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.
M.S. 1159 civarında Öğretmen Bhaskara adlı bir matematikçi civanın kavisli haznelerini içeren bir tekerlek tasarımı yapmıştı. Tekerlekler eğrildikçe civanın her haznenin altına akacağını ve dolayısıyla tekerleğin bir kısmını diğerinden daha ağır hale getireceğini düşünmüştü. Bu dengesizlik de tekerleğin sürekli dönmesini sağlayacaktı. Bhaskara'nın çizimi, herhangi bir dış enerji kaynağı olmaksızın çalışabilen bir araç olan devridaim makinesinin en eski tasarı çizimlerinden birisidir. Dönmesi için ihtiyacı olan rüzgarı üreten bir rüzgar gülü düşünün. Ya da parıltısını kendi elektriğinden sağlayan bir ampulü. Bu cihazlar birçok mucidin ilgisini çekmişti. çünkü enerjiyle olan ilişkimizi değiştirebilirlerdi. Örneğin, mükemmel verimli sisteminin bir parçası olarak insanların da bulunduğu bir devridaim makinesi üretebilseydiniz, yaşamını süresiz olarak devam ettirebilirdi. Yalnızca bir sorun var. Çalışmıyorlar. Devridaim makineleri için üretilen tüm fikirler, farklı enerji türleri arasındaki ilişkiyi tanımlayan fizik dalı olan termodinamiğin bir veya daha çok temel kuralını ihlal etmektedir. Termodinamiğin ilk kuralı; enerji yaratılamaz veya yok yok edilemez. Koyduğunuz enerjiden daha fazlasını alamazsınız. Bu kurallar, kullanışlı bir devridaim makinesini saf dışı bırakır çünkü bir makine, ancak tükettiği miktarda enerjiyi üretebilir. Geriye, bir telefonu veya arabayı şarj edecek güç kalmaz. Peki ya makinenin sadece kendi kendini hareket ettirmesini isteseydiniz? Mucitler birçok fikir öne sürdüler. Bunlardan bazıları, Bhaskara'nın çarkına dayanan dönen top veya sallanan ağırlıklardı. Hiçbiri çalışmadı. Bir tarafı daha ağır yapan hareketli parçalar ayrıca ağırlık merkezini, çarkın merkezinin aşağısına taşır. Düşük ağırlık merkeziyle çark, bir sarkaç gibi ileri geri gidip daha sonrasında durur. Peki başka bir yaklaşım nasıl olurdu? 17. yüzyılda, Robert Boyle kendini sulayan testi ile çıkageldi. Kılcal hareketin; sıvı ve yüzeyin arasındaki, suyu ince tüpten yukarı doğru çeken olayın, su döngüsü oluşturabileceğine dair, ortaya bir teori attı. Ama eğer, kılcal hareket yer çekiminin üstesinden gelip suyu yukarı doğru çekebiliyorsa aynı zamanda geri testiye atmasını da önler. Ayrıca bu rampa seti gibi magnetle olan versiyonlarda vardır. Topun üstteki mıknatıs tarafından yukarı çekilip delikten geçmesi ve döngüyü tekrarlaması gerekirdi. Bu, kendini sulayan testi gibi başarısız olur çünkü basitçe magnet topu yukarıda tutar. Bir şekilde hareket etmeye devam etse bile zaman geçtikçe mıknatısın gücü azalacak ve nihayetinde duracaktır. Bütün bu makinelerin çalışmaya devam etmesi için termodinamiğinin ilk kanununu çiğneyerek durma noktasını geçmek amacıyla ekstra bir enerji oluşturmaları gerekir. Bazıları bu kuralı aşabiliyormuş gibi görünebilir ama gerçekte harici bir kaynaktan aldıkları enerji ile çalışmaya devam etmektedir. Yine de mühendisler bir şekilde kanunların 1.sini çiğnemeyen bir makine üretseler bile, bu yine de 2. kanun nedeniyle gerçek hayatta çalışmayacaktır. Termodinamiğin 2. kanunu bize enerjinin sürtünme gibi sebeplerle dışarı çıkmaya çalıştığını söyler. Hareket eden veya havayla ya da su ile ilişkisi olan herhangi bir gerçek makine izole ortamda bile küçük miktarda sürtünme ve ısı üretecektir. Bu ısı kaçan enerjidir ve sistemin içinde bulunan kendi kendisini çalıştıran enerjiyi azaltarak tamamen durana kadar kaçacaktır. Bu zamana kadar, termodinamiğin bu 2 kanunu bütün devridaim makine fikirlerini ve ima ettikleri kusursuz verimli enerji üretimi hayallerini çürütmüştür. Şimdilik, bizim hiçbir zaman devridaim makine üretemeyeceğimizi söylemek zordur çünkü halen evren hakkında anlamadığımız birçok şey bulunmaktadır. Belki de termodinamiğin kanunlarına tekrar bakmamızı gerektirecek ilginç madde halleri bulacağız. Ya da belki ufacık kuantum ölçeğinde bu devridaim makineler vardır. Emin olabileceğimiz bir şey var ki, o da hiç bir zaman aramayı bırakmayacağımızdır. Şimdilik, sadece devridaim gözüken şey bizim aramaya devam etmemizdir.