永動機

永動機的想法起源於印度，公元1200年前後，這種思想從印度傳到了伊斯蘭教世界，並從這裏傳到了西方。在歐洲，早期最著名的一個永動機設計方案是十三世紀時一個叫亨內考的法國人提出來的。如圖所示：輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝着12個可活動的短杆，每個短杆的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿着箭頭所指的方向轉動下去，並且帶動機器轉動。這個設計被不少人以不同的形式複製出來，但從未實現不停息的轉動。仔細分析一下就會發現，雖然右邊每個球產生的力矩大，但是球的個數少，左邊每個球產生的力矩雖小，但是球的個數多。於是，輪子不會持續轉動下去而對外做功，只會擺動幾下，便停下來 ^[3]  。

後來，文藝復興時期意大利的達·芬奇（Leonardo da Vinci，1452-1519）也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的 ^[3]  。

達·芬奇敏鋭地由此得出結論：永動機是不可能實現的。事實上，由槓桿平衡原理可知，上面兩個設計中，右邊每個重物施加於輪子的旋轉作用雖然較大，但是重物的個數卻較少。精確的計算可以證明，總會有一個適當的位置，使左右兩側重物施加於輪子的相反方向的旋轉作用（力矩）恰好相等，互相抵消，使輪子達到平衡而靜止下來 ^[3]  。

16世紀70年代，意大利的一位機械師斯特爾又提出了一個永動機的設計方案。斯特爾在設計時認為，由上面水槽流出的水，衝擊水輪轉動，水輪在帶動水磨轉動的同時，通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池裏的水重新提升到上面的水槽中。他想，整個裝置可以這樣不停地運轉下去，並有效地對外做功。實際上，流回水槽的水越來越少，很快水槽中的水就全部流進了下面的蓄水池，水輪機也就停止了轉動。浮力也是設計永動機的一個好幫手。是一個著名的浮力永動機設計方案。一連串的球，繞在上下兩個輪子上，可以像鏈條那樣轉動。右邊的一些球放在一個盛滿水的容器裏。設計者認為，右邊如果沒有那個盛水的容器，左右兩邊的球數相等，鏈條是會平衡的。但是，右邊這些球浸在水裏，受到了水的浮力，就會被水推着向上移動，也就帶動整串球繞上下兩個輪子轉動。上面有一個球露出水面。下面就有一個球穿過容器底，補充進來。這樣的永動機也沒有製成，是不是因為要下面的球能夠通過容器底，而又不能讓水漏出來，製造起來技術上有困難呢？技術上的困難並不是主要問題，主要問題還是出在設計的原理上。當下面的球穿過容器底的時候，它和容器底一樣，要承受上面水的壓力，而且是因為在水的最下部，所以它受到的壓力很大。這個向下的壓力，就會抵消上面幾個球所受的浮力，這個水動機也就無法永動了 ^[4]  。

此外，人們還提出過利用輪子的慣性，細管子的毛細作用，電磁力等獲得有效動力的種種永動機設計方案，但都無一例外地失敗了。其實，在所有的永動機設計中，我們總可以找出一個平衡位置來，在這個位置上，各個力恰好相互抵消掉，不再有任何推動力使它運動。所有永動機必然會在這個平衡位置上靜止下來，變成不動機。從哥特時代起，這類設計方案越來越多。17世紀和18世紀時期，人們又提出過各種永動機設計方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細作用的，也有利用同性磁極之間排斥作用的。宮廷裏聚集了形形色色的企圖以這種虛幻的發明來掙錢的方案設計師。有學識的和無學識的人都相信永動機是可能的。這一任務像海市蜃樓一樣吸引着研究者們，但是，所有這些方案都無一例外的以失敗告終。他們長年累月地在原地打轉，創造不出任何成果。通過不斷的實踐和嘗試，人們逐漸認識到：任何機器對外界做功，都要消耗能量。不消耗能量，機器是無法做功的。這時的一些著名科學家斯台文、惠更斯等都開始認識到了用力學方法不可能製成永動機 ^[5]  。

19世紀中葉，一系列科學工作者為正確認識熱功能轉化和其它物質運動形式相互轉化關係做出了巨大貢獻，不久後偉大的能量守恆和轉化定律被發現了。人們認識到：自然界的一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞的過程中能量的總和保持不變。能量守恆的轉化定律為辯證唯物主義提供了更精確、更豐富的科學基礎。有力地打擊了那些認為物質運動可以隨意創造和消滅的唯心主義觀點，它使永動機幻夢被徹底的打破了。在製造第一類永動機的一切嘗試失敗之後，一些人又夢想着製造另一種永動機，希望它不違反熱力學第一定律，而且既經濟又方便。比如，這種熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變為機械功。由於海洋和大氣的能量是取之不盡的，因而這種熱機可永不停息地運轉做功，也是一種永動機。然而，在大量實踐經驗的基礎上，英國物理學家開爾文於1851年提出了一條新的普遍原理：物質不可能從單一的熱源吸取熱量，使之完全變為有用的功而不產生其它影響。這樣，第二類永動機的想法也破滅了。層出不窮的永動機設計方案，都在科學的嚴格審查和實踐的無情檢驗下一一失敗了 ^[5]  。

