فیزیک ناممکن؛ چرا هنوز هیچ ماشینی با حرکت دائمی بود ندارد؟

بی‌‌شک یکی از دغدغه‌‌های ذهنی کامل علاقه‌‌مندان بوسیله دنیای فیزیک و مهندسی، موضوع ساخت ماشین‌‌های حرکت دائمی است. اما بدنیست مطلع نگاهی بوسیله تمجید دقیق ماشین داخل یکی از معتبرترین دانشنامه‌‌های گیتی با نام بریتانیکا بیندازیم:ماشین، ابزاری محتوی یک یا چند مقدر شدن است که از انرژی بخاطر ارتکاب فرمان مطلوب مصرف می‌‌کند. ماشین‌ها از منابع انرژی حرکتی و شیمیایی، مکانیکی، هسته‌ای، گرمایی و الکتریکی تغذیه می‌کنند و انرژی دریافتی را به‌منظور اجرا فرایند از پیش تعیین‌شده بخاطر دستیابی به کمال مطلوب نمایان صرف می‌کنند.

قطعا این تمجید از ماشین بسیار گسترده است و می‌‌تواند قطعاتی به‌‌سادگی یک خم تا سامانه‌‌هایی عظیمی درمقیاس یک هواپیما را در برگیرد.؛ بااین‌حال، آنچه که در تعریف ماشین به‌‌وضوح خودنمایی می‌‌کند، این عبارت است: «کاربرد از کارمایه برای ایفا کار».

حال بیایید مفهومی را بررسی کنیم که به‌‌عنوان «حرکت دائمی» و «ماشین لول دائمی» شناخته می‌‌شوند:حرکت دائمی، به‌‌معنای لول سرمد و توقف‌‌ناپذیر یک کالبد است و ماشین حرکت دائمی، یک ماشین فرضی است که بتواند بدون استعمال از هرگونه جوهر انرژی بی‌‌وقفه امر کند.

تا همین‌‌جا بی قراری با کمی دقت، می‌‌توانید متوجه تناقضی باریکه درون تعاریف رسمی ماشین و ماشین حرکت دائمی شوید. از یک سو درون تمجید ماشین، به‌‌صورت علنی از نیاز به انرژی برای عمل کار سخن رفته است و ازسوی دیگر، از ماشینی سخن می‌‌گوییم برای انجام امر به این انرژی نیازی ندارد!

اما موضوع به همین‌‌جا ختم نمی‌‌شود. ممکن است انفراد از بنیان به این تحسین از ماشین ایراد دانا کند و بگوید اساسا چرا یک سامان برای انجام فرمان باید انرژی استعمال کند؟مانع  واقعی داخل طراحی ماشین حرکت دائمی، محدودیت‌های مهندسی نیست؛ بلکه قوانین پایه‌ی ترمودینامیک است

پاسخ این استفسار به دو روال بسیار مهم از ترمودینامیک (یعنی قوانین اول و دوم ترمودینامیک) بازمی گردد که درصورت وجود یک ماشین حرکت دائمی، یکی از آن‌‌ها باطل خواهد شد. قانون اول، همان سر کار و انرژییاقانون بقای انرژی است که می‌گوید مجموع انرژی یک جهیز مجزا همواره ثابت می‌‌ماند (یعنی انرژی می‌‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود، ولی هرگز خلق یا نابود نمی‌‌شود). قانون دوم نیز می‌‌گوید مجموع آنتروپی یک جهیز جداگانه هرگز نمی‌‌تواند کاهش یابد. این قوانین که درون ادامه بیشتر به آن‌ها خواهیم پرداخت، درمورد تمامی سیستم‌‌ها فارغ از ابعاد و اندازه‌‌ی آن‌ها، جاری هستند.

ولی چرا گاهی ما دچار توهم حیات ماشین‌‌های لول دائمی می‌‌شویم؟ برخی از این دلایل شاگرد از سوءبرداشت ما از نحوه‌‌ی امر فداکار ماشین‌‌های طبیعی ظاهرا دائمی است؛ یعنی ماشین‌‌هایی که واقعا لول دائمی ندارند؛ اما به‌‌خاطر خطای ناشی از عواملی مانند عدم دریافتن صحیح «مدل زمانی کارکرد جهیز» خواه «ورودی پنهان‌‌ انرژی»، تصور می‌‌کنیم دائمی هستند.

