Around 1159 A.D., a mathematician called Bhaskara the Learned sketched a design for a wheel containing curved reservoirs of mercury. He reasoned that as the wheels spun, the mercury would flow to the bottom of each reservoir, leaving one side of the wheel perpetually heavier than the other. The imbalance would keep the wheel turning forever. Bhaskara's drawing was one of the earliest designs for a perpetual motion machine, a device that can do work indefinitely without any external energy source. Imagine a windmill that produced the breeze it needed to keep rotating. Or a lightbulb whose glow provided its own electricity. These devices have captured many inventors' imaginations because they could transform our relationship with energy. For example, if you could build a perpetual motion machine that included humans as part of its perfectly efficient system, it could sustain life indefinitely. There's just one problem. They don't work. Ideas for perpetual motion machines all violate one or more fundamental laws of thermodynamics, the branch of physics that describes the relationship between different forms of energy. The first law of thermodynamics says that energy can't be created or destroyed. You can't get out more energy than you put in. That rules out a useful perpetual motion machine right away because a machine could only ever produce as much energy as it consumed. There wouldn't be any left over to power a car or charge a phone. But what if you just wanted the machine to keep itself moving? Inventors have proposed plenty of ideas. Several of these have been variations on Bhaskara's over-balanced wheel with rolling balls or weights on swinging arms. None of them work. The moving parts that make one side of the wheel heavier also shift its center of mass downward below the axle. With a low center of mass, the wheel just swings back and forth like a pendulum, then stops. What about a different approach? In the 17th century, Robert Boyle came up with an idea for a self-watering pot. He theorized that capillary action, the attraction between liquids and surfaces that pulls water through thin tubes, might keep the water cycling around the bowl. But if the capillary action is strong enough to overcome gravity and draw the water up, it would also prevent it from falling back into the bowl. Then there are versions with magnets, like this set of ramps. The ball is supposed to be pulled upwards by the magnet at the top, fall back down through the hole, and repeat the cycle. This one fails because like the self-watering pot, the magnet would simply hold the ball at the top. Even if it somehow did keep moving, the magnet's strength would degrade over time and eventually stop working. For each of these machines to keep moving, they'd have to create some extra energy to nudge the system past its stopping point, breaking the first law of thermodynamics. There are ones that seem to keep going, but in reality, they invariably turn out to be drawing energy from some external source. Even if engineers could somehow design a machine that didn't violate the first law of thermodynamics, it still wouldn't work in the real world because of the second law. The second law of thermodynamics tells us that energy tends to spread out through processes like friction. Any real machine would have moving parts or interactions with air or liquid molecules that would generate tiny amounts of friction and heat, even in a vacuum. That heat is energy escaping, and it would keep leeching out, reducing the energy available to move the system itself until the machine inevitably stopped. So far, these two laws of thermodynamics have stymied every idea for perpetual motion and the dreams of perfectly efficient energy generation they imply. Yet it's hard to conclusively say we'll never discover a perpetual motion machine because there's still so much we don't understand about the universe. Perhaps we'll find new exotic forms of matter that'll force us to revisit the laws of thermodynamics. Or maybe there's perpetual motion on tiny quantum scales. What we can be reasonably sure about is that we'll never stop looking. For now, the one thing that seems truly perpetual is our search.