1775年，法國科學院宣佈“本科學院以後不再審查有關永動機的一切設計”。這説明在當時科學界，已經從長期所積累的經驗中，認識到製造永動機的企圖是沒有成功的希望的。永動機的想法在人類歷史上持續了幾百年，這個想法被駁倒，不僅有利於人們正確的認識科學，也有利於人們正確的認識世界。能量既不能憑空產生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體。在轉化和轉移過程中，能量的總和不變，這就是能量守恆定律了。所以第一類永動機是不能做出來的。而能量的轉化和轉移是有方向的，就像熱量可以自發的由熱的物體轉移到冷的物體，但不能自發的由冷的物體轉移到熱的物體，而不引起其他的變化，所以第二類永動機也是不能做出來的。還有人認為，根據牛頓第一定律，物體在不受力的作用的前提下，可以依靠慣性無休止的做勻速直線運動，於是想要在外太空實驗。但是當時的科技並不允許這麼做，而且牛頓還提出了萬有引力定律，即自然界中任何兩個物體都互相吸引。所以這個物體在運動很久之後——或者只有幾分鐘——就會停下來，也不能永遠運動 ^[6]  。

雖然經過許多人的辛勞，但事實證明他們無一例外地都歸於失敗。永動機是一種幻想，永遠不可能成功，因為它違反了自然界最普遍的一個規律，這就是能量轉化與守恆定律。著名科學家達·芬奇早在15世紀就提出過永動機不可能的思想，他曾設計過一種轉輪，如圖所示，在轉輪邊沿安裝一系列的容器，容器中充了一些水銀，他想水銀在容器中移動有可能使轉輪永遠地轉動，但是經過仔細研究之後，得出了否定的結論。他從許多類似的設計方案中認識到永動機的嘗試是註定要失敗的。他寫道：“永恆運動的幻想家們！你們的探索何等徒勞無功！還是去做淘金者吧！” 然而，15世紀以後的好幾百年裏面，製造永動機的活動卻從未停止過 ^[7]  。

例如：17世紀，英國有一個被關在倫敦塔下叫馬爾基斯的犯人，他做了一台可以轉動的“永動機”，如圖所示。轉輪直徑達4.3米，有40個各重23千克的鋼球沿轉輪輻翼外側運動，使力矩加大，待轉到高處時，鋼球會自動地滾向中心。據説，他曾向英國國王查理一世表演過這一裝置。國王看了很是高興，就特赦了他。其實這台機器是靠慣性來維持短時運動的 ^[7]  。

19世紀有人設計了一種特殊機構，如圖所示。它的臂可以彎曲。臂上有槽，小球沿凹槽滾向伸長的臂端，使力矩增大。轉到另一側，軟臂開始彎曲，向軸心靠攏。設計者認為這樣可以使機器獲得轉矩。然而，他沒有想到力臂雖然縮短了，阻力卻增大了，轉輪只能停止在原地 ^[8]  。

1681年，英國有一位著名的醫生弗拉德提出一個建議，利用阿基米德螺旋（如圖）把水池的水提到高處，再讓升高的水推動水輪機，水輪機除了帶動水磨做功以外，還可使阿基米德螺旋轉不斷提水，如此週而復始，不就可以無需擔心天旱水枯了嗎？一時間，響應他的人大有人在，形形色色的自動水輪機陸續提出，竟出現了熱潮 ^[5]  。

約在1570年，意大利的一位教授泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實現永動機。他的設計如圖所示，A是一個磁石，鐵球C受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的E處，從小洞B落下，經曲面BFC返回，復又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續運動下去。大概他那時還沒有建立庫侖定律，不知道電場力大小與距離的平方是成反比變化的，只需多加思索，其荒謬處就一目瞭然了 ^[5]  。

類似的例子還有許多，這裏就不詳細描述了。我們只要列舉一些名稱，就足以説明這類徒勞無益的活動是如何廣泛、誘人 ^[5]  。

例如：表面張力永動機、浮力永動機、永磁永動機、自動車、自動洗衣機，等等。就在一些人熱衷於製造永動機的同時，科學家們從力學基本理論的研究中逐步認識到了自然界的客觀規律性 ^[5]  。

