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.
1159 körül a tudós matematikus Bhászkara felvázolt egy kereket, íves küllői higannyal töltött tartályok voltak. Úgy gondolta, hogy a kerék forgása közben a higany a tartályok aljára áramlik, így a kerék egyik fele mindig nehezebb lesz a másik oldalánál. Az egyensúlyhiány örökké mozgásban tartja a kereket. Bhászkara készítette a legrégebbi feljegyzett vázlatot az örökmozgó gépről, a külső energiabevitel nélkül vég nélkül energiát szolgáltató berendezésről. Gondoljunk a szélkerékre, melyet a saját szele forgat. Vagy az önmaga által generált árammal működő izzóra. Ezek az eszközök sok kutató érdeklődését keltették fel, mert megváltoztathatják kapcsolatunkat az energiával. Például, ha tudnánk olyan örökmozgót készíteni, tökéletesen hatékony rendszerébe beépített emberrel, akkor a végtelenségig életben maradhatnánk. Csak egy gond van. Nem működik. Az örökmozgók ellentmondanak a termodinamika egy vagy több törvényének, a fizika energiaátalakulásokkal foglalkozó tudományterületén. A termodinamika első törvénye kimondja, hogy energia nem keletkezik, nem tűnik el. Nem nyerhetünk ki több energiát, mint amennyit a rendszerbe betápláltunk. Ez kizárja működő örökmozgó létezését, mert egy gép nem termel több energiát, mint amennyit elhasznál. Nem marad többlet, mely gépet működtessen vagy feltöltsön telefont. Mi lenne, ha a gép csak önmagát tartaná mozgásban? A feltalálóknak több ötletük is volt. Egyesek a Bhászkara-kerék dinamikus egyensúlyának elvét használták, golyókkal vagy karokon mozgó súlyokkal. Egyik sem működik. A mozgó részek, melyektől a kerék egyik fele nehezebb, a tömegközéppontot is a tengely alá mozdítják el. Az alacsonyan lévő súlypont miatt a kerék csak ingaszerűen mozog ide-oda, míg végül megáll. Mi a helyzet más megközelítéssel? A XVII. században Robert Boyle felvetette az önműködő öntöző ötletét. Elmélete szerint a folyadék és az edény fala között ható kapilláris erő felszívja a vizet a kis átmérőjű csövön, és keringeti a vizet az edényben. De ha a kapilláris erő legyőzi a gravitációt, és felemeli a vizet, akkor azt is megakadályozza, hogy visszafolyjon az edénybe. Vannak mágneses változatok, mint ez a rámparendszer. Feltételezzük, hogy a fent található mágnes felvonzza a golyót, amelyik visszaesik a lyukon, és a ciklus ismétlődik. Ez is elbukik, mint az önműködő öntöző: a mágnes egyszerűen nem hagyná a golyót átesni a lyukon. Ha mégis valahogy mozogna, a mágnes idővel veszítene erejéből, és végül a gép megállna. Mindegyik gép a működéséhez többletenergiát kellett előállítson, hogy túllendítse a rendszert a holtponton, ellentmondva a termodinamika első törvényének. Egyesek úgy tűnik, hogy működnek, de valójában ott is kiderül, hogy energiát vesznek fel külső forrásból. Még ha sikerülne is a mérnököknek megtervezniük a termodinamika első törvényének nem ellentmondó gépezetet, a második törvény miatt a valóságban nem működne. A termodinamika második törvénye kimondja, hogy súrlódás miatt energiaveszteség keletkezik. A valóságban minden gépezetnek vannak mozgó részei, ezek kölcsönhatásba lépnek a levegő- vagy a vízmolekulákkal, ez súrlódás és hő miatti kis veszteségekhez vezet, még vákuumban is. A hő energiaveszteség, és ez folyamatos elszivárgáshoz vezet, csökkentve a rendszer mozgásához rendelkezésre álló energiát, míg az elkerülhetetlenül le nem áll. Tehát a termodinamika e két törvénye meghiúsított minden örökmozgóról alkotott elképzelést, és minden tökéletesen hatékony energia-előállítási álmot. Nehéz biztosan kijelenteni, hogy soha nem fogjuk felfedezni az örökmozgót, hiszen olyan sok ismeretlen dolog van még a világegyetemben. Lehet, hogy felfedezzük az anyag új, egzotikus formáját, s majd rákényszerülünk újragondolni a termodinamika törvényeit. Lehet, hogy létezik örökmozgó kis kvantumskálán. Határozottan állíthatjuk, hogy soha nem adjuk fel a kutatását. Most igazából csak a kutatásunk van örök mozgásban.