Как называется настольный вечный двигатель

Как это работает: вечный двигатель

Люди всегда мечтали получить что-нибудь даром, будь то бесплатное пиво, стратегия выигрыша в казино или энергия из вакуума. Вечные двигатели изобретают с глубокой древности. И хотя физики давно выяснили, что выработать что-то из ничего нельзя, энтузиастов это не останавливает

Текст: Александр Сергеев

КЛАССИФИКАЦИЯ

Вечных двигателей не существует. Тем не менее они делятся на несколько типов.

Вечные двигатели первого рода претендуют на создание энергии из ничего в нарушение первого начала термодинамики (закон сохранения энергии). Не работают.

Вечные двигатели второго рода пытаются многократно использовать однажды уже потраченную энергию, нарушая второе начало термодинамики (принцип неубывания энтропии, или беспорядка). Не работают.

Мнимые вечные двигатели незаметно подпитываются энергией из внешней среды. Работают, но ложно выдаются за вечные двигатели.

Жульнические вечные двигатели создают впечатление работающего perpetuum mobile за счет спрятанного источника энергии. Работают, но вечными двигателями не являются.

МЕХАНИЧЕСКИЙ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Perpetuum mobile первого рода

Одна из ранних моделей вечного двигателя. Слева от оси грузов больше, чем справа. С первого взгляда кажется, что левая часть всегда перевешивает, заставляя колесо крутиться. Наверху грузы переваливаются справа налево, и движение продолжается вечно. Но при более внимательном рассмотрении видно, что, хотя грузов справа и меньше, у них больше рычаг, и именно правая сторона может перевешивать.

На самом деле . Истина, как водится, посередине: грузы с двух сторон уравновешивают друг друга, и колесо, немного покачавшись, попросту остановится.

ПОПЛАВКОВЫЙ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Perpetuum mobile первого рода

Боги заставили Сизифа тащить в гору камень, который срывался и катился вниз. Изобретатели этого двигателя решили, что закон Архимеда может работать не хуже наказанного царя Коринфа. Связанные в цепочку запаянные поплавки всплывают в воде, а на воздухе опускаются под действием силы тяжести, вращая соединенные с ними колеса.

На самом деле . Проблема в том, что при входе в воду поплавки должны преодолеть ее сопротивление и приподнять всю цепочку, чтобы высвободить для себя место. На это уходит ровно столько же энергии, сколько «вырабатывает» двигатель. Без участия богов лишней энергии не получится.

КАПИЛЛЯРНЫЙ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Perpetuum mobile первого рода

Сила тяжести не дает покоя многим изобретателям вечных двигателей: если хитрым образом преодолеть ее без затрат энергии, а потом сбросить поднятый груз, то на выходе получится «бесплатная» работа. Например, можно заставить воду подниматься из бассейна в стоящий на возвышении сосуд за счет капиллярного эффекта. Из емкости вода будет выливаться обратно в бассейн и крутить колесо.

На самом деле . До определенной высоты вода действительно сама движется вверх, но вот капать в верхнюю емкость она не станет — жидкость удержит тот же капиллярный эффект, который поднял ее из бассейна.

ДЕМОН МАКСВЕЛЛА

Perpetuum mobile второго рода

Крошечное разумное существо, которое сидит в стакане, разделенном перегородкой, и поднимает ее, чтобы пропустить быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую, придумал человек, максимально далекий от вечных двигателей. Великий физик Джеймс Максвелл вряд ли предполагал, что изобретатели perpetuum mobile по-своему оценят потенциал созданного им демона. Конечно, они выдумывали вместо этого мифического существа всевозможные механизмы, в том числе и с наномоторами, но суть оставалась неизменной: сделать так, чтобы в одной части сосуда молекулы двигались быстрее, чем в другой, а из возникшего перепада температуры и давления получить энергию.

На самом деле . Эта заманчивая схема вполне может работать, но только при наличии настоящего демона. Без него на сор тировку молекул придется тратить энергию, что лишает всю затею смысла.

ВЕЧНЫЕ ЧАСЫ

Мнимый perpetuum mobile

В 1864 году новозеландский часовщик, математик и астроном Артур Беверли построил часы, идущие без подзавода по сей день. Правда, их несколько раз останавливали для чистки, а однажды они встали сами, но потом вновь начали отсчитывать время. Конструкция хронометра очень проста. В резервуаре с маслом и воздухом плавает грузик, который поднимается и опускается при изменении уровня масла. Движения грузика взводят пружину часов.

На самом деле . Все законы физики строго соблюдаются, но часы Беверли не вечный двигатель. Они незаметно подпитываются энергией из окружающей среды — уровень масла изменяется в зависимости от атмосферного давления и температуры.

ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Мнимый perpetuum mobile

Фактически это холодильник, поставленный камерой в окно, а радиатором в комнату. На обогрев помещения поступает тепло — не только выработанное за счет электричества, но и «высосанное» из холодной окружающей среды. Комната получает в 3–5 раз больше энергии, чем тратится электричества!

На самом деле . Из обогревателя с КПД выше 100% вышел бы отличный вечный двигатель, если бы не одно «но». Переход электричества в тепло необратим, и извлечь из лишних градусов прежнее количество электроэнергии нельзя. Так что отапливать дом холодильником задаром не получится, хотя сэкономить можно прилично.