繼達·芬奇之後，斯蒂文於1568年寫了一本《靜力學基礎》，其中討論斜面上力的分解問題時，明確地提出了永動機不可能實現的觀點。他所用的插圖畫在該書扉頁上，見圖，圖的上方寫着：“神奇其實並不神奇。”將14個等重的小球均勻地用線穿起組成首尾相連的球鏈，放在斜面上，他認為鏈的“運動沒有盡頭是荒謬的”，所以兩側應平衡。

1775年，法國科學家鄭重的通過了一項決議，拒絕審理永動機。在《法國科學院的歷史》一書中有如下記載：“這一年科學院通過決議，決定拒絕審理有關下列問題的解答：倍立方，三等分角，求與圓等面積的正方形，以及表現永恆運動的任何機器 ^[5]  。”

並且解釋説：“永動機的建造是絕對不可能的，即使中間的摩擦和阻力不致最終破壞原來的動力，這個動力也不能產生等於原因的效果；再如設想動力可以連續起作用，其效果在一定時間之內也會是無限小。如果摩擦和阻力減小，初始的運動往往得以繼續，但它不能與其他物體作用，在這種假設（自然界不可能存在）中，惟一可能的永恆運動對實現永動機建造者的目的將毫無用處。這些研究的缺點是費用極度昂貴，不止毀了一個家庭，本來可以為公眾提供大量服務的技師們，往往為此浪費了他們的工具、時間和聰明才智。” 然而，就是在法國科學院如此明確的警告之下，創造永動機的各種活動仍然未見收斂 ^[9]  。

19世紀中葉，能量守恆定律已經確立 ^[9]  。

1861年，英國有一位工程師德爾克斯收集了大量資料，寫成一本名為《17、18世紀的永動機》的書，告誡人們，切勿妄想從永恆運動的賜予中獲取名聲和好運。可是，德爾克斯這部“警世恆言”卻未能阻止永動機的繼續氾濫 ^[9]  。

19世紀末美國賓州有人想用磁鐵代替鐘擺的錘，企圖用磁力做功代替發條，認為有可能無需發條而能自動維持擺動，結果是徒勞一場毫無成果。進入20世紀，更加複雜的、似是而非的種種設計不斷被提了出來。例如有人想“發明”自動車，有人“創造”自動洗衣機，有人想利用水中的“分子吸引力”製造“自動”泵，有人想單純靠永久磁鐵做成發電機，特別是在“能源危機”的刺激下，這類活動竟有增無減，層出不窮。另一類永動機也常被人提出而且還很迷惑人。如19世紀80年代，美國華盛頓地區的一位發明家甘姆埃設計了一種零度發動機（Zeromotor），用液態氨做工作物質，從周圍環境中吸取熱量，氨由液態變為氣態，在0℃時產生4個大氣壓的壓強，可以推動活塞做功，似乎這樣就可以不需使用燃料。他還進一步解釋説，氨氣在驅動活塞後因膨脹而冷卻，又會自動凝結於容器，於是就可循環地工作下去。1881年他的設計居然得到美國海軍總工程師的支持，受到官方讚揚，甚至當時的美國總統也極有興趣地觀看了設計模型。他們也許認為，如果這種發動機真的成功，美國艦隊就不需要加煤站，從汪洋大海中就可以取得無窮無盡的熱能了。然而，只要科學地分析一下，就會發現甘姆埃的設計是屬於單熱源的熱機，它違反了熱力學第二定律，這就是不可能實現的第二類永動機。如果説永動機的“發明”對人類有點益處的話，那就是人們可以從中吸取教訓：一切違背能量轉化與守恆定律等自然規律的“創造”都是註定要失敗的 ^[9]  。

關於永動機的不可能，還應當提到荷蘭物理學家司提芬。16 世紀之前，在靜力學中，人們只會處理求平行力系的合力和它們的平衡問題，以及把一個力分解為平行力系的問題，還不會處理匯交力系的平衡問題。為了解決這類問題，人們把他歸結於解決三個匯交力的平衡問題。通過巧妙的論證解決了這個問題。假如你把一根均勻的鏈條ABC放置在一個非對稱的直立（無摩擦）的楔形體上，這時鏈條上受兩個接觸面上的反力和自身的重力。恰好是三個匯交力。鏈條會不會向這邊或那邊滑動？如果會，往哪一邊？司提芬想象把楔形體停在空中，在底部由CDA 把鏈條連起來使之閉合。最後解決了這個問題。在底部懸掛的鏈條自己是平衡的，把懸掛的部分和上部的鏈條連起來，斯提芬説：“假如你認為楔形體上的鏈條不平衡，我就可以造出永動機。”事實上如果鏈條會滑動，那麼你就必然會推出封閉的鏈條會永遠滑下去；這顯然是荒謬的，回答必然是鏈條不動。並且他由此得到了匯交三力平衡的條件。他覺得這一證明很妙，就把它放在他的著作《數學備忘錄（Hypomnemata Mathematica）》的扉頁上，他的同輩又把它刻在他的墓碑上以表達敬仰之意。匯交力系的平衡問題解決，也標誌着靜力學的成熟 ^[9]  。

