的人数占 80% 到 90%。在 21 世纪早期，欧洲核子研究组织（the CERN）的大型强子对撞机（在第 1 章讨论过），就是日益主导研究领域的大规模合作研究的典范。参加超环面仪器（Atlas）——欧洲核子研究组织的大型粒子探测器之一——的科学家超过 1900 人，他们来自 35 个不同国家的 164 个不同研究机构。或许，最引人注目的在于，欧洲核子研究组织以纯粹科学研究为宗旨。