ГЕНЕРАТОР БЕДИНИ

Жульнический perpetuum mobile (первого рода)

В 1984 году американский электрик Джон Бедини закрепил на колесе магниты, поставил рядом индукционную катушку и пару аккумуляторов. Когда магнит приближался к катушке, он возбуждал в ней ток, заряжающий аккумулятор. А когда удалялся, электроника подключала другой аккумулятор, который питал катушку, отталкивал магнит и раскручивал колесо. Через некоторое время батареи менялись местами. Бедини утверждал, что заряд батарей полностью восстанавливается, а колесо может совершать дополнительную работу за счет «свободной энергии» неизвестной науке природы.

На самом деле . На практике колесо, разумеется, останавливалось, но с хорошими аккумуляторами крутилось достаточно долго, чтобы впечатлить дилетантов и убедить их заплатить за набор для сборки вечного двигателя в домашних условиях.

А ЧТО СЕЙЧАС?

Сегодня упоминать о вечных двигателях — моветон даже в кругу их изобретателей. В моде эвфемизм «свободная энергия», которая поступает из неведомого источника.

Характерный пример — генератор Сёрла, с виду похожий на большой подшипник. Он якобы создает магнитное поле, за счет которого система самораскручивается. При этом возникает антигравитация, и вся конструкция взлетает. Изобретатель, которому уже за 80, любит рассказывать, что идея генератора пришла к нему во сне, когда он был подростком. Источник загадочной энергии Джон Сёрл описывает смутно: то ли это эфир, то ли субатомные частицы.

У Сёрла много последователей, в том числе и в России. Они переводят ему пожертвования и приобретают дополнительную техническую информацию через сайт. Однако доход изобретателя скромен, и Сёрл уверен, что против него работает заговор энергетических компаний. По иску одной из них он был обвинен в том, что воровал электроэнергию по спрятанному в стене кабелю.

Источник

Почему работает «вечный» двигатель Ларри Спринга?

На окне одного из магазинов округа Мендосино в Калифорнии уже почти четверть века крутится забавный и удивительный механизм, долгое время являющийся одной из настоящих достопримечательностей этого места. Что же такого необычного в простом, казалось бы, устройстве?

Рассмотрим его поподробнее.

На первый взгляд – это обыкновенный, привычный даже, всем электромотор – статор и ротор. Но почему от него не ведут провода? И почему ротор, в буквальном смысле слова, висит в воздухе? И, самое невероятное – почему этот мотор крутится?

Изготовил и разработал этот механизм Ларри Спринг, изобретатель и популяризатор науки в прошлом веке, а именно летом 1994 года. А название скромный изобретатель дал ему в честь округа, где жил.

Мендосинский мотор – слабомощный бесколлекторный магнитно-левитационный мотор, работающий от солнечного света. Выдает он немного – несколько Вт, но этого вполне хватает, чтобы моторчик крутился почти вечно – с одним условием -пока на него падает свет.

Статор представляет собой постоянный магнит, ротор – «скелет» с размещенными по кругу солнечными батареями и катушками . Ротор «висит» над подставками с помощью кольцевых магнитов, используя метод магнитной левитации. Это сделано для уменьшения трения, которое неизбежно возникает даже в самых лучших подшипниках.

Под действием фотонов, солнечная батарея вырабатывает слабый ток, бегущий по катушке ротора. В катушке возникает магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянного магнита статора, и эта работа дает толчок, необходимый для вращения. Следующая батарея попадает под свет, в следующей катушке возникает магнитное поле. и все повторяется заново. Моторчик работает!

Пусть мендосинский моторчик Ларри Спринга не является «вечным двигателем», и его нельзя использовать для получения энергии в промышленных масштабах, все же такие люди как Спринг делаю наш мир чуточку лучше, а науку – занимательней и веселей.

Сегодня любой желающий может самостоятельно сделать такой «вечный двигатель» и поставить его себе на окно.

Если вам понравился материал, пожалуйста, ставьте лайки и подписывайтесь на канал. Это не сложно и бесплатно, но очень важно для развития «НМ».

Источник

Вечный двигатель: возможен ли он

Проблема создания вечного двигателя будоражит умы ученых уже не одну сотню лет, и с завидной регулярностью тот тут, то там всплывает «сенсационная» информация о том, что кому-то удалось создать этот вечный двигатель.

Давайте попытаемся разобраться, почему до сих пор не собрали реально работающий вечный двигатель и возможен ли он в принципе.

Типы вечных двигателей

Вечные двигатели можно условно разделить на два типа:

  • Первый тип — это изделия, которые своей работой нарушают сразу два закона: Первый и Второй законы термодинамики.
  • Второй тип — это изделия, которые своей работой подвергают сомнению только Второй закон термодинамики.

Для примера давайте рассмотрим вот такой вариант невозможного двигателя:

Возьмем условный металлический шарик, и разместим его между разноименными полюсами сильного магнита.

При этом допустим, что изначально массивный металлический экран заслоняет шар от одного из полюсов под номером № 1, тогда под силой электромагнитного притяжения металлический шар начнет двигаться к полюсу под №2.

Как только шар приблизится к полюсу №2, экран перед полюсом №1 опускается, а экран перед полюсом №2 наоборот поднимается.

В результате этого металлический шар поменяет свое направление движения и начнет перемещаться к полюсу №1.

