JORGE RODRIGUES SIMAO

ADVOCACI NASCUNT, UR JUDICES SIUNT

Quo vadis ciência - Portuguese and English Version

Afogando

 In God we trust. All others bring data.

Barry Beracha

 

Toda a época tem as suas reivindicações singulares, mas embora as experiências das três últimas gerações, ou seja, as décadas desde o fim da II Guerra Mundial não tenham sido tão substancialmente transformadoras como as das três gerações anteriores ao início da I Guerra Mundial, não faltaram acontecimentos e avanços sem precedentes. Igualmente impressionantemente, é que mais pessoas desfrutam agora de um nível de vida mais elevado, e fazem-no durante mais anos e com melhor saúde, do que em qualquer outro momento da história. No entanto, estes beneficiários são ainda uma minoria (apenas cerca de um quinto) da população mundial, cujo cômputo total se aproxima dos oito mil milhões de pessoas. A segunda conquista a admirar é a expansão sem precedentes da nossa compreensão tanto do mundo físico como de todas as formas de vida.

 

O nosso conhecimento estende-se de grandes generalizações sobre sistemas complexos à escala universal (galáxias, estrelas) e planetária (atmosfera, hidrosfera, biosfera) a processos ao nível de átomos e genes - linhas gravadas na superfície do microprocessador mais poderoso têm apenas cerca do dobro do diâmetro do ADN humano. Traduzimos este entendimento num conjunto ainda em expansão de máquinas, dispositivos, procedimentos, protocolos e intervenções que sustentam a civilização moderna, e a enormidade do nosso conhecimento agregado e as formas como o temos implantado no nosso serviço está muito para além da compreensão de qualquer mente. Poderíamos encontrar verdadeiros homens da Renascença na Piazza Signoria de Florença em 1500, mas não por muito tempo depois dessa data.

Em meados do século XVIII, dois sábios franceses, Denis Diderot e Jean le Rond d'Alembert, ainda podiam reunir um grupo de contribuintes conhecedores para resumir a compreensão da época em entradas bastante exaustivas na sua Enciclopédia multi-volumes, ou Dicionário “raisonné des sciences, des arts et des métiers”. Algumas gerações mais tarde, a extensão e a especialização dos nossos conhecimentos avançaram por ordens de magnitude, com descobertas fundamentais que vão desde a indução magnética (Michael Faraday em 1831, a base da geração de electricidade) ao metabolismo das plantas (Justus von Liebig, 1840, a base da fertilização das culturas) até à teorização sobre o electromagnetismo (James Clerk Maxwell, 1861, a base de todas as comunicações sem fios).

Em 1872, um século após o aparecimento do último volume da “Encyclopédie”, qualquer colecção de conhecimentos teve de recorrer ao tratamento superficial de uma gama de tópicos em rápida expansão, e, um século e meio depois, é impossível resumir a nossa compreensão mesmo dentro de especialidades estritamente circunscritas e termos como "física" ou "biologia" são rótulos bastante sem sentido, e os especialistas em física de partículas teriam muita dificuldade em compreender até mesmo a primeira página de um novo trabalho de investigação em imunologia viral. Obviamente, esta atomização do conhecimento não tornou mais fácil qualquer tomada de decisão pública. Ramos altamente especializados da ciência moderna tornaram-se tão arcanos que muitas pessoas neles empregados são forçadas a treinar até ao início ou meados dos anos trinta para se juntarem ao novo sacerdócio. Podem partilhar longas aprendizagens, mas demasiadas vezes não conseguem chegar a acordo sobre o melhor curso da acção. A pandemia da SRA-CoV-2 tornou claro que as discordâncias entre peritos podem estender-se mesmo a decisões aparentemente tão simples como o uso de uma máscara facial.

No final de Março de 2020 (três meses após a pandemia), a Organização Mundial de Saúde ainda desaconselhava que o fizessem, a menos que uma pessoa estivesse infectada, e a inversão ocorreu apenas no início de Junho de 2020. Como podem aqueles sem qualquer conhecimento especial tomar partido ou fazer qualquer juízo destas disputas que agora muitas vezes terminam em retracções ou no desmantelamento de reivindicações anteriormente dominantes? Ainda assim, tais incertezas e disputas contínuas não desculpam até que ponto a maioria das pessoas compreende mal o funcionamento fundamental do mundo moderno. Afinal, apreciar a forma como o trigo é cultivado ou o aço é feito ou perceber que a globalização não é nova nem inevitável não são o mesmo que pedir que alguém compreenda a femtoquímica (o estudo das reacções químicas em escalas temporais de 10-15 segundos, Ahmed Zewail, Prémio Nobel em 1999) ou as reacções em cadeia da polimerase (a rápida cópia do ADN, Kary Mullis, Prémio Nobel em 1993).