隨着對永動機不可能的認識，一些國家對永動給出了限制。如早在1775 年法國科學院就決定不再刊載有關永動機的通訊。1917 年美國專利局決定不再受理永動機專利的申請。儘管如此，永動機的發明者仍然是前赴後繼，頑強地奮鬥着。據英國專利局的助理評審員F. Charlesworth 稱：英國的第一個永動機專利是1635 年，在1617 年到1903 年之間英國專利局就收到約600 項永動機的專利申請。這還不包含利用重力原理之外的永動機專利申請。而美國在1917 年之後還是有不少一時看不出奧妙的永動機方案被專利局接受 ^[9]  。

第一類永動機是最古老的永動機概念，這一類永動機試圖以機械的手段在不獲取能源的前提下使體系持續地向外界輸出能量 ^[2]  。

歷史上最著名的第一類永動機是法國人亨內考在十三世紀提出的“魔輪”，魔輪通過安放在轉輪上一系列可動的懸臂實現永動，向下行方向的懸臂在重力作用下會向下落下，遠離轉輪中心，使得下行方向力矩加大，而上行方向的懸臂在重力作用下靠近轉輪中心，力矩減小，力矩的不平衡驅動魔輪的轉動。十五世紀，著名學者達芬奇也曾經設計了一個相同原理的類似裝置，1667年曾有人將達芬奇的設計付諸實踐，製造了一部直徑5米的龐大機械，但是這些裝置經過試驗均以失敗告終 ^[2]  。

除了利用力矩變化的魔輪，還有利用浮力、水力等原理的永動機問世，但是經過試驗，已確認這些永動機方案失敗或僅只是騙局，無一成功 ^[2]  。

1842年荷蘭科學家邁爾提出能量守恆和轉化定律；1843年英國科學家詹姆斯·焦耳提出熱力學第一定律，他們從理論上證明了能夠憑空製造能量的第一類永動機是不能實現的。熱力學第一定律的表述方式之一就是：第一類永動機不可能實現 ^[2]  。

曾經有人設計一類機器，希望它從高温熱庫（例如鍋爐）吸取熱量後全部用來做功，不向低温熱庫排出熱量。這種機器的效率不是可以達到100%了嗎？這種機器不違背能量守恆定律，但是都沒有成功。人們把這種只從單一熱庫吸熱，同時不間斷的做功的永動機叫第二類永動機。這種永動機不可能製成，是因為機械能與內能的轉化具有方向性：機械能可以轉化內能，但內能卻不能全部轉化為機械能，而不引起其它變化。從研究永動機得到的意外收穫 ^[10]  。

前已提及，英國科學家焦耳也曾被永動機這一“奇妙”的發明所吸引，併為此做了一二十年的實驗，但最後他留給後世的並不是永動機，而是證明永動機不可能的“熱功當量定律”，這應該算是研究永動機得到的意外收穫 ^[10]  。

斯台文是這方面的另一個例子。在他那個時代（16世紀末—17世紀初），有一種永動機是廣泛被談論着的，如圖2所示，有14個能滾動的很重的鐵球用鏈子連起來放在一個三稜體上。三稜體的一邊比較斜，一邊比較陡，且斜的一邊比陡的一邊長些。永動機的製造者們相信，斜的一邊上有4個重鐵球，陡的一邊只有兩個重鐵球，4個鐵球的下滑力自然比兩個鐵球大，整個裝置就會如箭頭所指示的方向滑下來。一旦左邊滑下去一個重球，右邊一定同時補充上一個重球，左邊的斜面上依然是4個重球，右邊的斜面上仍只有兩個重球，永遠是左邊的下滑力大於右邊的下滑力，球鏈就會永遠不斷地運動下去。荷蘭科學家斯台文在研究這種永動機時，從經驗出發判斷它不可能永動，因為左邊球雖多，但斜面緩，每個球產生的向下拉力小，右邊球雖少，但斜面陡，每個球產生的向下拉力大，結果兩邊斜面向下的拉力一樣大。至此，斯台文並沒有停止思維，他又把該問題進一步引向深入：由於球的個數跟斜面的長度成正比，每個球都是一樣重，所以各邊球的總重也一定跟斜面長成正比 ^[10]  。