Читайте также:  Какой двигатель у кавз 3976

Так вот энергия будет извлекаться из самого катящегося шара, а если эти экраны расположены на концах такого балансира, то на их опускание и поднимание не будет тратиться энергия.

Вроде все красиво и по идее такой двигатель вполне может работать неограниченное время.

Главный недостаток подобного двигателя заключен в том, что при перемещении металлического экрана в магнитном поле в нем будет возникать электрический ток согласно закону электромагнитной индукции Фарадея.

Это в свою очередь означает, что в системе будет происходить утечка энергии по причине работы закона Ома.

Легко представить, что если магниты имеют достаточную силу, чтобы заставить перемещаться металлический шар, то будут также достаточно сильны, чтобы спровоцировать большие потери сопротивления в металлических экранах при их перемещении в магнитном поле.

Именно по этой причине такой привлекательный двигатель просто напросто не будет работать.

Это наиболее простой вариант «вечного двигателя», но на его примере можно понять, что на первый взгляд идеальный двигатель на поверку не будет работать, если не учесть все факторы, оказывающие влияние на него.

Но энтузиастов, создающих такие двигатели все не убавляется, поэтому еще в середине 20-го столетия, патентное бюро США, которое было просто завалено заявками, выдвинуло следующее требование к проектам вечных двигателей.

Вместе с технической документацией на получение патента обязательно предъявлять опытный рабочий образец.

После ввода такого требования шквал заявок иссяк полностью.

Конечно, я не берусь утверждать, что вечные двигатели невозможны в принципе. Скорее они невозможны с нашими современными технологиями.

Возможно, инженеры будущего в корне перевернут все существующие теории и напишут новую физику. Но пока реалии таковы, что вечный двигатель всего лишь несбыточная мечта.

А как вы считаете? Напишите об этом в комментариях, а также не забудьте про лайк и репост.

Источник

Вечный двигатель

Вечный двигатель Править

В классическое романе Айзека Азимова «Сами боги» никому не известный химик случайно наталкивается в 2070 г. на величайшее открытие всех времен — электронный насос, который позволяет даром получать неограниченное количество энергии. Его открытие оказывает на жизнь человечества немедленное и глубокое действие. Автора объявляют величайшим ученым всех времен — ведь он сумел утолить постоянную жажду энергии, которая владеет нашей цивилизацией. «Он стал в глазах всего мира Санта-Клаусом пополам с лампой Аладдина», — писал Азимов. Организованная им компания мгновенно вытесняет с рынка нефть, газ, уголь и ядерную энергетику и вскоре становится одной из богатейших корпораций планеты.

Мир купается в даровой энергии и пьянеет от новообретенного могущества. В общем праздничном гомоне тонет тревожный вопрос одинокого физика, обращенный к самому себе: «Откуда же берется вся эта бесплатная энергия?» Через некоторое время ему удается отыскать ответ и раскрыть тайну. Оказывается, цена бесплатной энергии ужасна. Энергия приходит к нам через дыру в пространстве, которая соединяет нашу Вселенную с параллельной вселенной, и неожиданный приток энергии в нашу Вселенную послужил спусковым механизмом для цепной реакции, которая со временем уничтожит звезды и галактики, обратит Солнце в сверхновую и погубит Землю,

С незапамятных времен священным Граалем всех изобретателей, ученых, а также шарлатанов и мошенников Земли был сказочный «вечный двигатель» — устройство, способное работать бесконечно без всякого расхода энергии. Еще лучше, разумеется, если это устройство способно производить больше энергии, чем потребляет, —как и делает у Азимова электронный насос, производя бесплатную энергию в неограниченных количествах.

В недалеком будущем, когда в нашем индустриализированном мире постепенно закончится дешевая нефть, возникнет настоятельная необходимость отыскать достаточное количество новых источников чистой энергии, Быстрый взлет цен на бензин, падение производства, загрязнение окружающей среды — эти и многие другие факторы подпитывают возродившийся в последнее время активный интерес к энергетике.

Сегодня кое-кто из изобретателей, оседлавших эту волну, снова обещает энергию бесплатно и в неограниченных количествах и предлагает продать свое изобретение сотням миллионов. Десятки инвесторов периодически становятся в очередь, привлеченные сенсационными заголовками финансовых СМИ, которые часто превозносят этих проходимцев и объявляют их новыми Эдисонами.

Идея вечного двигателя чрезвычайно популярна. В одном из эпизодов сериала «Симпсоны» Лайза во время забастовки учителей строит собственный вечный двигатель. Гомер, узнав об этом, строго одергивает ее: «Лайза, слушай сюда. в этом доме все подчиняются законам термодинамики!»

В сюжетах компьютерных игр, таких как Sims, Xenosaga I и II и Ultima IV, а также в мультсериале «Зим Завоеватель» вечному двигателю тоже отведена важная роль.

Но если энергия так ценна, то нельзя ли реально оценить наши шансы на создание вечного двигателя? Действительно ли подобные устройства невозможны или можно предположить, что для их создания потребуется пересмотреть законы физики?

===== История в зеркале энергии =====

Любой цивилизации жизненно необходима энергия. Более того, всю историю человечества в принципе можно рассматривать как историю энергетики. На протяжении 99,9% времени существования человечества примитивные сообщества вели кочевую жизнь, с трудом добывая пропитание охотой и собирательством. Жизнь человека была жестокой и короткой. Из энергии ему доступка была одна пятая лошадиной силы — сила его собственных мускулов. Исследование костных останков наших предков говорит о том, что человеку в те времена, чтобы выжить, приходилось выдерживать огромные нагрузки. Средняя ожидаемая продолжительность жизни составляла меньше 20 лет.

