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.
Intorno al 1159 d.C., un matematico chiamato Bhaskara il Maestro disegnò il progetto di una ruota a raggi cavi contenenti mercurio. Spiegò che, al girare della ruota, il mercurio sarebbe fluito sul fondo di ogni raggio, rendendo una parte della ruota più pesante dell’altra in modo perpetuo. Lo squilibrio avrebbe permesso alla ruota di girare per sempre. Il disegno di Bhaskara fu uno dei primi progetti per una macchina a moto perpetuo, un congegno che può funzionare indefinitamente senza alcuna fonte esterna di energia. Immagina un mulino a vento che producesse la brezza che gli serve per ruotare. O una lampadina la cui luce fornisse la propria elettricità. Questi congegni hanno attirato l’attenzione di molti inventori perché potrebbero trasformare il nostro rapporto con l’energia. Se si potesse costruire una macchina a moto perpetuo che includesse l’uomo nel suo sistema perfettamente efficiente, potrebbe sostenere la vita indefinitamente. C’è solo un problema. Non funzionano. Le idee per le macchine a moto perpetuo violano tutte una o più leggi fondamentali della termodinamica, il ramo della fisica che descrive la relazione tra le diverse forme di energia. Secondo la prima legge della termodinamica l’energia non può essere creata o distrutta. Non si può ricavare più energia di quanta ne venga inserita. Ciò esclude immediatamente una macchina a moto perpetuo che sia utile perché una macchina potrebbe produrre solo tanta energia quanta ne consuma. Non ne rimarrebbe per ricaricare un’auto o un telefono. Ma se volessimo solo che la macchina si mantenesse in movimento? Gli inventori hanno proposto molte idee. Alcune di queste sono varianti della ruota di Bhaskara con delle sfere o dei pesi all’interno dei bracci. Nessuna di queste funziona. Anche le parti in movimento che rendono un lato più pesante spostano il proprio baricentro più in basso rispetto all’asse. Con un baricentro basso, la ruota oscilla solo avanti e indietro come un pendolo, fino a fermarsi. Se usassimo un approccio diverso? Nel XVII secolo, Robert Boyle ebbe l’idea per un vaso autoalimentato. Ipotizzò che la capillarità, l’attrazione tra liquidi e superfici che spinge l’acqua all’interno di un tubo sottile, potesse mantenere la circolazione dell’acqua all’interno della ciotola. Ma se la capillarità è abbastanza forte da vincere la gravità e far risalire l’acqua, potrebbe anche impedire che essa ricada nella ciotola. Ci sono poi delle versioni con magneti, come questa serie di rampe. La sfera dovrebbe essere tirata verso l’alto dal magnete in cima, ricadere attraverso il buco e ripetere il ciclo. Questo non funziona perché, come per il vaso autoalimentato, il magnete tratterrebbe semplicemente la sfera in cima. Anche se continuasse a muoversi, la forza del magnete si esaurirebbe nel tempo e alla fine smetterebbe di funzionare. Per continuare a muoversi, queste macchine dovrebbero creare un’energia aggiuntiva per spingere il sistema oltre il suo punto di arresto, infrangendo la prima legge della termodinamica. Ce ne sono alcune che sembra che continuino a muoversi, ma in realtà, alla fine ricavano energia da una qualche fonte esterna. Anche se gli ingegneri progettassero una macchina che non violasse la prima legge della termodinamica, non funzionerebbe nel mondo reale per via della seconda legge. La seconda legge della termodinamica dice che l’energia tende a dissiparsi attraverso processi come l’attrito. Qualsiasi macchina reale ha parti in movimento o interazioni con molecole d’aria o di liquido che generano piccole quantità di attrito o calore, persino nel vuoto. Quel calore è energia che sfugge, e continua a filtrare, riducendo l’energia disponibile per muovere il sistema stesso finché la macchina non può che fermarsi. Finora, queste due leggi della termodinamica hanno ostacolato ogni idea per il moto perpetuo e i rispettivi sogni riguardo la generazione di energia. Ma è difficile dire che non scopriremo mai una macchina a moto perpetuo perché c’è ancora così tanto che non sappiamo dell’universo. Forse scopriremo nuove insolite forme di materia che ci costringeranno a rivisitare le leggi della termodinamica. O forse c’è un moto perpetuo su piccole scale quantistiche. Ciò di cui possiamo essere certi è che non ci fermeremo qui. Per ora, l’unica cosa davvero perpetua è la nostra ricerca.