Então porque é que a maioria das pessoas nas sociedades modernas tem um conhecimento tão superficial sobre como o mundo funciona realmente? As complexidades do mundo moderno são uma explicação óbvia, pois as pessoas estão constantemente a interagir com as caixas negras do saber, cujos resultados relativamente simples requerem pouca ou nenhuma compreensão do que está a acontecer dentro da caixa. Isto é tão verdadeiro para dispositivos tão omnipresentes como telemóveis e computadores portáteis (escrever uma simples pergunta faz a magia) como para procedimentos em massa como a vacinação (certamente o melhor exemplo planetário de 2021, sendo, tipicamente, o enrolar de uma multidão a única parte compreensível). Mas as explicações para este défice de compreensão vão além do facto de que a varredura do nosso conhecimento encoraja a especialização, cujo anverso é um entendimento cada vez mais superficial  até mesmo ignorante do básico. A urbanização e a mecanização têm sido duas razões importantes para este défice de compreensão.

Desde 2007, mais de metade da humanidade viveu em cidades (mais de 80 por cento em todos os países ricos), e ao contrário das cidades industrializadas do século XIX e início do século XX, os empregos nas áreas urbanas modernas estão em grande parte nos serviços. A maioria das cidades modernas estão assim desligadas não só da forma como produzimos os nossos alimentos, mas também da forma como se constroem máquinas e dispositivos, e a crescente mecanização de toda a actividade produtiva significa que apenas uma parte muito pequena da população global se envolve na entrega da força da civilização e dos materiais que compõem o nosso mundo moderno. A América tem apenas cerca de três milhões de homens e mulheres (proprietários agrícolas e mão-de-obra contratada) directamente envolvidos na produção de alimentos; pessoas que efectivamente lavram os campos, plantam as sementes, aplicam fertilizantes, erradicam as ervas daninhas, apanham as colheitas (colher frutas e vegetais é a parte mais trabalhosa do processo), e cuidam dos animais, o que representa menos de 1 por cento da população dos Estados Unidos, e por isso não é de admirar que a maioria dos americanos não tenha ideia, ou apenas alguma noção vaga, de como o seu pão ou pedaços da carne que comem foram feitos. Fazem a colheita de trigo mas será que também colhem soja ou lentilhas? Quanto tempo demora um leitão a tornar-se numa costeleta de porco; semanas ou anos? A grande maioria dos americanos simplesmente não sabe.

A China é o maior produtor mundial de fundição de aço e laminagem de quase mil milhões de toneladas por ano, mas tudo é feito por menos de 0,25 por cento dos 1,4 mil milhões de chineses. Apenas uma ínfima percentagem da população chinesa estará perto de um alto-forno, ou verá o moinho de fundição contínua com as suas fitas vermelhas de aço quente em movimento. E esta desconexão existe em todo o mundo. A outra razão principal para a compreensão dos pobres, e em declínio, desses processos fundamentais que fornecem energia (como alimentos ou combustíveis) e materiais duráveis (sejam metais, minerais não metálicos, ou betão) é que passaram a ser vistos como antiquados, se não desactualizados, e distintamente instigantes em comparação com o mundo da informação, dados e imagens. As melhores mentes proverbiais não vão à ciência do solo e não tentam fazer melhor cimento; em vez disso, são atraídas para lidar com informação desencarnada, agora apenas fluxos de electrões em miríades de microdispositivos.

Desde advogados e economistas a escritores e gestores de dinheiro, as suas recompensas desproporcionalmente elevadas são pelo trabalho completamente afastado das realidades materiais da vida na Terra. Além disso, muitos destes adoradores de dados passaram a acreditar que estes fluxos electrónicos tornarão desnecessárias essas antigas necessidades materiais. Os campos serão deslocados pela agricultura urbana de arranha-céus, e os produtos sintéticos acabarão por eliminar a necessidade de cultivar qualquer tipo de alimento. A desmaterialização, alimentada pela inteligência artificial, acabará com a nossa dependência de massas moldadas de metais e minerais processados, e eventualmente poderemos mesmo passar sem o ambiente da Terra. Quem precisa disso se vamos “terraformar” Marte?

