永动机的诱惑

“魔轮”是由法国人亨内考在十三世纪提出的一种第一类永动机。其设计原理是基于力矩的不平衡。右侧重垂在重力作用下远离转动轴，力矩随之增大，驱动魔轮转动，但由于左侧重垂数量更多，平衡了系统力矩，永动无法实现。(图自维基)

想象一下，有一台机器一旦启动，就永不停歇地运转下去，不需要任何外部能量输入。这样的机器被称为永动机，它不仅是科学幻想的主题，更曾是许多发明家孜孜以求的梦想。

然而，这种令人着迷的想法在现实中却是不可能实现的，只能存在于人类幻想当中。

从古至今，许多智慧的头脑都尝试过设计出永动机。中世纪的学者设计了各种依赖杠杆和齿轮的装置，希望通过巧妙的机械设计实现永动。尽管这些设计充满了创造力，但在实践中都无法逃脱物理学的约束。

1920 年 10 月《大众科学》杂志关于永动机的封面

19 世纪，科学家们对永动机的兴趣达到了顶峰。人们设计了许多基于磁力和重力的装置，试图从自然界中提取无限的能量。这些尝试无一例外都失败了，但它们激发了科学家们对热力学和能量转化的深入研究，最终确立了我们今天所理解的物理定律。

永动机的两种类型

永动机主要分为两类，每一类都挑战了人类对物理定律的基本理解。

第一类永动机：这种类型的永动机是最早提出的永动机概念。这种机器试图在不获取任何外部能源的前提下，持续不断地向外界输出能量。换句话说，它试图凭空产生能量。

这种类型的机器违反了热力学第一定律——能量守恒定律。根据第一定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。换句话说，任何机器都不可能输出比输入更多的能量。

第二类永动机：这种类型的永动机声称可以完全将热能转化为机械能而不产生任何损失。

浮带（Float Belt）永动机，它的设计利用了浮力的概念。黄色的方块表示浮子。这些浮子在液体中具有浮力。设想中，浮子在环形带子的底部被推入液体中。一旦进入液体，浮子由于浮力作用会上升。浮子上升的过程会带动环形带子一起运动，从而推动带子循环转动。

这样试图完全转化能量而不产生损失，就违反了热力学第二定律——熵增定律。该定律告诉我们，在一个孤立系统中，能量的利用效率永远不会是 100%。总会有一些能量以热的形式散失(比如上面浮带系统中会存在摩擦和阻力)，这也是为什么所有这类机器都会逐渐停止运转。

热力学第一、第二定律不仅是理论上的推测，而是通过无数实验验证的结果。它们在所有已知情况下都成立，成为了人类理解自然界运行方式的基石。

科学与幻想的界限

科学的魅力就在于不断追问，不断探索，即使知道有些梦想永远只能停留在幻想中。

所以说，尽管永动机不可能实现，但它在科学史上也扮演了重要角色。永动机之梦激发了无数人的好奇心，推动了热力学和能量转化的研究，更深刻地理解了能量守恒和熵增定律的重要性，体会到科学思维的重要性。科学不是关于制造奇迹，而是关于理解和尊重自然界的规律。

2016年，科学家们发现了一种新的物质状态，被称为时间晶体。时间晶体与传统物质状态（固态、液态、气态、等离子态等）不同，具有独特的性质：在微观尺度上，时间晶体中的组成原子或粒子处于持续的重复运动中。这似乎符合“永动”的字面定义。然而，时间晶体并不构成传统意义上的永动机，因为它们处于量子的基态，无法从中提取能量来做功。因此，时间晶体并不违反热力学定律，而是揭示了一种新的量子现象。它的发现不仅拓展了人类对物质状态的理解，也为未来的量子技术应用提供了新的可能性。

在现实世界中，我们必须遵循自然界的法则，接受能量守恒和熵增的约束。理解这些基本定律，不仅更好地认识了宇宙的运行方式，才能学会如何在有限的资源中创造无限种可能。