درمورد لیس درک نمونه زمانی، می‌توان بوسیله شهید حرکت اجرام آسمانی اشاره کرد. ما فرض می‌کنیم که حرکت سیارات در مدارهای منظومه‌‌‌‌ای یک لول دائمی است؛ درحالی که تا اینکه فضای میان‌‌ستاره‌‌ای نیز عاری از سایش نیست و این حرکت‌‌های مداری همچنین به‌‌صورت نامحسوس درحال کاهش سرعت هستند. درمورد عدم درک ورودی‌‌ پنهان انرژی بی قراری می‌‌توان به شهید جریان‌‌های بادی و اقیانوسی رمز کرد که داخل نگاه اول، منابع لول دائمی به‌‌شمار می‌‌آیند؛ درحالی که ما اکثرا درکی از ورودی منبع انرژی آن‌‌ها (انرژی خورشیدی) نداریم. درحقیقت، به‌‌خاطرهمین وابستگی، این سیستم‌‌ها را اصلا نمی‌‌توان جهیز جداگانه محسوب کرد.

الگوی حرکت سیاره‌ها؛ پدیده‌ه‌ای که به‌اشتباه تصور می‌شود نمونه‌ای از حرکت‌های  دائمی داخل طبیعت است

برای رفع چنین ابهاماتی، برخی از متخصصان رفتار به دسته‌‌بندی انواع ماشین‌‌های حرکت دائمی کرده‌‌اند. یکی از این دسته‌‌بندی‌‌ها، براساس تناقض عملکرد آن‌‌ها با گوناگون قوانین ترمودینامیکی انجام می‌‌گیرد. یعنی اینکه ببینیم یک سامان حرکت دائمی فرضی، کدامیک از دو قانون مقدمه یا دوم ترمودینامیک را می‌‌شکند.

دسته‌‌ی شروع از این ماشین‌‌ها، انواعی هستند که قاعده اول را نقض می‌‌کنند؛ یعنی قانون حکم و انرژی. این قانون به‌سادگی می‌گوید که در یک فرایند چرخه‌ای، فقره انجام‌شده توسط سیستم مجزا (ایزوله) زیبنده با کارمایه مصرف‌شده توسط آن سیستم است. پیامد اصلی سر مطلع برای ما آن است که ماشین حرکت دائمی عزب هنگامی می‌تواند کار درنگ که هیچگاه انرژی‌ به گرداگرد خود ندهد. چنانچه انرژی‌ خروجی از ماشین بسیار از انرژی ورودی بوسیله آن باشد (و البته معصیت سامان هم ثابت بماند)، چنین دستگاهی نمی‌تواند برای همیشه امر بطی ء.  شاید بتوان گفت اولیه نسل از ماشین‌‌های حرکت دائمی اختراع‌‌شده نیز متعلق به همین دسته بوده‌اند. سابقه‌‌ی بدوی تلاش برای ساخت یک ماشین حرکت دائمی به طراحی رابرت فلاد درون سال ۱۶۱۸ نسبت داده می‌‌شود. وی تلاش کرده بود با طراحی یک مکانیزم متشکل از یک مخزن، آسیاب آبی و پیچ ارشمیدس، نوعی محرک دائمی باقابلیت تولید کارمایه مازاد خلق کند که البته به‌‌دلیل نقض قانون اول ترمودینامیک هرگز امر نکرد.

به‌‌همین ترتیب، بسیاری از طرح‌‌های اولیه‌ی دیگر از ماشین‌‌های حرکت دائمی درون دوره‌‌ی رنسانس (دربرگیرنده مولدهایی که با کاربرد انرژی ورودی کمتر، انرژی خروجی بیشتری تولید می‌‌کردند) به‌‌سادگی از عدم درک بشر از قاعده مطلع ترمودینامیک نشات می‌‌گرفتند. با کشف این قانون داخل قرن هجدهم، بسیاری از این طرح‌‌ها به‌‌مرور منسوخ شدند و طرفداران خود را از دست دادند. این مسئله علت شد که شیفتگان فیزیک ناممکن، به‌‌سمت نقض قانون دوم ترمودینامیک بروند و اقدام به طراحی و معرفی کردن ماشین‌‌های حرکت دائمی دسته‌ی دوم کردند.پس از انقراض پی‌درپی محرک‌های دائمی نوع اول، مدعیان فیزیک ناممکن قانون دوم ترمودینامیک را مقصد گرفتند