É claro que tudo não são apenas previsões grosseiramente prematuras, são fantasias fomentadas por uma sociedade onde notícias falsas se tornaram comuns e onde a realidade e a ficção se misturaram a tal ponto que as mentes ingénuas, susceptíveis a visões de culto, acreditam no que os observadores mais entusiastas no passado teriam impiedosamente percebido como limite ou franca ilusão. Nenhuma das pessoas se deslocará para Marte; todos nós continuaremos a comer cereais básicos cultivados no solo em grandes extensões de terra agrícola, em vez de nos arranha-céus imaginados pelos proponentes da chamada agricultura urbana; nenhum de nós viverá num mundo desmaterializado que não tem qualquer utilidade para serviços naturais tão insubstituíveis como a evaporação de água ou a polinização de plantas. Mas a satisfação destas necessidades existenciais será uma tarefa cada vez mais difícil, porque uma grande parte da humanidade vive em condições que a minoria rica deixou para trás há gerações, e porque a crescente procura de energia e materiais tem vindo a acentuar tanto e tão rapidamente a biosfera que temos vindo a imperializar a sua capacidade de manter os seus fluxos e armazéns dentro dos limites compatíveis com o seu funcionamento a longo prazo. Para dar apenas uma comparação chave, em 2020 a oferta média anual de energia per capita de cerca de 40 por cento da população mundial (3,1 mil milhões de pessoas, o que inclui quase todas as pessoas na África subsaariana) não era superior à taxa alcançada tanto na Alemanha como em França em 1860.

Para se aproximarem do limiar de um nível de vida digno, essas 3,1 mil milhões de pessoas precisarão de pelo menos duplicar - mas de preferência triplicar - a sua utilização de energia per capita, e ao fazê-lo multiplicar o seu fornecimento de electricidade, aumentar a sua produção de alimentos, e construir infraestruturas urbanas, industriais e de transporte essenciais. Inevitavelmente, estas exigências sujeitarão a biosfera a uma maior degradação. E como vamos lidar com o desenvolvimento das alterações climáticas? Existe agora um consenso generalizado de que precisamos de fazer algo para evitar muitas consequências altamente indesejáveis, mas que tipo de acção, que espécie de transformação comportamental funcionaria melhor? Para aqueles que ignoram os imperativos energéticos e materiais do nosso mundo, aqueles que preferem mantras de soluções ecológicas a compreender como chegámos a este ponto, a receita é fácil, pois basta descarbonizar ou seja, passar da queima de carbono fóssil para a conversão de fluxos inesgotáveis de energias renováveis.

A verdadeira chave na acção é de somos uma civilização alimentada por fósseis cujos avanços técnicos e científicos, qualidade de vida e prosperidade assentam na combustão de enormes quantidades de carbono fóssil, e não podemos simplesmente afastar-nos deste determinante crítico das nossas fortunas em poucas décadas, não importando os anos. A descarbonização completa da economia global até 2050 é agora concebível apenas à custa de um impensável recuo económico global, ou como resultado de transformações extraordinariamente rápidas que dependem de avanços técnicos quase absurdos. Mas quem vai, voluntariamente, engendrar a primeira, enquanto ainda nos falta qualquer estratégia e meios técnicos globais convincentes, práticos e acessíveis para prosseguir a segunda? O que irá realmente acontecer? O fosso entre o pensamento desejoso e a realidade é vasto, mas numa sociedade democrática nenhuma contestação de ideias e propostas pode prosseguir de forma racional sem que todas as partes partilhem pelo menos um mínimo de informação relevante sobre o mundo real, em vez de trotear os seus preconceitos e avançar com reivindicações desvinculadas das possibilidades físicas. É importante a tentativa de reduzir o défice de compreensão, para explicar algumas das realidades governantes mais fundamentais que regem a nossa sobrevivência e a nossa prosperidade. O objectivo não é prever, nem delinear cenários deslumbrantes ou deprimentes do que está para vir.

Não há necessidade de alargar este género popular mas consistentemente falhado a longo prazo, pois existem demasiados desenvolvimentos inesperados e demasiadas interacções complexas que nenhum esforço individual ou colectivo pode antecipar. Também não se defendem quaisquer interpretações específicas (tendenciosas) da realidade, quer como fonte de desespero, quer de expectativas sem limites. Não se deve ser nem pessimista nem optimista; mas apenas adepto da ciência para tentar explicar como o mundo realmente funciona, usando essa compreensão para fazer entender melhor os nossos limites e oportunidades futuras. Inevitavelmente, este tipo de inquérito deve ser selectivo, mas cada um dos sete tópicos-chave escolhidos para um exame mais atento passa a chamada de necessidade existencial pois não há escolhas frívolas no alinhamento. O primeiro tópico deve mostrar como as nossas sociedades de alta energia têm vindo a aumentar constantemente a sua dependência dos combustíveis fósseis em geral e da electricidade, a forma mais flexível de energia, em particular. A apreciação destas realidades serve como uma correcção muito necessária para as reivindicações agora comuns (baseadas num fraco entendimento de realidades complexas) de que podemos descarbonizar o fornecimento global de energia à pressa, e que serão necessárias apenas duas ou três décadas até que dependamos unicamente de conversões de energia renovável.

