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.
Примерно в 1159 году нашей эры математик по имени Бхаскара Просвещённый нарисовал колесо, в котором имелись закруглённые резервуары для ртути. Он полагал, что колесо будет вращаться, а ртуть будет перекатываться на дно каждого резервуара, постоянно утяжеляя одну половину колеса. Благодаря этому дисбалансу колесо будет вращаться вечно. Рисунок Бхаскары является одним из первых проектов по созданию вечного двигателя — механизма, который работал бы неограниченное время без притока энергии. Представьте себе мельницу, которая бы вырабатывала ветер, вращающий её лопасти. Или лампочку, горение которой производило бы в ней электричество. Подобные устройства не давали покоя многим изобретателям, поскольку они могли бы изменить наши представления об энергии. Например, если бы можно было изобрести вечный двигатель и элементом этой превосходно работающей системы были бы люди, то с помощью его можно было бы поддерживать жизнь вечно. Но существует одна проблема... Это невозможно. Все замыслы в отношении вечных двигателей нарушают одно или несколько фундаментальных начал термодинамики — области физики, изучающей взаимодействие различных форм энергии. Первое начало термодинамики гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить. Нельзя извлечь больше энергии, чем потребить. Это сразу исключает работающие на практике вечные двигатели, поскольку механизм может произвести ровно столько энергии, сколько получит. Не останется «лишней» энергии, чтобы зарядить автомобиль или телефон. Но что, если заставить сам механизм вечно работать? Изобретатели выдвинули ряд идей и на этот счёт. Некоторые из них в чём-то похожи на вечное колесо Бхаскары, только в нём катаются шарики или веса раскачиваются на веревочках. Ни одно из них не сработало. Подвижные части, утяжеляющие одну сторону колеса, смещают также центр тяжести вниз, ниже оси. Если центр тяжести смещается вниз, колесо раскачивается взад-вперёд, как маятник, а затем останавливается. А что, если пойти другим путём? В XVII веке Роберт Бойль предложил идею самонаполняющегося сосуда. Он считал, что благодаря явлению капиллярности — притяжению жидкостей к поверхности, из-за чего вода течёт вверх по тонким трубкам — можно будет заставить воду циркулировать в сосуде. Но даже если эффект капиллярности и способен преодолеть силу притяжения и заставить воду течь вверх, то он же не даст ей вылиться сверху в сосуд. Также существуют задумки с магнитами, например, эта с наклонными плоскостями. Магнит сверху притягивает шарик, который проваливается в отверстие, и всё повторяется. Но и этот эксперимент, как и сосуд, обречён на неудачу: магнит просто будет удерживать шарик и не даст ему упасть. Даже если шарик и будет двигаться, со временем сила магнита ослабнет, и механизм перестанет работать. Чтобы каждое из этих «изобретений» продолжало работать, они должны вырабатывать дополнительную энергию, которая поддерживала бы работу системы после её остановки, что является нарушением первого начала термодинамики. Есть некоторые устройства, которые, казалось бы, работают, но в реальности оказывается, что они получают энергию из других внешних источников. Даже если инженеры когда-нибудь и придумают механизм, чья работа не нарушала бы первое начало термодинамики, на практике ей всё равно не работать из-за второго начала. Второе начало термодинамики подразумевает, что энергия распределяется в ходе процессов, таких как трение. Любой из настоящих механизмов будет иметь подвижные части, или он будет взаимодействовать с воздухом или с молекулами жидкости, которые будут создавать малейшее трение и нагревание даже в вакууме. Это нагревание и означает, что высвобождается энергия и что происходит её потеря, в результате чего энергии будет хватать до тех пор, пока неизбежно механизм не остановится. До сих пор из-за этих двух начал термодинамики на неудачу обречены не только все попытки изобрести вечный двигатель, но и мечты о максимально эффективном получении энергии с его помощью. Однако нельзя окончательно заявить, что вечный двигатель не изобрести никогда, потому что мы ещё очень многого не понимаем в устройстве Вселенной. А что, если мы обнаружим новые, неведомые формы материи, что заставит нас пересмотреть начала термодинамики? А что, если в крохотных масштабах квантов существует вечное движение? Можно быть уверенными, что мы никогда не прекратим искать. В этом смысле единственная вещь, которая поистине вечна, — это наши поиски.