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.
Około 1159 roku matematyk Bhaskara Uczony zaprojektował koło zawierające wygięte pojemniki z rtęcią. Zakładał, że przy obrocie koła rtęć będzie przelewać się na dno każdego zbiornika, sprawiając, że po jednej stronie koło zawsze będzie cięższe. Brak równowagi miał utrzymywać je w ciągłym ruchu. Szkic Bhaskary był jednym z najstarszych projektów perpetuum mobile, urządzenia wiecznie poruszającego się bez pobierania energii z zewnątrz. Wyobraźcie sobie wiatrak napędzany wytwarzanym przez siebie podmuchem wiatru. Albo żarówkę, której światło generuje własny prąd. Urządzenia te pobudzają wyobraźnię wielu wynalazców, ponieważ mogą zmienić nasz stosunek do energii. Gdyby zbudować perpetuum mobile, którego idealnie wydajny system składałby się częściowo z ludzi, mogłoby ono podtrzymywać życie w nieskończoność. Jest tylko jeden problem. Urządzenia te nie działają. Wszystkie pomysły na perpetuum mobile są sprzeczne z zasadami termodynamiki, dziedziny fizyki opisującej związek między różnymi rodzajami energii. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energia nie tworzy się i nie znika. Nie można otrzymać więcej energii, niż się dostarczyło. To wyklucza stworzenie perpetuum mobile, ponieważ maszyna może wyprodukować tylko tyle energii, ile jej zużywa. Nie zostałoby nic do napędu samochodu czy doładowania telefonu. A gdyby stworzyć maszynę wiecznie napędzającą tylko samą siebie? Wynalazcy przedstawili wiele pomysłów. Kilka z nich było wariantami koła Bhaskary z toczącymi się kulkami czy ciężarkami wiszącymi na ruchomych ramionach. Żaden z nich nie działał. Ruchome części obciążające jedną część koła przenoszą środek ciężkości w dół poniżej osi obrotu. Przy takim jego umiejscowieniu koło tylko huśta się jak wahadło raz w jedną, raz w drugą stronę, by w końcu się zatrzymać. Co z innymi pomysłami? W XVII wieku Robert Boyle wymyślił samonapełniający się zbiornik. Rozumował, że zjawiska kapilarne wynikające z przyciągania między cieczą a powierzchnią, które przepycha wodę przez cienkie rurki, powinny pozwolić wodzie krążyć w zbiorniku w nieskończoność. Ale jeśli zjawiska kapilarne mogą pokonać siłę grawitacji i podciągnąć słup wody, to również zapobiegają jej ponownemu opadnięciu. Istnieją też wersje z magnesami, jak ten zestaw ramp. Zadaniem magnesu na górze jest przyciągnięcie metalowej kulki, która następnie ma wpaść do otworu i powtórzyć cały cykl. To nie działa, gdyż podobnie jak w przypadku zbiornika z wodą, magnes zatrzymuje kulkę na górze. Nawet jeśli kulka by spadła, siła magnesu z czasem zaczęłaby słabnąć, a w końcu przestałaby działać. Aby móc poruszać się w nieskończoność, maszyny musiałyby wytwarzać dodatkową energię, która zapobiegłaby zatrzymaniu się systemu. To niezgodne z pierwszą zasadą termodynamiki. Niektóre urządzenia wydają się poruszać w nieskończoność, ale w rzeczywistości pobierają energię z zewnętrznego źródła. Nawet gdyby udało się zaprojektować maszynę zgodną z pierwszą zasadą termodynamiki, urządzenie i tak nie zadziałałoby z powodu drugiej zasady. Druga zasada termodynamiki mówi, że energia rozchodzi się w takich procesach jak tarcie. Każde takie urządzenie składa się z ruchomych części albo wchodzi w interakcję z cząstkami powietrza lub cieczy, co generuje niewielkie tarcie i ciepło, nawet w próżni. Ciepło to uciekająca energia, więc będzie jej coraz mniej do napędzania maszyny, która w końcu musi się zatrzymać. Obecnie dwie zasady termodynamiki nie pozwalają stworzyć perpetuum mobile i zrealizować marzeń o wygenerowaniu idealnie wydajnej energii. Nie można jednak wykluczyć, że nigdy ono nie powstanie, bo wszechświat wciąż kryje wiele zagadek. Być może odkryjemy nowe formy materii i będziemy musieli określić zasady termodynamiki na nowo. Być może wieczny ruch istnieje w mikroskali na poziomie kwantów. Możemy być tylko pewni, że nigdy nie przestaniemy go szukać. Jak dotąd naprawdę wieczne są jedynie nasze poszukiwania.