Enquanto estamos a converter quotas crescentes de produção de electricidade em novas energias renováveis (solar e eólica, em oposição à hidroelectricidade há muito estabelecida) e a colocar mais carros eléctricos nas estradas, descarbonizar camiões, aviões e navios será um desafio muito maior, tal como a produção de materiais-chave sem depender de combustíveis fósseis. O segundo tópico é sobre a necessidade mais básica de sobrevivência ou seja, produzir os nossos alimentos. A sua abordagem está em explicar quanto do que dependemos para sobreviver, do trigo ao tomate e ao camarão, tem uma coisa em comum que requer entradas substanciais, directas e indirectas, de combustíveis fósseis.

A consciência desta dependência fundamental dos combustíveis fósseis leva a uma compreensão realista da nossa necessidade contínua de carbono fóssil, pois é relativamente fácil gerar electricidade através de turbinas eólicas ou células solares em vez de queimar carvão ou gás natural, mas seria muito mais difícil fazer funcionar toda a maquinaria de campo sem combustíveis fósseis líquidos e produzir todos os fertilizantes e outros agroquímicos sem gás natural e petróleo. Em suma, durante décadas será impossível alimentar adequadamente o planeta sem utilizar combustíveis fósseis como fontes de energia e matérias-primas. O terceiro tópico explica como e porquê as nossas sociedades são sustentadas por materiais criados pelo engenho humano, centrando-se naquilo a que devemos chamar os quatro pilares da civilização moderna que são o amoníaco, aço, betão, e plásticos.

A compreensão destas realidades expõe a natureza enganadora das afirmações recentemente na moda sobre a desmaterialização das economias modernas dominadas por serviços e dispositivos electrónicos miniaturizados. O declínio relativo das necessidades de material por unidade de muitos produtos acabados tem sido uma das tendências definidoras dos desenvolvimentos industriais modernos. Mas em termos absolutos, as necessidades de material têm vindo a aumentar mesmo nas sociedades mais abastadas do mundo, e permanecem muito abaixo de quaisquer níveis de saturação concebíveis nos países de baixos rendimentos onde a propriedade de apartamentos bem construídos, aparelhos de cozinha, e ar condicionado (para não falar de automóveis) continua a ser um sonho para milhares de milhões de pessoas. XXX

O quarto episódio é a história da globalização, ou como o mundo se tornou tão interligado por transportes e comunicações. Esta perspectiva histórica mostra quão antigas (ou mesmo antigas) são as origens deste processo, e quão recentes são as suas origens mais elevadas e finalmente verdadeiramente globais-extintas. E um olhar mais atento torna claro que não há nada de inevitável sobre o curso futuro deste fenómeno ambivalente (muito elogiado, muito questionado, e muito criticado). Recentemente, tem havido alguns recuos claros em todo o mundo, e uma tendência geral para o populismo e nacionalismo, mas não é claro até que ponto estes continuarão, ou até que ponto estas mudanças serão modificadas devido a uma combinação de considerações económicas, de segurança, e políticas.

O quinto episódio fornece um quadro realista para julgar os riscos que enfrentamos, pois as sociedades modernas conseguiram eliminar ou reduzir muitos riscos anteriormente mortais ou paralisantes, por exemplo, o parto, mas muitos perigos estarão sempre connosco, e falhamos repetidamente em fazer avaliações de risco adequadas, tanto subestimando como exagerando os perigos que enfrentamos. Sempre se terá uma boa apreciação dos riscos relativos de muitas exposições involuntárias e actividades voluntárias comuns (desde cair em casa até voar entre continentes; desde viver numa cidade propensa a furacões até ao para-quedismo) - e, cortando o disparate da indústria alimentar, veremos um leque de opções do que poderíamos comer para nos ajudar a viver mais tempo.

