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.
紀元1159年ごろ バースカラ2世という数学者が 曲線的な形をした水銀入り容器でできた 車輪の設計図を描きました 彼は水銀が 各タンクの底に流れ込むことで 常に車輪のある一方の側が重くなり この車輪が回り続けると説明しました 釣り合いが崩れて 車輪が永遠に回転するというのです バースカラのスケッチは 初期の永久機関の設計図のひとつで これは外部からのエネルギー供給なしで 永遠に機能するという装置です 自分で風を作り出して 回転し続ける風車や 発した光がそれ自身に電力供給を行う 電球を想像してみてください こういった装置は数多くの発明家の 想像力を刺激してきました 人間とエネルギーの関係が 変わるかもしれないからです 例えば 永久機関を製作して その完全に効率的なシステムの一部として 人間を組み込めれば 生命を永遠に維持できるかもしれません 問題がひとつあります どれも機能しないことです 永久機関のアイディアはいずれも 異なるエネルギー形態の間の関係を論ずる 物理学の一分野である熱力学の法則を 1つ以上破っているからです 熱力学第一法則によるとエネルギーを 作り出したり失うことはありません 外部から投入したエネルギー以上の エネルギーを得ることはできないのです これらの法則から永久機関を 直ちに否定することができます 機械は せいぜい外部から与えられた エネルギー分までしか取り出せないからです 自動車の動力や携帯電話の充電のための 余分なエネルギーは残っていません でも 機械を動かし続けるだけなら? 発明家たちは数多くのアイディアを 提供してきました バランスの不均衡に基づく バースカラ2世の車輪には 転がる球や振り子に取り付けられたおもりなど 様々なバリエーションがありますが どれも機能しません 車輪の片側をより重たくする可動部分は その重心を軸より下側に 移動させてしまいます 重心が下がることで 車輪はただ 振り子のように左右に揺れるだけで やがて停止します 別のアプローチはどうでしょうか? 17世紀にロバート・ボイルが 自動給水ポットを思いつきました これは毛細管現象の理論に基づくものです これは液体と表面の間に働く力で 細い管の中の水を引き上げることで 器と管の間の水の循環が 続くというものです しかし 毛細管現象の力が 重力を上回ったとすると 液体を吸い上げるかもしれませんが 液体が器に落ちることも妨げます このように磁石と斜面を用いた バージョンもあります 頂点にある磁石に球が引き寄せられ 穴から落下するという サイクルを繰り返します これは自動給水ポットと同様に失敗します 磁石は頂点に達した球を とらえたまま放しません 何とか動き続けたとしても 磁石の力は段々と弱まり やがて停止します これらの機械が動き続けるとしたら 停止しないように 熱力学の第一法則を破るような 余分のエネルギーを 作り出すことになるでしょう 一見 動き続けるように 見えるものもありますが 実際には外部のエネルギー源から エネルギーを引き出しているのです たとえ エンジニアが 熱力学の第一法則を 破らないような機械を設計できたとしても なおも第二法則により 実際に機能することはないのです 熱力学の第二法則によると 摩擦などにより エネルギーは拡散してしまいます 現実の世界にある機械は 可動パーツがあったり 空気や液体の分子との 相互作用があったりして わずかながらも摩擦 そして熱が発生します これは真空中でも同じです 熱はエネルギーを散逸させます エネルギーが熱として逃げ出すと システムで使用できるエネルギーが減少し やがて機械が停止します ここまでに見たとおり これら2つの熱力学の法則は 永久機関のあらゆるアイデアと これが意味する完全な効率を持った エネルギー生成の夢を 危機に陥れました しかし 私たちは森羅万象を 理解しているわけではないので 永久機関が作れないとは言い切れません 熱力学の法則を 見直しを迫るような 風変わりなタイプの新しい物質が 見つかるかもしれません もしくは極小の量子スケールでは 永久機関が存在するかもしれません 私たちの探求は決して止まらないだろう ということは間違いなさそうであり 今のところ 永久に動き続ける唯一のものは 我々の探求心なのです