Но около 10 000 лет назад, после окончания последнего ледникового периода, люди открыли для себя земледелие и одомашнили животных, в первую очередь лошадь. Постепенно доступная человеку энергия выросла до одной или двух лошадиных сил. Это послужило толчком для первой великой революции в истории человечества. Упряжное животное—лошадь или бык — давало человеку достаточно энергии, чтобы в одиночку вспахать целое поле, проехать за день не один десяток миль, перевезти с места на место несколько сотен фунтов камней или зерна. Впервые в истории у людей появился избыток энергии — а в результате возникли первые города. Избыток энергии означал, что общество уже может прокормить целый класс специалистов: ремесленников, зодчих, строителей и писцов. Расцвели древние цивилизации. В джунглях и пустыне поднялись к небу великие пирамиды, возникли империи. Средняя ожидаемая продолжительность жизни достигла примерно 30 лет.

Около 300 лет назад произошла вторая великая революция в истории человечества — на помощь ему пришел пар. С появлением паровых машин уровень энергии, доступный одному человеку, подскочил до десятков лошадиных сил. Обуздав силу пара и заставив его вертеть колеса, человек теперь мог за несколько дней пересечь целый континент. Машины распахивали огромные поля и перевозили сотни пассажиров на тысячи километров; машины позволили нам построить громадные города из высотных зданий. К 1900 г. ожидаемая продолжительность жизни в Соединенных Штатах почти достигла 50 лет.

Сегодня мы можем наблюдать вокруг третью великую революцию в истории человечества — информационную. Взрывной рост населения, ненасытная жажда электричества и энергии привели к тому, что наша потребность в энергии подскочила до небес, а ее источники близки к истощению. Энергия, доступная отдельному человеку, теперь измеряется тысячами лошадиных сил. Нам кажется естественным, что один-единственный автомобиль может развивать мощность, соответствующую сотням лошадиных сил. Не удивительно, что растущая потребность в энергии подогревает интерес к нетрадиционным и неистощимым ее источникам, включая и вечный двигатель.

===== Вечный двигатель в истории =====

Поисками вечного двигателя люди занимались еще в глубокой древности. Первая документально подтвержденная попытка построить это чудо техники имела место в Баварии в VIII в. Изобретенная тогда машина стала на протяжении следующего тысячелетия прототипом для бесчисленных вариантов. Основой конструкции служило колесо с подвешенными на нем небольшими магнитами, напоминающими кабинки на колесе обозрения. Само это колесо помещали над лежащим на полу гораздо более мощным магнитом. Предполагалось, что при вращении колеса каждый магнит будет сначала притягиваться к неподвижному большому магниту, затем отталкиваться от него, заставляя колесо вращаться и создавая таким образом вечное движение.

Еще одна хитроумная схема была изобретена в 1150 г. в Индии. Философ Бхаскара предложил изготовить колесо, которое должно было вращаться вечно. Предполагалось, что подвешенные к ободу дополнительные несбалансированные грузы будут постоянно раскручивать колесо, Опускаясь, груз произведет работу и провернет колесо, а затем вернется на свое место. Бесконечно повторяя этот цикл, утверждал Бхаскара, можно заставить колесо работать неограниченное время.

Баварская схема и схема Бхаскары, как и другие проекты вечного двигателя, во многом схожи; во всех присутствует колесо, способное без приложения энергии совершить один оборот и произвести при этом некую полезную работу. (Тщательное изучение этих хитроумных машин, как правило, показывает, что на самом деле в каждом цикле наблюдается потеря энергии.)

Эпоха Возрождения подстегнула усилия изобретателей и умножила число предложенных проектов. В 1635 г. был выдан первый патент на вечный двигатель. В 1712 г. Иоганн Бесслер, изучив предварительно около 300 схем, предложил собственную модель. (По легенде, его служанка позже разоблачила его машину как хитрое мошенничество.) Вечным двигателем интересовался даже великий художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. На людях он разоблачал проекты вечного двигателя, сравнивая попытки его создания с поисками философского камня, а тайком рисовал в тетради сложные схемы самодвижущихся машин, таких как центробежный насос и самокрутящийся вертел.

К1775 г. было предложено столько всевозможных вариантов, что Королевская академия наук в Париже постановила «не принимать больше и не рассматривать заявки, имеющие отношение к вечному движению».

Историк Артур Орд-Хьюм, изучающий проекты вечного двигателя, писал о фанатичной преданности изобретателей своей идее, об их невероятном упорстве и сравнил их с древними алхимиками. Но, заметил он, «даже алхимик. понимал, когда надо признать поражение».

===== Розыгрыши и подделки =====

Стимулы к изобретению вечного двигателя были настолько сильны, что мошенничество и обман в этом вопросе стали обычным делом. В 1813 г. Чарльз Редхеффер продемонстрировал в Нью-Йорке машину, которая, к изумлению зрителей, производила даровую энергию в неограниченных количествах. (Но Роберт Фултон, тщательно обследовав машину, обнаружил скрытую ременную передачу, при помощи которой машина приводилась в движение. Передача шла на чердак, где спрятанный человек крутил ворот.)