O sexto episódio deve analisar em primeiro lugar como as mudanças ambientais em curso podem afectar as nossas três necessidades existenciais como o oxigénio, água, e alimentos. O resto dever centrar-se no aquecimento global, a mudança que dominou as recentes preocupações ambientais e que levou ao aparecimento de um novo apocalíptico-catastrofismo, por um lado, e a negação total do processo, por outro. Em vez de recontar e julgar estas alegações contestadas (demasiados livros já o fizeram), é de salientar que, ao contrário das percepções generalizadas, este não é um fenómeno recentemente descoberto pois compreendemos os fundamentos deste processo durante mais de cento e cinquenta anos. Além disso, estamos conscientes do grau real de aquecimento associado à duplicação do CO2 atmosférico há mais de um século, e fomos alertados para a natureza sem precedentes (e irrepetíveis) desta experiência planetária há mais de meio século (medições ininterruptas e precisas do CO2 começaram em 1958). Mas optámos por ignorar estas explicações, avisos e factos registados. Em vez disso, multiplicámos a nossa dependência da combustão de combustíveis fósseis, resultando numa dependência que não será facilmente cortada, ou de forma pouco dispendiosa. A rapidez com que podemos alterar esta situação permanece pouco clara.

Acrescentando a todas as outras preocupações ambientais, e deve-se concluir que a questão existencial chave é que poderá a humanidade realizar as suas aspirações dentro dos limites seguros da nossa biosfera? Não existem respostas fáceis. Mas é imperativo que compreendamos os factos da questão. Só então poderemos enfrentar o problema de forma eficaz. Deve-se olhar para o futuro, especificamente para as recentes propensões opostas para abraçar o catastrofismo (aqueles que dizem que faltam apenas anos até que a cortina final desça sobre a civilização moderna) e o tecno-optimismo (aqueles que prevêem que os poderes da invenção abrirão horizontes ilimitados para além dos limites da Terra, transformando todos os desafios terrestres em histórias inconsequentes).

Previsivelmente, existe pouca utilidade para qualquer destas posições, e a melhor perspectiva  não encontrará nenhum favor em nenhuma destas doutrinas. Não é de prever qualquer ruptura iminente com a história em qualquer direcção; não é de ver qualquer resultado predeterminado, mas sim uma trajectória complicada, dependente da nossa de opções de execução hipotecária.Tudo deve assentar em duas bases que são abundantes descobertas científicas. O primeiro inclui artigos que vão desde as contribuições clássicas como as elucidações pioneiras das conversões de energia e do efeito de estufa do século XIX, até às mais recentes avaliações dos desafios globais e probabilidades de risco.

Em vez de recorrer a uma antiga comparação de raposas e ouriços (uma raposa sabe muitas coisas, mas um ouriço sabe uma alguma coisa), tendo a pensar nos cientistas modernos como os perfuradores de buracos cada vez mais profundos (agora a rota dominante para a fama) ou os scanners de horizontes alargados (agora um grupo muito diminuído). Perfurar o buraco mais profundo possível e ser um mestre insuperável de uma pequena lasca do fundo do céu visível não atrai grandemente. Sempre é preferível sondar tão longe e largo quanto as limitadas capacidades de cada um permitam. A principal área de interesse no tempo que vivemos devem ser os estudos energéticos, porque um domínio satisfatório desse vasto campo exige que se combine a compreensão da física, química, biologia, geologia e engenharia com uma atenção à história e a factores sociais, económicos e políticos.

Jorge Rodrigues Simão, 18.11.2022

 

Quo vadis science

 

In God we trust. All others bring data.

Barry Beracha

 

Every age has its unique claims, but while the experiences of the last three generations, or the decades since the end of World War II, have not been as substantially transformative as those of the three generations before the outbreak of World War I, there has been no shortage of unprecedented developments and advances. Equally impressively, is that more people now enjoy a higher standard of living, and do so for more years and in better health, than at any other time in history. Yet these beneficiaries are still a minority (only about one-fifth) of the world population, whose total number is close to eight billion people. The second achievement to be admired is the unprecedented expansion of our understanding of both the physical world and all forms of life.

Our knowledge extends from grand generalizations about complex systems at the universal (galaxies, stars) and planetary scale (atmosphere, hydrosphere, and biosphere) to processes at the level of atoms and genes - lines etched on the surface of the most powerful microprocessor are only about twice the diameter of human DNA. We have translated this understanding into a still expanding set of machines, devices, procedures, protocols and interventions that underpin modern civilization, and the enormity of our aggregate knowledge and the ways in which we have deployed it in our service is far beyond the comprehension of any mind. We could find real Renaissance men in Florence's Piazza Signoria in 1500, but not for long after that date.

