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.
Vào những năm 1159 sau Công nguyên, nhà toán học tên là Bhaskara đã xây dựng một thiết kế bánh xe chứa các khoang đựng thuỷ ngân lỏng. Ông cho rằng khi bánh xe quay, thuỷ ngân sẽ luôn chảy về đáy của các khoang chứa nước, khiến cho một phía bánh xe luôn luôn nặng hơn phía còn lại. Sự mất cân bằng đó sẽ khiến bánh xe quay vĩnh viễn. Bản vẽ của Bhaskara là một trong các thiết kế lâu đời nhất của động cơ vĩnh cửu, một loại thiết bị sinh công vô hạn mà không cần nhận năng lượng từ hệ ngoài. Hãy tưởng tượng một cối xay gió tạo ra sức gió khiến nó tự quay. Hoặc một bóng đèn tạo ra điện giúp nó sáng nhờ chính ánh sáng nó phát ra. Những thiết bị kiểu này thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà sáng chế bởi chúng có thể thay đổi hoàn toàn mối liên hệ giữa chúng ta và năng lượng. Chẳng hạn nếu bạn có thể tạo ra một dạng động cơ vĩnh cửu, một hệ thống vận hành hoàn hảo trong đó con người là mắt xích quan trọng, điều đó sẽ giúp sự sống duy trì vĩnh viễn. Nhưng chỉ có một vấn đề. Chúng không hề tồn tại. Các ý tưởng về động cơ vĩnh cửu đều vi phạm một hay nhiều Nguyên lý nhiệt động lực học, một nhánh của Vật lý chuyên nghiên cứu mối quan hệ giữa các dạng năng lượng khác nhau. Nguyên lý I Nhiệt động lực học phát biểu: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi. Bạn không thể thu được nhiều năng lượng hơn lượng bạn đã cung cấp cho hệ. Điều đó đã ngay lập tức bác bỏ nguyên lý hoạt động của động cơ vĩnh cửu bởi công sinh bởi động cơ chỉ có giá trị tối đa bằng chính năng lượng nó tiêu thụ. Sẽ không có năng lượng dư để ta nạp ắc quy xe hay sạc điện thoại. Nhưng nếu ta chỉ muốn nó tự chạy mãi mà không cần sinh thêm công thì sao? Các nhà sáng chế đã đề xuất nhiều ý tưởng, trong đó có những phiên bản cải tiến của bánh xe Bhaskara, được thay thế bằng bi sắt hoặc các vật nặng gắn trên tay quay. Chúng đều thất bại. Các bộ phận di chuyển khiến một phía bánh xe nặng hơn, đồng thời chúng đã hạ thấp trọng tâm của hệ về phía dưới tâm bánh xe. Với toạ độ trọng tâm thấp, bánh xe sẽ dao động qua lại như một con lắc, cuối cùng sẽ dừng hẳn. Vậy với cách tiếp cận vấn đề khác thì sao? Vào thế kỷ 17, Robert Boyle đề xuất một ý tưởng về một bình nước tự chảy. Ông cho rằng nhờ hiện tượng mao dẫn, một hiện tượng liên kết giữa chất lỏng và các bề mặt rắn giúp nước chảy thành dòng trong các ống tiết diện nhỏ, sẽ giúp nước chảy tuần hoàn vĩnh viễn trong bình. Nhưng nếu lực hút do mao dẫn đủ mạnh để thắng trọng lực và giúp nước chảy ngược lên, thì chúng cũng đủ mạnh để ngăn nước chảy lại xuống bình. Cũng tồn tại nhiều phiên bản khác, ví dụ với con dốc đặt nam châm này. Quả bóng sẽ lăn ngược lên dốc do lực từ của nam châm đặt trên đỉnh, rơi xuống lỗ và lăn xuống dưới, và tiếp tục lặp lại quá trình trên. Mô hình này thất bại bởi lẽ tương tự như chiếc bình nước tự chảy, nam châm sẽ giữ luôn quả bóng trên đỉnh dốc. Thậm chí khi hệ có thể hoạt động bằng cách nào đó, lực từ do nam châm gây ra cũng yếu dần theo thời gian và mất hẳn khả năng hút. Để một động cơ làm việc liên tục, chúng cần tạo ra một chút năng lượng dư để giúp duy trì hệ luôn vượt qua trạng thái nghỉ, vượt qua rào cản của Nguyên lý I Nhiệt động lực học. Khi xét đến một động cơ đang chạy liên tục, điều thực tế là chúng vẫn buộc phải lấy năng lượng từ nguồn bên ngoài. Thậm chí khi các kỹ sư bằng cách nào đó thiết kế được một chiếc máy không vi phạm Nguyên lý I Nhiệt động lực học, chúng vẫn không tồn tại trong thực tế do đã vi phạm Nguyên lý II. Nguyên lý II Nhiệt động lực học nói rằng năng lượng sẽ bị mất mát đi do các yếu tố ngoại cảnh, ví dụ ma sát. Mọi loại động cơ đều cần các cơ cấu chuyển động hay các tương tác với phần tử nước hay không khí môi trường, điều đó sẽ tạo ra ma sát và một lượng nhiệt nhỏ, thậm chí ở trong chân không. Nhiệt năng đó ra khỏi hệ và bị mất mát đi, làm giảm lượng năng lượng còn lại để giúp duy trì hệ, chúng giảm mãi đến khi chiếc máy dừng hoạt động hẳn. Cho đến giờ, hai Nguyên lý Nhiệt động học này đã bác bỏ mọi ý tưởng về động cơ vĩnh cửu và những ước mơ về cách khai thác năng lượng hoàn hảo đằng sau đó. Nhưng cũng rất khó để khẳng định rằng ta không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu bởi lẽ còn rất nhiều điều bí ẩn trong vũ trụ mà ta chưa biết tới. Có lẽ ta sẽ tìm ra một trạng thái mới của vật chất khiến chúng ta phải xây dựng lại các Nguyên lý Nhiệt động lực học. Hoặc có thể tồn tại các trạng thái chuyển động vĩnh cửu ở quy mô lượng tử. Chỉ có một điều ta chắc chắn, đó là ta sẽ không ngừng tìm tòi. Giờ đây, điều duy nhất có lẽ là vĩnh cửu,