Ученым и инженерам тоже случалось становиться жертвой всеобщего энтузиазма. В 1870 г. редакторы журнала Scientific American тоже были обмануты вечным двигателем, который построил некий Э. Уиллис. Журнал поместил статью под сенсационным заголовком «Величайшее открытие в истории человечества». Только позже удалось обнаружить, что у машины Уиллиса тоже был скрытый источник энергии.

Читайте также:  Устранили проблему стука двигателя поло седан

В 1872 г. некий Джон Эрнст Уоррел Келли провернул самую сенсационную и самую выгодную аферу своего времени; он обобрал инвесторов на 5 млн долл. — громадную по тем временам сумму. Его вечный двигатель состоял из камертонов, которые резонировали и, по утверждению автора, поддерживали связь с «эфиром». Оттуда машина и черпала будто бы свою энергию. Келли не имел никакого научного опыта; обыкновенно он приглашал потенциальных инвесторов к себе домой и поражал их своим гидропневмовакуумно-пульсационным двигателем, который при этом жужжал и крутился без всяких внешних источников энергии. Инвесторы, изумленные видом самодвижущейся машины, спешили пополнить своими деньгами казну изобретателя.

Позже кое-кто из разочарованных инвесторов обвинял Келли в мошенничестве; он даже провел некоторое время в тюрьме, что не помешало ему умереть богатым человеком. После смерти изобретателя инвесторы открыли хитроумный секрет его машины. Когда дом Келли разобрали по кирпичику, в стенах и полах обнаружились трубы, при помощи которых к машине из подвала тайком подавался сжатый воздух.

Даже ВМФ и президент США пали однажды жертвой подобного обмана. В 1881 г. Джон Гэмджи изобрел машину на жидком аммиаке. Испарение холодного аммиака должно было вызывать расширение газов и движение поршня, а значит, и работу машины за счет — ни много ни мало — тепла земных океанов. Военных моряков так захватила идея добывать неограниченное количество энергии прямо из океана, что они одобрили конструкцию машины и показали образец президенту Джеймсу Гарфилду. Единственная проблема состояла в том, что аммиак не хотел должным образом конденсироваться и превращаться обратно в жидкость — поэтому цикл никак не удавалось замкнуть.

Бюро патентов и торговых марок США, всегда получавшее очень много проектов вечного двигателя, отказалось выдавать патенты, пока не будет представлена действующая модель машины. Иногда — в очень редких случаях, когда эксперты не в состоянии обнаружить в представленной машине никаких дефектов, — патент все-таки выдается. В правилах Бюро сказано: «За исключением тех случаев, когда речь идет о вечном движении, Бюро не требует обязательного представления модели для демонстрации работоспособности устройства». (Недобросовестные изобретатели иногда пользуются этой лазейкой, чтобы показать наивным инвесторам, что Патентное бюро официально признает вечные двигатели; в этом случае инвесторы охотнее финансируют подобные изобретения.)

Тем не менее с научной точки зрения поиски вечного движения не были совсем уж бесплодными. Напротив, хотя ни одному изобретателю не удалось представить миру вечный двигатель, неустанная погоня за этим сказочным устройством — трудно представить, сколько времени и энергии было на это потрачено, — помогла физикам тщательно изучить природу тепловых двигателей. (Точно так же, как бесплодные поиски философского камня, способного превращать свинец в золото, помогли открыть некоторые фундаментальные законы химии.)

К примеру, в 1760-х гг. Джон Кокс изобрел часы, которые на самом деле способны работать вечно, получая энергию от изменений атмосферного давления. Эти изменения улавливает барометр, который затем передают энергию на вращение часовых стрелок. Эти часы вполне работоспособны; такие модели существуют и сегодня. Они могут идти вечно, так как получают энергию извне в форме изменений атмосферного давления.

Вечные двигатели, подобные часам Кокса, со временем привели ученых к мысли о том, что машина—любая машина — может работать вечно только в том случае, если получает энергию извне; а это означит, что суммарная энергия сохраняется. Из этой теории берет начало первый закон термодинамики; он состоит в том, что совокупность вещества и энергии невозможно ни создать, ни уничтожить. Позже были установлены три закона термодинамики. Второй закон утверждает, что суммарная энтропия (количество беспорядка) всегда возрастает. (Грубо говоря, этот закон говорит, что тепло может спонтанно передаваться только от более горячих объектов к более холодным.) Третий закон утверждает, что достичь абсолютного нуля невозможно.

Если сравнить Вселенную с игрой, а целью игры объявить извлечение энергии, то три закона термодинамики можно сформулировать следующим образом:

«Невозможно получить что-то из ничего» (первый закон).

«Невозможно поделить поровну» (второй закон).

«Невозможно выйти из игры» (третий закон).

(Физики очень осторожны; они заявляют, что эти законы не обязательно абсолютно верны при любых обстоятельствах. Тем не менее никаких отклонений от них до сих пор не обнаружено. Любому, кто захочет опровергнуть эти законы, придется выступить против нескольких веков тщательных научных наблюдений и экспериментов. Мы еще обсудим возможные отклонения от этих законов.)

Три закона термодинамики, как и многие высшие достижения науки XIX в., отмечены не только триумфом побед, но и человеческой трагедией. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, сыгравший значительную роль в формулировании этих законов, покончил с собой — отчасти из-за противоречий, возникших в связи с их появлением.

