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.
בסביבות 1159 לספירה, מתמטיקאי בשם בהסקרה המלומד שרטט עיצוב לגלגל שמכיל מאגרים מעוקלים של כספית. הוא חשב שכשהגלגל יסתובב, הכספית תזרום לתחתית כל מאגר, וכך, צד אחד של הגלגל יהיה תמיד כבד יותר מהשני. חוסר האיזון הזה יסובב את הגלגל לעד. השרטוט של בהסקרה היה אחד התכנונים הראשונים למכונת תנועה מתמדת, מכשיר שיכול לעבוד לעד ללא מקור כוח חיצוני. דמיינו תחנת רוח שמייצרת את הרוח שהיא צריכה כדי להסתובב. או נורה שהקרינה שלה מספקת את החשמל לעצמה. המכשירים האלה לכדו את דמיונם של ממציאים רבים, כי הם יכלו לשנות את יחסינו עם אנרגיה. לדוגמה, אם תוכלו לבנות מכונת תנועה מתמדת שכוללת אנשים כחלק מהמערכת המושלמת שלה, היא תוכל לשמור על החיים לעד. יש רק בעיה אחת. הן לא עובדות. רעיונות למכונות תנועה מתמדת מפרות חוק בסיסי אחד או יותר של התרמודינמיקה, הענף בפיזיקה שמתאר את היחסים בין צורות שונות של אנרגיה. החוק הראשון של התרמודינמיקה אומר שאנרגיה לא יכולה להיווצר או להיכחד. אי אפשר לקבל יותר אנרגיה ממה שמכניסים. זה מיד מבטל מכונת תנועה מתמדת שימושית, כי מכונה תוכל לייצר אנרגיה רק בכמות שהיא צורכת. לא ישאר כוח עודף כדי להפעיל מכונית או לטעון טלפון. אבל אם רק תרצו שהמכונה תמשיך לנוע בעצמה? ממציאים הציעו רעיונות רבים. כמה מהם היו וריאציות של הגלגל הלא מאוזן של בהסקרה עם כדורים מתגלגלים או משקולות על זרועות מתנדנדות. אף אחד מהם לא עובד. החלקים הנעים שגורמים לצד אחד של הגלגל להיות כבד יותר גם מסיטים את מרכז הכובד מטה אל מתחת לציר. עם מרכז כובד נמוך, הגלגל רק מתנדנד קדימה ואחורה כמו מטוטלת, ואז עוצר. מה עם גישות אחרות? במאה ה-17, רוברט בויל העלה רעיון לעציץ שמשקה את עצמו. הוא שיער שפעולה נימית, המשיכה בין נוזלים ומשטחים שמושכת מים דרך צינורות דקיקים, אולי תגרום למים למחזוריות סביב העציץ. אבל אם הפעולה הנימית חזקה דיה כדי להתגבר על כוח הכבידה ולמשוך את המים למעלה, היא גם תמנע מהם ליפול חזרה לעציץ. ויש גם גרסאות עם מגנטים, כמו מערכת הרמפות הזה. הכדור הזה אמור להימשך למעלה על ידי המגנט למעלה, ליפול חזרה למטה דרך החור, ולחזור על המחזור. זה נכשל כי כמו העציץ שמשקה את עצמו, המגנט פשוט יחזיק את הכדור למעלה. אפילו אם זה איך שהוא ימשיך לנוע, כוח המגנט יפחת עם הזמן ולבסוף יפסיק לעבוד. כדי שהמכונות האלו ימשיכו לנוע הן יצטרכו לייצר אנרגיה עודפת כדי להניע את המערכת מעבר לנקודת העצירה שלה, וזה שובר את החוק הראשון של התרמודינמיקה. יש כאלו שנראות כאילו הן ממשיכות לנוע, אבל במציאות, מסתבר בסוף שהן מושכות אנרגיה ממקור כוח חיצוני. אפילו אם מהנדסים יוכלו איך שהוא לתכנן מכונה שלא תפר את החוק הראשון של התרמודינמיקה, זה עדיין לא יעבוד בעולם האמיתי, בגלל החוק השני. החוק השני של התרמודינמיקה אומר לנו שאנרגיה נוטה להתפזר דרך תהליכים כמו חיכוך. לכל מכונה אמיתית יהיו חלקים נעים, או פעולות על מולקולות אויר או נוזל, שייצרו כמויות קטנות של חיכוך וחום, אפילו בוואקום. החום הזה הוא אנרגיה בורחת, והיא תמשיך לזלוג החוצה, מה שיפחית את האנרגיה הזמינה להנעת המערכת, עד שלבסוף המכונה תעצור. עד עכשיו, שני החוקים האלו של התרמודינמיקה הכשילו כל רעיון של תנועה מתמדת, וכל חלום של ייצור אנרגיה ביעילות מושלמת, שנובע מהם. אך עדיין קשה לומר בהחלטיות שלעולם לא נגלה מכונת תנועה מתמדת, כי עדיין יש כל כך הרבה דברים שאיננו מבינים בנוגע ליקום. אולי נגלה צורות חדשות ואקזוטיות של חומר, שיכריחו אותנו לבחון שוב את חוקי התרמודינמיקה. או אולי יש תנועה מתמדת בקנה מידה קוואנטי זעיר. אבל די בטוח שלעולם לא נפסיק לחפש. כרגע, זה הדבר היחיד שנראה באמת בתנועה מתמדת.