Aux alentours de 1159 ap. J.-C., un mathématicien appelé Bhaskara l'Érudit, esquissa un modèle de roue contenant des réservoirs de mercure incurvés. Il pensait qu'une fois la roue en mouvement, le mercure coulerait au bas de chaque réservoir laissant un côté de la roue perpétuellement plus lourd que l'autre. Ce déséquilibre permettrait à la roue de continuer à tourner pour toujours. L'esquisse de Bhaskara fut un des premiers modèles de machine à mouvement perpétuel, un appareil qui peut fonctionner indéfiniment, sans aucune source d'énergie extérieure. Imaginez un moulin à vent qui créerait la brise dont il a besoin pour continuer à tourner, ou une ampoule dont l'éclat lui fournit sa propre électricité. Ces appareils ont capturé l'imagination de beaucoup d'inventeurs parce qu'ils pourraient transformer notre rapport avec l'énergie. Par exemple, s'il était possible de créer une machine à mouvement perpétuel qui inclurait des hommes dans son système parfaitement efficace, elle pourrait maintenir la vie indéfiniment. Il y a juste un seul problème : elles ne fonctionnent pas. Toutes les idées de machines à mouvement perpétuel violent une ou plusieurs lois fondamentales de la thermodynamique, la branche de la physique décrivant les relations entre différentes formes d'énergie. La première loi de la thermodynamique dit que l'énergie ne peut être créée, ni détruite. L'énergie sortante ne peux pas être supérieure à l'énergie entrante. Cela écarte toute possibilité de machine à mouvement perpétuel profitable, parce qu'une machine peut seulement produire la quantité d'énergie qu'elle consume. Il ne resterait rien pour alimenter une voiture ou recharger un téléphone. Et si vous vouliez juste que la machine continue à se mouvoir par elle-même ? Les inventeurs ont proposé pleins d'idées. Plusieurs sont des variations de la roue en déséquilibre de Bhaskara avec des balles roulantes, ou des poids sur des bras pivotants. Aucune d'elles ne fonctionne. Les parties en mouvement rendant un côté de la roue plus lourd déplacent aussi son centre de gravité vers le bas, sous l'axe. Avec un centre de gravité bas, la roue ne fait que se balancer d'un côté à l'autre, comme un pendule, puis s'arrête. Pourquoi pas une approche différente ? Au 17ème siècle, Robert Boyle eut l'idée d'un pot auto-irriguant. Il émit l'hypothèse que l'action capillaire, - l'attraction entre les liquides et les surfaces qui pousse l'eau à travers de minces tubes - pourrait permettre à l'eau de continuer à circuler en cycle autour du pot. Mais si l'action capillaire était assez forte pour surpasser la gravité et faire remonter l'eau, elle l'empêcherait aussi de tomber de nouveau dans le pot. Il existe aussi des versions avec aimants, comme ce jeu de rampes. La balle est supposée être tirée vers le haut par l'aimant au sommet, retomber à travers le trou, puis répéter le cycle. Celle-ci ne marche pas car, comme le pot auto-irriguant, l'aimant maintiendrait simplement la balle au sommet. Même si elle continuait à se mouvoir malgré tout, la force de l'aimant diminuerait au fil du temps et s'arrêterait finalement de fonctionner. Pour que toutes ces machines continuent à se mouvoir, elles doivent créer de l'énergie supplémentaire pour pousser le système au-delà du point d'arrêt ce qui briserait la première loi de la thermodynamique. Certaines semblent continuer à se mouvoir mais, en réalité, il s'avère qu'elles puisent invariablement de l'énergie d'une source extérieure quelconque. Même si les ingénieurs pouvaient inventer une machine qui ne viole pas la première loi de la thermodynamique, elle ne pourrait toujours pas marcher dans la réalité, à cause de la deuxième loi. La deuxième loi de la thermodynamique nous dit que l'énergie a tendance à s'éparpiller dans des procédés tels que la friction. Toute machine réelle posséderait des parties mobiles ou des interactions avec l'air ou les molécules liquides qui génèreraient des quantités infimes de friction et de chaleur, même dans le vide. Cette chaleur est de l'énergie qui s'échappe, et elle continuerait à s'échapper, réduisant l'énergie disponible pour faire mouvoir le système lui-même jusqu'à ce que la machine s'arrête inévitablement. Jusqu'à présent, ces deux lois de la thermodynamique ont entravé toutes les idées de mouvement perpétuel et les rêves de générer de l'énergie de façon parfaitement efficace qu'elles impliquent. Pourtant, il est difficile de conclure que nous ne découvrirons jamais une machine à mouvement perpétuel, car il y a encore tant de choses que nous ne comprenons pas sur l'univers. Peut-être découvrirons-nous de nouvelles formes exotiques de matière qui nous forcerons à revisiter les lois de la thermodynamique. Ou peut-être existe-t-il un mouvement perpétuel aux infiniment petites échelles quantiques. Ce dont nous pouvons raisonnablement être sûrs, c'est que nous ne nous arrêterons jamais de chercher. Pour le moment, la seule chose qui semble vraiment perpétuelle,