===== Людвиг Больцман и энтропия =====

Больцман был невысоким здоровяком с бочкообразной грудью и громадной спутанной бородой. Однако за внушительной и даже пугающей внешностью скрывалась ранимая душа; а ран, защищая научные идеи, ему приходилось получать много. Хотя к XIX в. принципы ньютоновской физики уже прочно утвердились в науке, Больцман понимал, что никто еще не пытался применить известные законы к противоречивой концепции атомного строения вещества — концепции, которую тогда принимали далеко не все ведущие ученые. (Мы иногда забываем, что всего сто лет назад многие ученые упрямо верили, что атом вовсе не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Атомы настолько малы, утверждали они, что, скорее всего, их вовсе не существует.)

Ньютон показал, что движение любых объектов определяют механические силы, а не духи и не желания людей. Больцман воспользовался этим и элегантно вывел многие законы для газов при помощи простого предположения: он считал, что газы состоят из крошечных атомов, которые движутся подобно бильярдным шарам и подчиняются ньютоновым законам сил. Для Больцмана комната, наполненная газом, была подобна коробке с триллионами крошечных стальных шариков, каждый из которых отскакивал от стенок коробки и от других шариков согласно ньютоновым законам движения. Больцман (и независимо от него Джеймс Клерк Максвелл) сделал величайший научный прорыв, когда математически показал, как из этого простого предположения можно вывести поразительные новые законы. Тем самым он положил начало новому направлению в физике — статистической механике.

Внезапно оказалось, что при помощи нескольких базовых принципов можно объяснить многие свойства вещества. Поскольку законы Ньютона требовали, чтобы энергия сохранялась даже в приложении к атомам, каждое столкновение между атомами должно было проходить с сохранением общей энергии; это, в свою очередь, означало, что для газа в комнате, со всеми все его триллионами атомов, энергия также сохранялась. Получалось, что закон сохранения энергии теперь можно не только получить экспериментальным путем, но и теоретически вывести из базовых принципов а именно из ньютоновского движения атомов.

Но в XIX в. само существование атомов все еще было под сомнением; даже видные ученые (к примеру, философ Эрнст Мах) не считали зазорным оспаривать и нередко даже высмеивать теорию атомного строения вещества. Больцман, человек ранимый и склонный к депрессии, вдруг обнаружил себя этаким общим громоотводом, главной мишенью для атак, нередко очень злых, всех противников атомной теории. Для них все, что нельзя измерить, — в том числе и атомы — просто не существовало. К унижению Больцмана добавлялось еще и то, что редактор видного немецкого физического журнала отвергал многие его статьи; редактор этот настаивал, что атомы и молекулы представляют собой скорее чрезвычайно удобный теоретический инструмент, чем реальные существующие в природе объекты.

Не выдержав всех этих нападок, в том числе и сугубо личных, в 1906 г. Больцман повесился, выбрав время, когда его жена с ребенком были на море. Очень печально, что этот выдающийся человек так и не понял, что год назад дерзкий молодой физик по имени Альберт Эйнштейн совершил невозможное: он написал первую статью, наглядно доказывающую существование атомов.

===== Суммарная энтропия всегда возрастает =====

Труды Больцмана и других физиков помогли прояснить природу вечного двигателя и даже разбить все существующие их схемы на два типа. Вечный двигатель первого типа нарушает первый закон термодинамики; это означает, что он попросту производит больше энергии, чем потребляет. В любом из подобных вечных двигателей физикам при тщательном исследовании физики удавалось обнаружить скрытые внешние источники энергии. Это могло быть как сознательным мошенничеством, так и результатом ошибки изобретателя.

Вечный двигатель второго типа — штука более сложная. В этих машинах соблюдается первый закон термодинамики, т. е. сохраняется энергия, но нарушается второй закон. Теоретически в вечном двигателе второго типа [31] нет потерь тепла, поэтому он эффективен на 100%. Но второй закон термодинамики говорит, что такая машина невозможна — потери тепла должны быть обязательно, а количество беспорядка во Вселенной, иначе энтропия, всегда возрастает. Какой бы эффективной ни была машина, часть тепла непременно теряется, повышая таким образом энтропию Вселенной.

Тот факт, что суммарная энтропия всегда возрастает, лежит в самом сердце человеческой истории, да и матери-природы тоже. В сущности второй закон говорит нам, что ломать гораздо проще, чем строить. Иногда то, что создавалось тысячи лет, как, например, великая империя ацтеков в Мексике, может быть разрушено за несколько месяцев; именно так произошло, когда потрепанная банда испанских конкистадоров с лошадьми и огнестрельным оружием потрясла основы империи и полностью разрушила сложный механизм.

Отмечая глубинную природу второго закона термодинамики, астроном Артур Эддингтон однажды сказал: «Мне кажется, что закон возрастания энтропии стоит выше других законов природы. если оказывается, что твоя новая теория противоречит второму закону термодинамики, оставь надежду; перед этим законом остается только униженно пасть».