In the mid-18th century, two French sages, Denis Diderot and Jean le Rond d'Alembert, could still assemble a group of knowledgeable contributors to summarize the understanding of the age in fairly exhaustive entries in their multi-volume Encyclopedia, or Dictionary "raisonné des sciences, des arts et des métiers." A few generations later, the extent and specialization of our knowledge advanced by orders of magnitude, with fundamental discoveries ranging from magnetic induction (Michael Faraday in 1831, the basis of electricity generation) to plant metabolism (Justus von Liebig, 1840, the basis of crop fertilization) to theorizing about electromagnetism (James Clerk Maxwell, 1861, the basis of all wireless communications).

By 1872, a century after the last volume of the "Encyclopédie" appeared, any collection of knowledge had to resort to superficial treatment of a rapidly expanding range of topics, and a century and a half later, it is impossible to summarize our understanding even within strictly circumscribed specialties, and terms like "physics" or "biology" are rather meaningless labels, and specialists in particle physics would have great difficulty understanding even the first page of a new research paper on viral immunology. Obviously, this atomization of knowledge has not made any public decision making any easier. Highly specialized branches of modern science have become so arcane that many people employed in them are forced to train until their early or mid-thirties to join the new priesthood. They may share long apprenticeships, but too often they cannot agree on the best course of action. The SARS-CoV-2 pandemic has made it clear that disagreements among experts can extend even to decisions as seemingly simple as the use of a face mask.

In late March 2020 (three months after the pandemic), the World Health Organization still advised against doing so unless a person was infected, and the reversal occurred only in early June 2020. How can those without any special knowledge take sides or make any judgment in these disputes that now often end in retractions or the dismantling of previously dominant claims? Still, such uncertainties and ongoing disputes do not excuse the extent to which most people misunderstand the fundamental workings of the modern world. After all, appreciating how wheat is grown or steel is made or realizing that globalization is neither new nor inevitable are not the same as asking someone to understand femtochemistry (the study of chemical reactions on time scales of 10-15 seconds, Ahmed Zewail, Nobel Prize in 1999) or polymerase chain reactions (the rapid copying of DNA, Kary Mullis, Nobel Prize in 1993).

So why do most people in modern societies have such a superficial understanding of how the world really works? The complexities of the modern world are an obvious explanation, as people are constantly interacting with black boxes of knowledge, whose relatively simple results require little or no understanding of what is happening inside the box. This is as true for such ubiquitous devices as cell phones and laptops (typing a simple question does the magic) as it is for mass procedures like vaccination (surely the best planetary example of 2021, with the rolling of a crowd typically being the only comprehensible part). But the explanations for this comprehension deficit go beyond the fact that the sweep of our knowledge encourages specialization, the obverse of which is an increasingly shallow even ignorant understanding of the basics. Urbanization and mechanization have been two major reasons for this comprehension deficit.

As of 2007, more than half of humanity has lived in cities (more than 80 percent in all rich countries), and unlike the industrialized cities of the 19th and early 20th centuries, jobs in modern urban areas are largely in services. Most modern cities are thus disconnected not only from how we produce our food, but also from how machines and devices are built, and the increasing mechanization of all productive activity means that only a very small portion of the global population is involved in delivering the force of civilization and materials that make up our modern world. America has only about three million men and women (farm owners and hired labor) directly involved in food production; people who actually plow the fields, plant the seeds, apply fertilizer, eradicate the weeds, pick the crops (harvesting fruits and vegetables is the most labor-intensive part of the process), and tend the animals, which is less than 1 percent of the population of the United States, and so it is no wonder that most Americans have no idea, or only some vague notion, of how their bread or pieces of the meat they eat were made. They harvest wheat, but do they also harvest soybeans or lentils? How long does it take a piglet to become a pork chop; weeks or years? The vast majority of Americans simply don't know.

China is the world's largest producer of steel casting and rolling nearly a billion tons a year, but it is all done by less than 0.25 percent of China's 1.4 billion people. Only a tiny percentage of the Chinese population will be near a blast furnace, or see the continuous casting mill with its red ribbons of hot steel in motion. And this disconnect exists all over the world. The other main reason for the poor, and declining, understanding of these fundamental processes that provide energy (such as food or fuel) and durable materials (whether metals, non-metallic minerals, or concrete) is that they have come to be seen as antiquated, if not outdated, and distinctly unexciting compared to the world of information, data, and images. The best proverbial minds don't go into soil science and don't try to make better concrete; instead, they are drawn to dealing with disembodied information, now just streams of electrons in myriad micro devices.

From lawyers and economists to writers and money managers, their disproportionately high rewards are for work completely removed from the material realities of life on Earth. Moreover, many of these data worshippers have come to believe that these electronic flows will make those old material needs unnecessary. Fields will be displaced by high-rise urban farming, and synthetic products will eventually eliminate the need to grow any kind of food. Dematerialization, fueled by artificial intelligence, will end our dependence on molded masses of processed metals and minerals, and eventually we may even do without Earth's environment. Who needs that if we are going to "terraform" Mars?

