【现代科学沉思录】永动机未必就是不切实际的空想！

【现代科学沉思录】永动机未必就是不切实际的空想！

永动机，这个看似违背自然规律的概念，实则蕴含着人类对能源和动力的不懈追求。从古至今，无数科学家和发明家前赴后继，试图突破能量守恒和热力学定律的限制，创造出能够持续运转的"永动机"。本文将带你穿越时空，探索永动机的历史脉络，揭秘科学界对其可能性的深入思考。

永动机的定义

永动机是不好定义的。按照百度词条“永动机”的说法，“永动机是一种不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功的机器。”在这里，不恰当的表述在于，第一，“外界”是缺乏定义的；第二，“能量”也是缺乏定义的；第三，永动机未必是“机器”。

因此，永动机应该理解为一个系统，该系统可以违背能量守恒定律对外做功，或违背热力学第二定律的开尔文表述对外做功。

永动机的分类

第一类永动机是最古老的永动机概念，这一类永动机试图以机械的手段在不获取能源的前提下使体系持续地向外界输出能量。

第二类永动机是指只从单一热源吸热，同时可以不断对外做功的永动机。这种机器并不违背能量守恒定律，但效率却可以达到100%。

永动机的研究历史

有种观点认为，永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想从印度传到了伊斯兰教世界，并从这里传到了西方。

在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来的。

后来，文艺复兴时期意大利的达·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也造了一个类似的装置。但达芬奇最终得出结论，永动机是不可能实现的，“永恒运动的幻想家们！你们的探索何等徒劳无功！还是去做淘金者吧！ ”

达芬奇设计的永动机

继达·芬奇之后，斯蒂文于1568年写了一本《静力学基础》，其中讨论斜面上力的分解问题时，明确地提出了永动机不可能实现的观点。他在该书扉页上的插图画上方写道，“神奇其实并不神奇。”

17世纪，英国有一个被关在伦敦塔下叫马尔基斯的犯人，他做了一台可以转动的“永动机”，并因此获得了国王查理一世的特赦。

马尔基斯设计的永动机

16世纪70年代，意大利的一位机械师斯特尔提出了一个永动机的设计方案。约在1570年，意大利的一位教授泰斯尼尔斯，他提出用磁石的吸力实现永动机的设想。

斯特尔设计的永动机

此外，还有利用浮力、惯性、毛细作用、电磁力等获得有效动力的种种永动机设计方案，但都无一例外地失败了。

17世纪和18世纪时期，人们又提出过各种永动机设计方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的，也有利用同性磁极之间排斥作用的。

1681年，英国医生弗拉德提出的阿基米德螺旋永动机

这时的一些著名科学家，如斯台文、惠更斯等，都开始认识到了用力学方法不可能制成永动机。

在制造第一类永动机的一切尝试失败之后，一些人又梦想着制造另一种永动机，希望它不违反热力学第一定律，而且既经济又方便。比如，这种热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功。后来，因为热力学第二定律的提出而幻想破灭。

1775年，法国科学院宣布“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”。《法国科学院的历史》一书中有如下记载：“这一年科学院通过决议，决定拒绝审理有关下列问题的解答：倍立方，三等分角，求与圆等面积的正方形，以及表现永恒运动的任何机器 。”

并且解释说：“永动机的建造是绝对不可能的，即使中间的摩擦和阻力不致最终破坏原来的动力，这个动力也不能产生等于原因的效果；再如设想动力可以连续起作用，其效果在一定时间之内也会是无限小。如果摩擦和阻力减小，初始的运动往往得以继续，但它不能与其他物体作用，在这种假设（自然界不可能存在）中，惟一可能的永恒运动对实现永动机建造者的目的将毫无用处。这些研究的缺点是费用极度昂贵，不止毁了一个家庭，本来可以为公众提供大量服务的技师们，往往为此浪费了他们的工具、时间和聪明才智。”

1861年，英国有一位工程师德尔克斯收集了大量资料，写成一本名为《17、18世纪的永动机》的书，告诫人们，切勿妄想从永恒运动的赐予中获取名声和好运。

尽管如此，一些孜孜不倦的人，他们备受歧视、贬低，还有各种谩骂，但他们依然保持着幻想和热情，继续着对永动机的思考、研究和开发......