Даже сегодня предприимчивые инженеры (и талантливые шарлатаны) продолжают время от времени изобретать вечный двигатель. Не так давно Wall Street Journal попросил меня высказать свое мнение о работе одного изобретателя, который успел уже убедить инвесторов вложить в изобретенную им машину миллионы долларов. В крупных финансовых газетах появились восторженные статьи; журналисты, ничего не смыслящие в науке, с придыханием писали о том, что это изобретение способно изменить мир (и, разумеется, принести попутно инвесторам сказочную, немыслимую прибыль). «Гений или безумец?» — кричали заголовки.

Читайте также:  Схема топливного насоса высокого давления дизельных двигателей

Инвесторы радостно спешили вложить деньги в новую машину— а она, между прочим, нарушала базовые законы физики и химии, изучаемые в средней школе. (Меня шокировало даже не то, что кто-то пытался обмануть неосторожных и оставить их с носом — подобными вещами люди занимались испокон веков. Удивительно другое: как легко удалось этому изобретателю обмануть богатых инвесторов и как плохо большинство людей понимает элементарную физику.) Я ответил журналу известной пословицей: «Дурак легко расстается с деньгами» и любимым афоризмом Финеаса Барнума: «Каждую минуту на Земле рождается простофиля». Наверное, не стоит удивляться тому, что Financial Times, Economist и Wall Street Journal дружно напечатали большие редакционные статьи о разных изобретателях и их замечательных вечных двигателях.

===== Три закона термодинамики и симметрия =====

Но все вышесказанное рождает и более глубокий вопрос: а почему, собственно, должны работать эти непогрешимые законы термодинамики? Эта загадка занимала ученых с того самого момента, когда эти законы были впервые сформулированы. Не исключено, что, зная ответ на этот вопрос, мы могли бы отыскать в законах термодинамики лазейки и сделать новые потрясающие открытия и изобретения, способные перевернуть мир.

В старших классах школы я испытал настоящее потрясение, когда узнал наконец истинную причину сохранения энергии. Оказывается, один из фундаментальных принципов физики (открытый математиком Эмми Нётер в 1918 г.) гласит: если система обладает симметрией, в ней обязательно действует какой-нибудь закон сохранения. Из предположения о том, что законы Вселенной не меняются со временем, следует поразительный результат: энергия в системе должна сохраняться. (Далее, если законы природы остаются неизменными, в каком бы направлении вы ни двигались, то сохраняется не только энергия, но и импульс в любом направлении. А если законы природы остаются неизменными при вращении, то сохраняется еще и угловой момент.)

Это буквально ошеломило меня. Я вдруг понял, что, анализируя звездный свет, дошедший до нас от далеких галактик с самой окраины видимой Вселенной, мы убеждаемся, что спектр этого света ничем не отличается от спектров, которые можно обнаружить на Земле. В свете, рожденном за миллиарды лет до появления и Земли, и Солнца, мы наблюдаем те же неоспоримые спектральные «отпечатки» водорода, гелия, углерода, неона и т. п., которые видим сегодня и на Земле. Другими словами, основные законы физики не изменились за миллиарды лет и одинаковы по всей Вселенной, до самых ее границ.

Я понял, что теорема Нётер означает как минимум, что энергия, вероятно, будет сохраняться если не вечно, то не один миллиард лет. Насколько нам в данный момент известно, ни один из фундаментальных законов физики со временем не изменялся, и потому закон сохранения энергии работает.

Теорема Нётер имеет для современной физики величайшее значение. Какую бы новую теорию ни придумали физики и о чем бы ни шла в ней речь — о происхождении Вселенной, о взаимодействиях кварков и элементарных частиц, об антивеществе, — мы обязательно начинаем с рассмотрения симметрии, которой подчиняется система. Вообще говоря, в настоящее время симметрия считается ведущим фундаментальным принципом в разработке любой теории. В прошлом на симметрию смотрели как на побочный результат теории — приятно, но не имеет большого значения. Сегодня мы понимаем, что симметрия — очень существенная и даже определяющая черта любой теории. Разрабатывая что-то новое, мы, физики, начинаем с симметрии, а затем уже выстраиваем вокруг нее теорию.

(Печально, но Эмми Нётер, как до нее Больцману, приходилось сражаться за признание не на жизнь, а на смерть. Ни один из ведущих институтов не готов был принять на постоянную работу женщину-математика. Наставник Нётер, великий математик Давид Гильберт, разъяренный очередной неудачной попыткой устроить Нётер на преподавательскую должность, воскликнул: «В конце концов, мы кто, университет или общество любителей бани?»)

В связи с этим возникает тревожный вопрос. Если энергия сохраняется только потому, что законы физики не меняются со временем, то не может ли быть, что в каких-нибудь необычных, редких обстоятельствах эта симметрия все-таки нарушается? Если в неожиданных и экзотических местах симметрия наших законов действительно нарушается, то и закон сохранения энергии в космических масштабах может нарушаться.

Подобная ситуация может возникнуть, в частности, если законы физики изменяются во времени или с расстоянием. (В романе Азимова «Сами боги» симметрия нарушается из-за пространственной дыры, соединившей нашу Вселенную с параллельной вселенной. В окрестностях этой дыры законы физики изменяются — и возникает возможность нарушения законов термодинамики. Точно также, если существуют пространственные дыры, т. е. кротовые норы, может нарушаться и закон сохранения энергии.)

Кроме того, в настоящее время горячо обсуждается вопрос, может ли энергия появляться из ничего; этот момент тоже может оказаться удобной лазейкой.