Of course, all of these are not just grossly premature predictions, they are fantasies fostered by a society where fake news has become commonplace and where reality and fiction have blended to such an extent that naive minds, susceptible to cult visions, believe what the most enthusiastic observers in the past would have ruthlessly perceived as borderline or frankly delusional. None of the people will move to Mars; all of us will continue to eat basic grains grown in the ground on large tracts of farmland, rather than in the skyscrapers imagined by proponents of so-called urban agriculture; none of us will live in a dematerialized world that has no use for such irreplaceable natural services as water evaporation or plant pollination. But meeting these existential needs will be an increasingly difficult task, because a large part of humanity lives in conditions that the wealthy minority left behind generations ago, and because the growing demand for energy and materials has so stressed and so rapidly stressed the biosphere that we have imperiled its ability to maintain its flows and stores within the limits compatible with its long-term functioning. To give just one key comparison, in 2020 the average annual per capita energy supply of about 40 percent of the world's population (3.1 billion people, which includes almost all people in sub-Saharan Africa) was no higher than the rate achieved in both Germany and France in 1860.

To approach the threshold of a decent standard of living, these 3.1 billion people will need to at least double - but preferably triple - their per capita energy use, and in so doing multiply their electricity supply, increase their food production, and build essential urban, industrial, and transportation infrastructure. Inevitably, these demands will subject the biosphere to further degradation. And how will we deal with the development of climate change? There is now widespread agreement that we need to do something to avoid many highly undesirable consequences, but what kind of action, what kind of behavioral transformation would work best? For those who ignore the energy and material imperatives of our world, those who prefer mantras of green solutions to understanding how we got to this point, the recipe is easy, as all we need to do is decarbonize i.e. move from burning fossil carbon to converting inexhaustible streams of renewable energy.

The real key in the action is that we are a fossil-fueled civilization who’s technical and scientific advances, quality of life, and prosperity are based on the combustion of huge amounts of fossil carbon, and we cannot simply move away from this critical determinant of our fortunes in a few decades, never mind years. Complete decarbonization of the global economy by 2050 is now conceivable only at the cost of an unthinkable global economic rollback, or as a result of extraordinarily rapid transformations that depend on almost absurd technical advances. But who will willingly engineer the former, while we still lack any convincing, practical, and affordable global technical strategy and means to pursue the latter? What will actually happen? The gap between wishful thinking and reality is vast, but in a democratic society no contestation of ideas and proposals can proceed rationally without all parties sharing at least a minimum of relevant information about the real world, rather than trotting out their prejudices and advancing claims disconnected from physical possibilities. The attempt to reduce the deficit of understanding, to explain some of the most fundamental governing realities that govern our survival and prosperity, is important. The goal is not to predict, nor to outline dazzling or depressing scenarios of what is to come.

There is no need to extend this popular but consistently failed genre in the long run, because there are too many unexpected developments and too many complex interactions that no individual or collective effort can anticipate. Nor are any specific (biased) interpretations of reality advocated, either as a source of despair or of boundless expectations. One should be neither pessimistic nor optimistic; but only adept at using science to try to explain how the world really works, using that understanding to make better sense of our limits and future opportunities. Inevitably, this kind of inquiry must be selective, but each of the seven key topics chosen for closer examination passes the call of existential necessity because there are no frivolous choices in the lineup. The first topic should show how our high-energy societies have steadily increased their dependence on fossil fuels in general and electricity, the most flexible form of energy, in particular. An appreciation of these realities serves as a much-needed corrective to the now-common claims (based on a poor understanding of complex realities) that we can decarbonize the global energy supply in a hurry, and that it will only take two or three decades before we rely solely on renewable energy conversions.

While we are converting increasing shares of electricity production to new renewables (solar and wind, as opposed to long-established hydroelectricity) and putting more electric cars on the road, decarbonizing trucks, planes and ships will be a much bigger challenge, as will producing key materials without relying on fossil fuels. The second topic is about the most basic need for survival i.e. producing our food. His approach is in explaining how much of what we depend on to survive, from wheat to tomatoes to shrimp, has one thing in common that requires substantial inputs, direct and indirect, from fossil fuels.

