永久機関を求める者よ、あなたはどれほど多くの虚しいキメラを追い求めてきたのか。 錬金術師のような場所に行くがいい。
– レオナルド・ダ・ヴィンチ, 1494
孤立した系での永久運動は、熱力学の第一法則、熱力学の第二法則、またはその両方に違反しているという科学的なコンセンサスがあります。 熱力学の第一法則は、エネルギー保存の法則の一種です。 第2法則は、いくつかの異なる言い方があります。最も直感的な言い方は、「熱は暑いところから寒いところへ自然に流れる」というものです。ここで関連するのは、この法則が、巨視的なプロセスには必ず摩擦かそれに近いものがあることを観察しているということです。別の言い方をすれば、どんな熱機関（高温から低温へ熱を移動させながら仕事を生み出す機関）も、同じ2つの温度の間で作動するカルノー熱機関よりも効率的ではないということです。
つまり、以下のようになります。
- 孤立したシステムでは、新しいエネルギーを作り出すことはできません（エネルギー保存の法則）。
- 熱機関の出力仕事力は入力加熱力より常に小さい。
- 熱機関の出力仕事力は入力加熱力より常に小さく、供給された熱エネルギーの残りは周囲への熱として浪費されます。
- 実際の熱機関の効率は、摩擦を含むプロセスの速度から生じる不可逆性のため、カルノー効率よりもさらに低くなります。
2と3の記述は熱機関に適用されます。
熱力学の両法則を満たすために、従来とは異なるエネルギー源からエネルギーを得ている機械は、永久機関と呼ばれることがありますが、この名称の標準的な基準を満たしていません。 例えば、コックスの時計に代表されるように、昼夜の気圧差や温度差を利用して動く時計などの低消費電力の機械がある。
海流のような長寿命のエネルギー源からエネルギーを取り出す機械でも、そのエネルギー源が必然的に枯渇してしまいます。
ClassificationEdit
永久機関の1つの分類は、その機械が違反しているとする特定の熱力学の法則に基づいています：
- 第一種の永久機関は、エネルギーの入力なしに仕事を作り出します。
- 第2種の永久機関は、熱エネルギーを機械的な仕事に自発的に変換する機械です。 熱エネルギーが行われた仕事と同等であれば、これはエネルギー保存の法則に違反しません。 しかし、より微妙な熱力学の第二法則（エントロピーも参照）には違反している。 第2種の永久機関の特徴は、関係する熱貯蔵庫が1つだけで、より冷たい貯蔵庫への熱の移動を伴わずに、自然に冷却されていることである。
- 第3種の永久機関は、通常（常にではありませんが）、摩擦やその他の散逸力を完全に排除して、質量の慣性によって永久に運動を維持するものと定義されます（この場合の第3は、上記の分類体系における位置のみを意味し、熱力学の第3法則ではありません）。 このような機械を作ることは不可能です。というのも、システムがどれほどこの理想に近づいたとしても、機械システムにおいて散逸を完全になくすことはできないからです (低摩擦のセクションの例を参照)。
ImpossibilityEdit
「エピステミック・インポッシブル」とは、現在の物理法則の定式化の中では絶対に起こりえないことを表します。 不可能」という言葉のこの解釈は、閉鎖系における永久運動の不可能性の議論で意図されているものです。
保存則は数学的な観点から特に強固です。 1915年に数学的に証明されたノエテルの定理は、あらゆる保存則は、物理システムの作用の対応する連続的な対称性から導き出されるというものです。 エネルギー保存に相当する対称性とは、物理法則の時間不変性である。 したがって、物理法則が時間とともに変化しないのであれば、エネルギー保存が成り立つ。
物理法則が時間的に不変であるかどうかを科学的に調べるには、望遠鏡を使って遠い過去の宇宙を調べ、古代の星が現在の星と同じであったかどうかを、測定の限界まで調べます。
熱力学の原理は、理論的にも実験的にも非常によく確立されているので、永久機関の提案は、物理学者の間では誰もが不信感を抱いています。 永久機関の設計を提案することは、物理学者にとって有益な課題となります。 このような課題の難しさ（そして価値）は、提案の微妙さに依存しています。最も優れた提案は、物理学者自身の思考実験から生まれることが多く、物理学のある側面に光を当てることができます。 例えば、ブラウンラチェットが永久機関であるという思考実験は、1900年にガブリエル・リップマンによって初めて議論されましたが、マリアン・スモルフコフスキーがなぜそれが機能しないのかを適切に説明したのは1912年のことでした。 しかし、この12年間、科学者たちはこの機械が可能だとは思っていなかった。
「エントロピーは常に増大する」という法則は、自然界の法則の中でも最高の位置を占めていると思います。 もし誰かが、あなたの持論である宇宙論がマクスウェルの方程式と矛盾していると指摘したら、マクスウェルの方程式はもっと悪くなるでしょう。 観測によって矛盾することが判明した場合は、まあ、実験家は時々失敗するものです。 しかし、もしあなたの理論が熱力学の第二法則に反していることがわかったら、私はあなたに何の希望も与えられません；最も深い屈辱の中で崩壊する以外にないのです。
– Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature of the Physical World (1927)
19世紀半ば、Henry Dircksは永久機関の実験の歴史を調査し、不可能だと信じていることを試み続ける人々を激しく攻撃する文章を書きました。
「過去の時代の先見性のある計画を執拗に追求することは、嘆かわしいことであり、品位を落とし、ほとんど狂気の沙汰である。 永久運動の歴史は、中途半端に学んだ者、あるいは全く無知な者の愚行の歴史である」
– ヘンリー・ディルクス『永久運動。– Henry Dircks, Perpetuum Mobile: Or, A History of the Search for Self-motive (1861)
TechniquesEdit
いつの日か人間は、自分の装置を宇宙の輪業そのものに結びつけ、惑星を軌道に乗せて回転させる力そのものが、自分の機械を回転させるようになるだろう。
– ニコラ・テスラ
永久機関の設計には、いくつかの共通したアイデアが繰り返し登場します。 現在も登場している多くのアイデアは、1670年にチェスター司教で王立協会の役員だったジョン・ウィルキンスによって述べられたものです。
明らかなエネルギー源がなくても、遠くの動きに影響を与えることができる磁石の一見神秘的な能力は、長い間、発明家たちを魅了してきました。 磁気モーターの最も初期の例は、ウィルキンスによって提案され、それ以来、広く模倣されています。このモーターは、上部に磁石を備えた傾斜路で構成されており、この磁石が金属球を引っ張って傾斜路を登っていきます。 磁石の近くには小さな穴があり、ボールはタラップの下に落ちて底に戻り、フラップで再び上に戻るようになっていた。 しかし、これではうまくいかない。 この問題に直面して、現代のバージョンでは、一連のランプと磁石を使用し、ボールが移動する際に磁石から別の磁石に渡すように配置しています。
重力もまた、明白なエネルギー源なしに、離れたところで作用しますが、重力場からエネルギーを得るためには（例えば、重い物体を落として、落下するときに運動エネルギーを生み出す）、エネルギーを投入しなければならず（例えば、物体を持ち上げる）、その過程で必ずいくらかのエネルギーが散逸します。 重力を利用した永久機関の代表的な例としては、12世紀に作られたバスカラの輪がある。この輪は、「オーバーバランスの輪」と呼ばれるように、移動する重りを輪に取り付け、輪の回転の半分は中心から離れた位置に、残りの半分は中心に近い位置に落下させる。 重りが中心から離れているほど大きなトルクがかかるので、車輪は永遠に回転すると考えられていました。 しかし、中心から離れた方の重りの数が少ないので、その瞬間にトルクが均衡し、永久に動き続けることはないのです。 移動する重りは、回転する腕の上のハンマーでも、転がるボールでも、管の中の水銀でも、原理は同じです。
もう1つの理論的な機械は、摩擦のない環境で運動するものです。 これは、反磁気的または電磁的な浮揚を利用して物体を浮かせるものです。 これは、空気の摩擦や車軸の摩擦をなくすために、真空中で行われます。 浮遊した物体は、その重心を中心に自由に回転する。 しかし、この機械は、回転した物体に仕事をさせることができないため、実用的ではありません。仕事をするためには、浮上した物体が他の物体に運動を起こさなければならず、摩擦が問題となります。
熱から仕事を引き出し、第二種の永久機関を作るために、（少なくともマクスウェルの悪魔にまで遡る）最も一般的なアプローチは一方向性です。 十分な速さで正しい方向に動いている分子だけが、悪魔のトラップドアを通過することができます。 ブラウン管のラチェットでは、ラチェットを一方向に回転させようとする力は可能であるが、他方向の力は不可能である。 熱槽の中のダイオードは、一方の方向の電流を通し、他方の方向の電流を通さない。 これらのスキームは通常 2 つの方法で失敗します。一方向性を維持するにはエネルギーが必要になる (マクスウェルの悪魔は、分子の速度を測定するために、引き起こされる温度差によって得られるエネルギー量よりも多くの熱力学的な仕事を行う必要がある)、または一方向性は幻想であり、時々起こる大きな違反が頻繁に起こる小さな非違反を補う (ブラウンラチェットは内部ブラウン力を受けるため、時々間違った方向に回転する)。
浮力もまた、よく誤解される現象です。 提案されている永久機関の中には、流体中の空気の体積を押し下げるには、対応する流体の体積を重力に逆らって上昇させるのと同じ仕事が必要であるという事実を見逃しているものがあります。 この種の機械には、ピストンを備えた2つの部屋があり、上の部屋から下の部屋に空気を絞り出す機構があり、空気は浮力を得て上に浮く。
これらの設計における絞り機構は、空気を下に移動させるのに十分な仕事をすることができないか、または抽出できる余剰の仕事を残さないでしょう。