===== Энергия из вакуума? =====

Вот мучительный вопрос: можно ли извлечь энергию из пустоты? Физики лишь недавно поняли, что на самом деле «пустота» вакуума вовсе не пуста, в ней кипит неиссякаемая активность.

Одним из активных сторонников и пропагандистов этой идеи [32] был эксцентричный гений XX в. Никола Тесла — достойный соперник Томаса Эдисона. Кроме того, он был одним из сторонников «энергии из пустоты», т.е. идеи о том, что вакуум может содержать в себе неимоверные количества энергии. Если это правда, то вакуум станет олицетворением «бесплатного сыра» — «волшебным горшочком», способным извлекать энергию в любых количествах буквально ниоткуда. Вакуум, который раньше считали пустым и лишенным всякого вещества, окажется бездонным кладезем энергии.

Тесла родился в маленьком городке на территории нынешней Сербии и в 1884 г. прибыл в Соединенные Штаты без единого цента в кармане. Вскоре он стал помощником Томаса Эдисона — помощником настолько блестящим, что превратился в соперника. Противостояние этих двух знаменитостей историки окрестили «войной токов». Эдисон считал, что мир можно электрифицировать при помощи машин постоянного тока, тогда как Тесла первым ввел переменный ток и успешно продемонстрировал, что его методы гораздо эффективнее методов Эдисона и допускают меньшие потери при передаче электричества на большее расстояние. Сегодня почти вся планета снабжается электричеством на базе патентов Теслы, а не Эдисона.

Всего у Теслы насчитывается больше 700 изобретений и патентов, некоторые из которых являются важнейшими историческими вехами современного электричества. Историки считают вполне вероятным, что Тесла придумал радио раньше, чем это сделал Гульельмо Маркони, официально признанный изобретателем радио, и работал с рентгеновскими лучами еще до их официального открытия Вильгельмом Рентгеном. (И Маркони, и Рентген позже были удостоены Нобелевской премии за изобретения, которые Тесла, вероятно, сделал на несколько лет раньше.)

Тесла также считал, что можно извлекать из вакуума энергию в неограниченных количествах, но, к сожалению, не привел в своих записках доказательства этого утверждения. На первый взгляд кажется, что «энергия пустоты» (или энергия, которая содержится в вакууме) нарушает первый закон термодинамики. Нет никаких сомнений в том, что энергия вакуума нарушает законы ньютоновой механики, но недавно вопрос о ней вновь возник на научном горизонте, но уже с совершенно нового направления.

Проанализировав данные со спутников, которые в настоящее время находятся на орбите, в частности со спутника WMAP, ученые пришли к поразительному выводу: не меньше 73% Вселенной состоит из темной энергии — энергии чистого вакуума. Это означает, что вакуум, разделяющий галактики, является одновременно величайшим резервуаром энергии Вселенной. (Эта темная энергия настолько колоссальна, что отталкивает галактики прочь друг от друга и может со временем разорвать Вселенную на части.)

Темная энергия наполняет всю Вселенную, все ее уголки, в том числе наши дома — и наши тела тоже. Количество темной энергии в космосе поистине астрономично и превосходит энергию всех звезд и галактик, вместе взятых. Можно также рассчитать количество темной энергии на Земле; окажется, что ее очень немного—слишком мало, чтобы подпитывать вечный двигатель. Тесла был прав: темная энергия существует; тем не менее в отношении количества такой энергии на Земле он ошибался.

===== А может быть, нет? =====

Один из самых неприятных пробелов в современной физике состоит в том, что никто не может теоретически рассчитать то количество темной энергии, которое мы измеряем при помощи спутников. Если проводить расчет с позиций современной атомарной физики, то полученное число разойдется с экспериментальным результатом на 120 порядков! Это единица со 120 нулями! Без сомнения, это самое значительное расхождение между теорией и экспериментом за всю историю физики.

Суть в том, что никто не знает, как посчитать «энергию пустоты». Это один из важнейших вопросов физики (ведь со временем ответ на него определит судьбу Вселенной!), но пока мы не представляем, как можно рассчитать количество этой энергии. Ни одна из теорий не объясняет темной энергии, хотя экспериментальные доказательства ее существования очевидны.

Итак, в вакууме действительно заключена энергия, как и подозревал Тесла. Но плотность этой энергии, скорее всего, слишком мала, чтобы ее можно было извлекать и использовать. В огромных межгалактических пространствах полно темной энергии, а вот на Земле ее умещается только чуть-чуть. Но самое неприятное, что никто не знает, откуда взялась эта энергия и как можно рассчитать ее количество.

Я убежден, что закон сохранения энергии обусловлен глубинными космологическими причинами. Любое нарушение этого закона непременно означало бы серьезные сдвиги в наших представлениях об эволюции Вселенной. И загадка темной энергии заставляет физиков предпринимать новые и новые попытки решить этот вопрос.

Поскольку создание настоящего вечного двигателя может потребовать пересмотра фундаментальных законов физики на космологическом уровне, я склонен отнести вечный двигатель к III классу невозможности; это означает, на мой взгляд, что либо такой двигатель действительно невозможен, либо нам придется полностью пересмотреть наши представления о фундаментальной физике в космологическом масштабе — только в этом случае такая машина может получить право на существование. Что же касается темной энергии, то она остается одной из величайших незаконченных глав современной науки.

Источник

Adblock
detector