Awareness of this fundamental dependence on fossil fuels leads to a realistic understanding of our continuing need for fossil carbon because it is relatively easy to generate electricity through wind turbines or solar cells instead of burning coal or natural gas, but it would be much more difficult to run all field machinery without liquid fossil fuels and to produce all fertilizers and other agrochemicals without natural gas and oil. In short, for decades it will be impossible to adequately feed the planet without using fossil fuels as sources of energy and raw materials. The third topic explains how and why our societies are sustained by materials created by human ingenuity, focusing on what we should call the four pillars of modern civilization which are ammonia, steel, concrete, and plastics.

Understanding these realities exposes the misleading nature of recently fashionable claims about the dematerialization of modern economies dominated by miniaturized electronic services and devices. The relative decline in material requirements per unit of many finished products has been one of the defining trends of modern industrial developments. But in absolute terms, material requirements have been rising even in the world's wealthiest societies, and remain far below any conceivable saturation levels in low-income countries where ownership of well-built apartments, kitchen appliances, and air conditioning (not to mention automobiles) remains a dream for billions of people.

The fourth episode is the story of globalization, or how the world became so interconnected by transportation and communications. This historical perspective shows how ancient (or even ancient) are the origins of this process, and how recent are its higher and finally truly global-extinct origins. And a closer look makes it clear that there is nothing inevitable about the future course of this ambivalent (much praised, much questioned, and much criticized) phenomenon. There have been some clear retreats around the world recently, and a general trend toward populism and nationalism, but it is unclear to what extent these will continue, or to what extent these changes will be modified due to a combination of economic, security, and political considerations.

The fifth episode provides a realistic framework for judging the risks we face, for modern societies have managed to eliminate or reduce many previously deadly or crippling risks, for example childbirth, but many dangers will always be with us, and we have repeatedly failed to make proper risk assessments, both underestimating and exaggerating the dangers we face. One will always get a good appreciation of the relative risks of many common unintentional exposures and voluntary activities (from falling at home to flying between continents; from living in a hurricane-prone city to skydiving) - and, cutting through the food industry nonsense, we'll see a range of options of what we could eat to help us live longer.

The sixth episode should look first at how the ongoing environmental changes may affect our three existential needs such as oxygen, water, and food. The rest should focus on global warming, the change that has dominated recent environmental concerns and led to the emergence of a new apocalyptic-catastrophism on the one hand and outright denial of the process on the other. Rather than recount and judge these contested claims (too many books have already done so), it is worth pointing out that, contrary to widespread perceptions, this is not a newly discovered phenomenon as we have understood the fundamentals of this process for over one hundred and fifty years. Moreover, we have been aware of the actual degree of warming associated with the doubling of atmospheric CO2 for over a century, and we were alerted to the unprecedented (and unrepeatable) nature of this planetary experiment over half a century ago (uninterrupted and accurate CO2 measurements began in 1958). But we have chosen to ignore these explanations, warnings, and recorded facts. Instead, we have multiplied our dependence on fossil fuel combustion, resulting in a dependence that will not be easily, or inexpensively, cut. How quickly we can change this situation remains unclear.

Add to all the other environmental concerns, and one must conclude that the key existential question is that can humanity realize its aspirations within the safe limits of our biosphere? There are no easy answers. But it is imperative that we understand the facts of the matter. Only then can we tackle the problem effectively. One must look to the future, specifically to the recent opposing propensities to embrace catastrophism (those who say it is only years before the final curtain comes down on modern civilization) and techno-optimism (those who predict that the powers of invention will open limitless horizons beyond Earth's limits, turning all earthly challenges into inconsequential stories).

Predictably, there is little use for any of these positions, and the best perspective will find no favor in any of these doctrines. No imminent break with history in any direction is to be anticipated; no predetermined outcome is to be seen, but rather a complicated trajectory dependent on our of foreclosure options. Everything must rest on two bases that are abundant scientific findings. The first includes articles ranging from classical contributions such as the pioneering elucidations of energy conversions and the greenhouse effect in the 19th century, to the most recent assessments of global challenges and risk probabilities.

Rather than resort to an old comparison of foxes and hedgehogs (a fox knows a lot of things, but a hedgehog knows a something), I tend to think of modern scientists as the drillers of ever-deeper holes (now the dominant route to fame) or the scanners of extended horizons (now a much diminished group). Drilling the deepest hole possible and being an unsurpassed master of a small sliver of the visible sky bottom does not appeal greatly. It is always preferable to probe as far and wide as one's limited abilities allow. The main area of interest in our time must be energy studies, because a satisfactory mastery of this vast field requires combining an understanding of physics, chemistry, biology, geology and engineering with an attention to history and social, economic and political factors.

 

Jorge Rodrigues Simão, 18.11.2022

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