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.
Близько 1159 року нашої ери математик Бхаскара ІІ намалював проект колеса, що складалося з резервуарів, наповнених ртуттю. Він вважав, що по мірі обертання колеса ртуть буде переливатися на дно кожного резервуара, і таким чином, один бік колеса завжди буде важчим за інший. Дисбаланс дозволить колесу обертатися вічно. Креслення Бхаскари були першими ескізами вічного двигуна, приладу, що здатен працювати безперервно, не потребуючи при цьому зовнішнього енергоджерела. Уявіть вітряк, що виробляє вітер, необхідний для свого обертання, або лампу розжарення, чиє сяйво перетворюється на струм, що живить її. Такі прилади захоплювали уяву багатьох винахідників, бо вони можуть змінити наше сприйняття енергії. Наприклад, якби можливо було створити вічний двигун, частиною ідеального механізму якого була б людина, то він би зміг підтримувати вічне життя. Існує лише одна проблема. Вони не працюють. Всі проекти "перпетуум мобіле" порушують один чи більше основних законів термодинаміки, галузі фізики, що вивчає зв'язок між різними формами енергії. У першому законі термодинаміки говориться про те, що енергію неможливо створити або знищити. Неможливо отримати енергії більше, ніж було вкладено. Такий закон миттєво виключає можливість існування вічного двигуна, тому що машина здатна виробити стільки енергії, скільки вона споживає, — і не більше. Не залишиться додаткової енергії для зарядки телефона або заводу автомобіля. А якщо енергія потрібна лише для роботи машини? Винахідники пропонували багато ідей. Деякі з них були схожі на колесо Бхаскари з кульками або вантажами на стрілках, що коливаються. Жодна з них не працює. Частинки, що рухаються, також поступово обтяжують один бік колеса і переміщують центр ваги нижче вісі. При низькому центрі ваги колесо коливається туди-сюди, як маятник, а потім зупиняється. Як щодо іншого підходу? У ХVII столітті Роберт Бойль запропонував ідею самополивної чаші. Він вважав, що капілярний ефект — тяжіння між рідинами та поверхнями, що змушує воду текти по тонких трубках — створить кругообіг води у посудині. Та якщо капілярний ефект настільки сильний, що може подолати гравітацію та підняти воду по трубі, він також не дозволить їй виливатися у посудину. Є ще версія з магнітами, як наприклад, цей набір рамп. Кулька має притягуватися магнітом догори, падати крізь отвір, і повторювати цикл. Цей проект не працює, бо, як і з самополивною чашею, магніт просто буде тримати кульку притягнутою. Навіть якби це якимось чином і спрацювало, потужність магніта знизилась би з часом, і він би перестав виконувати свою функцію. Щоб ці механізми працювали, їм необхідно виробляти додаткову енергію, що б не дозволяла системі виснажуватися, порушуючи таким чином перший закон термодинаміки. Ось приклади пристроїв, що, на перший погляд, працюють, але насправді, вони все ж споживають енергію з зовнішнього джерела. Навіть якби інженери створили машину, яка б не порушувала перший закон термодинаміки, вона б не працювала через другий закон, який говорить про те, що енергія розсіюється шляхом таких процесів, як наприклад, тертя. Будь-яка машина має рухливі частини, або взаємодіє з молекулами повітря або рідини, що виділяє крихітний об'єм тертя та тепла, навіть в умовах вакууму. Тепло — це вивільнення енергії, і цей процес буде продовжуватися, доки енергії для приведення в рух машини не залишиться і вона неминуче зупиниться. До цих пір ці два закони термодинаміки заводили у безвихідь кожну з ідей вічного двигуна і руйнували мрії про абсолютну енергоефективність, уособленням якої він є. Хоча, важко з упевненістю заявити про те, що ми ніколи не відкриємо вічний двигун, тому що існує так багато незвіданного нами у всесвіті. Можливо, ми віднайдемо нові незвичайні форми матерії, що змусять нас переглянути закони термодинаміки. А можливо, вічний рух існує на крихітних квантових частинках. З упевненістю можна сказати лише те, що ми ніколи не перестанемо досліджувати. Поки що дійсно вічним залишається лише наш пошук.