這就是有名的兩個斜面上力量平衡的定律。

（1）機械類：妄圖依靠機械內循環，對啓動能量進行增益，以試圖突破能量守恆。並依靠能量增益，使增益的能量輸出，並將輸出能分化為兩部分，一部分給機械提供動力。另一部分對外做功 ^[10]  。

（2）電/磁動機：屬於永動機範疇，但因不具備工業實用性，被稱為玩具。概念，假設概念，磁鐵與電磁場互動，使得能量突破能量守恆，磁動機獲得了輸出大於輸入。但實際上實驗顯示，磁動機終究會因為消磁而停止 ^[10]  。

（3）熱循環：試圖突破熱一，熱二，但終究失敗，温度平衡點與温度不可疊加和轉化消耗上，無法在內部環境中進行百分百轉化 ^[10]  。

（4）空氣壓縮機：依靠壓縮空氣，至使温度升高。理論上，空氣壓縮與釋放能量守恆，但是使用空氣壓縮的機構涉及曲軸等機械零件能量消耗，並且在熱量揮發時速度與空氣回温等等存在許多不完善，但具體資料因資源有限暫且未知（理論上可行性永動機）。

（5）特斯拉線圈：屬於官方資料，民間流傳的據説是不完整的，但理論上與現實中線圈的確存在，它是一種在自然界收集電能量的一種器具。姑且不説官方文獻，但以自然界電磁場能量製作出的線圈僅僅只能是個玩具。

（6）飲水鳥：愛因斯坦自食其言的傳奇玩具，一個利用液體沸點與自然界温度的玩具機械 ^[10]  。

（7）幾何永動：這是集齊所有機械類理論於一體的永動機，並開闊創新，成就前無古人，也可能後無來者的失敗永動機。這台永動機發明者只研究增益零件，而放棄了固定能量源，選擇能量源自由。形成了一個利用周長相等的圓與三角形之間的力矩不同，而忽略三角形最短力矩的另類組合 ^[10]  。

（8）液態永動：利用液體質量的密度與引力，或另一種單純的水與氣體引力相結合設計出的永動機。但因為守恆，利用液體質量的至今全部失敗，而水與空氣類型的似乎也是失敗 ^[10]  。

（9）倒吸虹：這個永動機，企圖改變管道的粗細，在水管的上方加一個水箱，依靠水的壓力，改變吸虹勢能。但因出水口的限制，決定了水的壓力，導致再次失敗 ^[10]  。

這類機械裝置主要分為兩大類。第一種永動機違反的是熱力學第一定律，它們不須輸入能量就可以作功。熱力學第一定律是關於能量守恆的表述，指出在一個孤立的封閉系統裏，新的能量無法被創造出來。任何宣稱能夠無端產生能量的機器都屬於此類 ^[11]  。

第二種永動機雖然沒有違反第一定律，卻因為採用某種使熵減少的方式將熱能轉換成機械能，而違反熱力學第二定律。微妙之處在於，上述現象並未伴隨他處熵的增加來平衡系統所減少的熵。如先前所述，第二定律的其中一種解釋是，熱能只會由高温處流向低温處。在這個過程中熵增加了，卻可以從中汲取出有用的功，去降低別處的熵，前提是別處減少的熵沒有超過系統熱量轉移所增加的熵。一部可以從熱物體汲取能量，卻不會同時讓熱能流向低温處的機器，就是試圖達成永動目標的裝置，例如麥克斯韋精靈 ^[11]  。

當然有許多裝置遵守這兩條熱力學定律，它們從一些不易察覺的外來能源獲取能量，例如大氣壓力、濕度或海潮等。這些並不是永動機，它們並未違反任何物理定律。讀者只需要釐清保持其運作的能源即可 ^[12]  。

某些裝置乍看之下不需要外接能源即可一直運轉下去，例如轉動的輪盤或擺動的單擺等裝置。實情並非如此。它們只是效率極高，初始能量不至於流失，而初始能量當然是裝置開始運轉不可或缺的。事實上，它們的運轉終將減慢下來，因為沒有任何機器可以達到100%的效率，而且不論潤滑多麼周到，總是有某種形式的阻尼效應存在，例如空氣阻力或機件之間的摩擦力等。因此，永動機原則上只在沒有能量流失到周遭環境的情況下才可能存在。任何企圖將能量汲取出來的嘗試，當然都會導致這類裝置停止運轉 ^[12]  。