Как работает вечный двигатель и существует ли он в реальности

Создать вечный двигатель человечество пытается с VIII века. К этому времени относится первая документально подтвержденная попытка: в Баварии построили магнитную конструкцию в виде колеса обозрения. На дворе XXI век, но вечный двигатель так и не изобретен. Почему? Разобраться помогут законы физики.

Perpetuum mobile на веревочке

Вечный двигатель — устройство, которое производит больше энергии, чем получает для работы извне. После запуска машина работает бесконечно долго за счет создания новой энергии. В теории.

Самое раннее известное описание вечного двигателя — колесо Бхаскары, индийского математика и астронома, который жил в XII веке. Он придумал колесо с полыми спицами, прикрепленными наискось по ободу и частично заполненными ртутью. В аналогах колеса Бхаскары вместо колб с ртутью предлагали перекатывать шарики или подвешивать молотки. По замыслу груз на одной стороне колеса всегда будет перевешивать груз на другой — и колесо якобы будет вращаться вечно.

Французский физик XIII века Пьер де Марикур в трактате, посвященном изучению свойств магнитов, оставил краткое описание и чертеж своего вечного двигателя: колесо, которое должно было вращаться за счет притяжения и отталкивания магнитных полюсов.

Эпоха Возрождения подстегнула поиски вечного двигателя — с использованием колес, магнитов, винтов Архимеда, ветряных и водяных мельниц. В 1635 году в Англии выдали первый патент на вечный двигатель. Леонардо да Винчи тоже провел несколько экспериментов, разочаровался и стал разоблачать создаваемые конструкции: «Искатели вечного двигателя, сколько тщетных химер вы преследовали! Займите место рядом с алхимиками».

Как и алхимики, изобретатели вечного двигателя в процессе сделали немало открытий. Леонардо да Винчи свои безуспешные попытки подытожил выводом: «Суммарный момент сил, вращающих колесо в одну сторону, в точности равен суммарному моменту сил, вращающих колесо в другую сторону». Фактически это примитивно изложенный закон сохранения механической энергии, который в современном виде в 1842 году сформулировал немецкий естествоиспытатель Роберт Майер, сам пытавшийся в юности создать вечный двигатель.

Энтузиастам критика была нипочем. В 1717 году проект саксонского инженера и алхимика Иоганна Бесслера прогремел на весь мир. Машиной заинтересовался император всероссийский Петр I, но планы нарушила его смерть. Заподозрили, однако, что колесо приводят в движение люди, дергая за специальный шнурок в соседней комнате. В качестве же «разоблачителя» Бресслера в истории со шнурком выступила его служанка. Впрочем, еще при жизни изобретателя было доказано, что она его оклеветала, но честное имя ученого было запятнано, и он разрушил машину. До сих пор неизвестно, как она работала.

Колесо Кулибина и планетарная батарея Теслы

С 1775 года Королевская академия наук в Париже перестала рассматривать предложения, касающиеся вечных двигателей. В Великобритании патенты на perpetuum mobile выдавали и в начале XX века, но в конце концов заявили, что изобретения «явно противоречат общепризнанным законам физики».

Однако идея вечного двигателя продолжала манить ученых. Легендарный русский механик-изобретатель Иван Кулибин до конца жизни пытался создать «самодвижимую машину»: сохранились его чертежи, которые описывали колесо с системой грузов. В 1817 году, за год до смерти, 82-летний Кулибин написал сенатору Илье Аршеневскому, что намерен продолжать эксперименты «скрытно, потому что некоторые ученые почитают соделать таковую машину невозможным и смеются с поношением над теми, кто во изыскивании сего изобретения упражняется».

Не устоял и американский изобретатель Никола Тесла. Он мечтал создать источник неисчерпаемой энергии, доступной каждому бесплатно. Тесла предлагал превратить в тепловой вечный двигатель саму планету.

Вразрез с законами физики

Построить вечный двигатель невозможно, поскольку его концепция противоречит закону сохранения механической энергии и началам (законам) термодинамики. Существует, тем не менее, классификация вечных двигателей. В физической науке принято выделять вечный двигатель двух типов.

Вечный двигатель первого рода представляет собой устройство, которое должно производить энергии больше, чем потребляет. Это противоречит первому началу термодинамики: энергию нельзя создать из ничего, ее общее количество в системе постоянно — меняется лишь состояние.

Вечный двигатель второго рода должен преобразовывать в механическую работу тепловую энергию, которую самопроизвольно получал бы от окружающих тел. Правда, по второму закону термодинамики тепло не уйдет от холодного к горячему без применения дополнительной энергии: тело с температурой 10 градусов не охладится от тела с температурой 20 градусов без вмешательства извне. Рано или поздно система придет в состояние температурного равновесия. Чтобы такой вечный двигатель работал, источник тепла придется подогревать.

Маятник в темном вакууме

Научного термина «вечный двигатель третьего рода» не существует. Однако вечным двигателем третьего рода называют машину, которая извлекала бы энергию из физического вакуума при абсолютном нуле температуры по шкале Кельвина и двигалась бы вечно после первоначального толчка из-за полного отсутствия трения. Возможно ли это? Разберем на примере простого маятника.

Раскачиваясь, маятник преодолевает сопротивление воздуха и преобразует часть своей энергии в очень слабое тепло. Значит, запас его внутренней энергии в конце концов иссякнет. Если поставить его в вакууме, движение остановит трение в опоре. Повесить маятник на идеальную опору? Его раскачивание затормозит давление света — фотоны будут ударяться об освещенную сторону маятника и противодействовать его движению.

Установить маятник в темном вакууме? Вечному движению помешает тепловое излучение от стенок камеры. Обеспечить в камере абсолютный ноль, или минус 273,15 градусов (что на практике, кстати, недостижимо)? Тормозом станет сила гравитации. Избавиться от гравитации нельзя — без нее маятник даже не качнется.

А все-таки он «вертится»?

Наука открывает все новые области для поисков бесконечной энергии. В 2012 году появилась концепция временны́х (темпоральных) кристаллов нобелевского лауреата 2004 года по физике Фрэнка Вильчека. Он представил идею материи, частицы которой существуют в пространстве и во времени, в котором они циклически меняют свою структуру, нарушая временную симметрию и возвращаясь в исходное положение без потерь и производства энергии. С точки зрения физики это и есть вечное движение.

Концепция Вильчека вызвала споры среди физиков, но квантовые темпоральные кристаллы удалось выявить в лабораторных условиях. Даже если не получится вечный двигатель, открытие обещает привести к прорыву в развитии квантовых компьютеров.

Возможен ли квантовый вечный двигатель? По словам Дмитрия Третьякова, последние эксперименты показывают, что обратимость законов квантовой механики и наличие квантовой корреляции не нарушают второго закона термодинамики — значит, говорить о создании квантового вечного двигателя преждевременно.