主流的学术观点

19世纪中叶，一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化关系做出了巨大贡献。人们认识到，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递的过程中能量的总和保持不变。

1842年，荷兰科学家迈尔提出能量守恒和转化定律；1843年，英国科学家詹姆斯·焦耳提出热力学第一定律，该定律的表述方式之一就是“第一类永动机不可能实现”。他们从理论上证明了能够凭空制造能量的第一类永动机是不能实现的。

在大量实践经验的基础上，英国物理学家开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理：物质不可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响。此即热力学第二定律的开尔文表述，它宣判了第二类永动机是不可能实现的。

SIPOC创新观点

科学界认为第一类永动机不可能的理论依据是能量守恒定律(Law of conservation of energy)，一般表述为：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只会从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到其它物体，而能量的总量保持不变。此即热力学第一定律。

能量守恒定律也可以表述为：一个系统的总能量的改变只能等于传入或者传出该系统的能量的多少，其中，总能量为系统的机械能、内能（热能）及除机械能和内能以外的任何形式能量的总和。

在这里，我们首先要了解清楚“能量”到底是什么？它是独立存在的吗？还是说它只是一个定义，一种假象？

提到“能量”（energy），我们会想到动能、势能、机械能、化学能、光能、电能、内能（热能）、辐射能、生物能、核能等各种能量形式。但，无论哪种能量形式，都是与物质有关的，都是以物质为载体的，都是通过物质在时间和空间上的状态体现的，而没有独立于物质的能量存在形式。所以，能量本身是不存在的，不过是人们从物质的时空状态抽象并定义出的物理量罢了。

接下来，我们不禁要问：能量会守恒吗？

如果照本宣科，能量当然是守恒的，但仔细一想，它何曾守恒过？开始的时候，老师告诉我们动能守恒，然后是机械能守恒。接着是热功当量、能量守恒。现在，又整出了个质能守恒......反正，只要不守恒，科学家就会定义出一个新的能量形式，以使其守恒。

所以，能量从未守恒过，只是科学家一直希望它守恒，并千方百计使其守恒。

那能量到底守恒不守恒呢？不知道，不管它守恒还是不守恒，既无法通过推导得出，也无法通过实验发现。可能会有人提到诺特定理.......实在不知一晒，毕竟能量守恒是物理问题，而诺特定理那是数学，别混为一谈。

不过，老子认为，如果宇宙非要有起点和终点的话，那只能是“无”中生“有”，“有”又化“有”，终归于“无”。

老子的辩证思考给了我们以启发。若果真如老子所言，那宇宙的任一时刻都有“无”在生“有”，又有“有”在归于“无”。但是，要使任意时刻生“有”量始终等于归“无”量，这是不可能的。所以，能量必然是不可能保持守恒的。

此外，辩证物理学认为，宇宙中不存在守恒量，能量也不例外。这是因为，守恒意味着不因条件的改变而改变，不因时空的推移而变化。

是以，一个无法证真的能量守恒定律是无法给第一类永动机判死刑的。如果，我是说如果，人类掌握了“无”中生“有”的技术，说不定真得可以实现第一类永动呢。

科学家认为第二类永动机不可能的理论依据是热力学第二定律的开尔文表述。1851 年左右， 开尔文(LordKelvin)和普朗克(Max Planck) 等人从热能转化为机械能的角度先后提出更为严密的表述， 被称为热力学第二定律的开尔文说法: 不可能制造出从单一热源吸热、使之全部转化为功而不留下其他任何变化的热力发动机。

（未完待续）