科幻与现实:永动机



艾西莫夫有部小说 The Gods Themselves,虽然内容主线不是在说永动机,但当中的主线题材称做 Electron Pump,可以无中生有的产生出能量来,从某些程度上和永动机有着异曲同工之妙。Electron Pump 为它的发明人带来了名声和财富,但最后却发现这些「无中生有」的能量其实是在另一个平行宇宙过来的,在一串连锁反应后,最终会让我们的太阳超新星爆炸。

没人知道永动机究竟存不存在,或是真的造出来了,会有什么影响。但关于永动机最永恒不变的事,大概就是人们永远不会停止尝试吧 XD。记得最近的一个例子就是 Steorn 的 Orbo,曾经宣腾一时,结果最后还是无疾而终(但他们显然没放弃)。从科学上来说,永动机被认为是不可能的 -- 在科学上讲不可能不是件好事,因为这会阻止进步,但在永动机的例子中,要让永动机在科学上实现,要破坏的物理定律太多了,以至于只要有一个确定的永动机出现,物理学就要全部重写的地步。

让 永动机无法实现的科学原因主要有两个:热力学的第一定律(能量守恒)表明了在一个封闭的系统内,不会无缘无故地冒出新的能量来,而热力学的第二定律则表明 了任何系统内的熵只能增加,即在没有外界输入能源、能量的情况下,粒子最终都会慢慢停止,直到所有的粒子携带的能量相同 -- 没有能量差,自然就无法产生功了。依照上面两个定律,可以将永动机分成三类:
  • 第一类永动机 - 可以无中生有产生出能量。这种永动机违背了热力学第一定律,但可以无视第二定律,因为有个未知的能量源不停地产生能量差。
  • 第二类永动机 - 可以将系统内渐趋平衡的能量差,重新拉开。如果拉开前和拉开后的总能量是一致的,那就没有违背热力学第一定律,但相对的,这样的永动机违背了第二定律。
  • 第三类永动机 - 没有任何摩擦力的机器。「没有任何摩擦力」本身是不可能的,所以这也被归类在不可能的机器的行列,但我们可以做得非常接近这个理想。这种机器没有违背任何热力学定律 -- 没有能量凭空出现,而且能量一但拿来做功了,就会从系统中消失。
历史上有不少颇有名的永动机设计,接下来介绍几个例子给大家:


Taisnerius 的永动机

Johannes Taisnerius 是位耶稣会的神父。整个系统一颗强磁铁,一颗铁球,和两个斜坡所组成。理论上铁球会被磁铁拉上斜坡,再从洞里掉下去,回到开始的地方,从而不停地运作。问题呢?任何强到足以将铁球拉上去的磁铁,自然不可能放铁球从洞里再掉下去

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