اما مشکل اینجا وجود به‌‌علت ماهیت پیچیده‌‌تر و ناشناخته‌‌تر قانون دوم ترمودینامیک در نزد افکار عمومی، درک شگرد حکم و توضیح حقه‌‌ی ملبس در پس چنین دستگاه‌‌هایی متجاوز پیچیده‌‌تر از قبل به نظر می‌رسید. نقض روال مقدمه تنها با مقایسه‌‌ی معیار کار و انرژی ورودی و خروجی ماشین تاحدودی قابل‌‌شناسایی بود. اما قانون دوم از مفهوم پیچیده‌‌تری با نام آنتروپی استفاده می‌‌کند. این قانون می‌‌گوید آنتروپی (یا بی‌نظمی) یک سیستم مجزا هرگز درون طول زمان نمی‌‌تواند کاهش یابد یا به‌‌عبارت دیگر کارمایه در سیستم انتظار دارد تا حدامکان به‌‌صورت یکنواخت توزیع شود تا به حداکثر میزان آنتروپی ممکن دست یابد.

برای اینکه مفهوم افزایش آنتروپی را داخل قاعده دوم ترمودینامیک بهتر دریافتن کنید، بیایید تخیل کنیم که یک لیوان چای مشتعل داریم که در آن چند تکه یخ انداخته شده است. آنچه ما تو واقعیت شاهد آن خواهیم بود، مسلما کوچک‌تر شدن تدریجی یخ‌ها و سردشدن چای است. حال فرض کنید این پیوستگی نیفتد و درعوض، ما گواه بزرگ‌تر شدن قطعات یخ و گرم‌تر شدن چای درون لیوان باشیم. مشاهده‌ی این طور پدیده‌ای، هیچ‌گونه منافاتی با شیوه اول ترمودینامیک ندارد (چراکه می‌توان فرض کرد کارمایه از منبع سرد به منبع گرم نقل مکان شده است)؛ اما آنچه که عایق از عارضه چنین پدیده‌ای می‌شود، بیان کلاوسیوس از روال دوم ترمودینامیک است. می‌توان گفت از طرف از محاسبه ترمودینامیکی، آنتروپی یخ کم از چای است؛ پس این سیستم باید در عبور زمان و رسیدن بوسیله تعادل، به‌سمت ذوب یخ (یعنی اضافه آنتروپی) پیش رود؛ به‌عبارتی، گرما به‌طور طبیعی تنها می‌تواند از منبع گرم به‌سمت منبع سرد جریان یابد.

این اعتراف از عادت دوم می‌گوید که برای انتقال گرما از منبعی با دمای پایین (سرد) بوسیله منبعی با دمای بالاتر (گرم)، نیاز بوسیله حکم است. پس هیچ ماشین ایزوله‌ای نخواهد توانست با معکوس ‌کردن این روند، از هوا دوره خود انرژی جذب کند و آن را بوسیله فرمان تبدیل کند. این همان چیزی است که ماشین‌های محرک دائمی نوع دوم، مدعی ایفا آن هستند.

طرح پیشنهادی رابرت فلاد برای ماشین حرکت دائمی درون سال ۱۶۱۸

ماشین‌‌هایی که قانون دوم را نقض می‌‌کنند، این مطالبه را دارند که می‌‌توانند مقادیری از انرژی را که پیش‌‌تر به‌‌صورت یکنواخت در محیط توزیع شده است، دوباره به حکم تبدیل کنند و این به‌‌معنای معکوس‌‌کردن روند تکثیر آنتروپی سیستم است.

از مشهورترین نمونه‌‌های ماشین‌‌های دسته‌ی دوم، طرح چرخدنده‌‌ی براونیان در سال ۱۹۱۲ است؛ طرحی که سعی داشت عزب از حرکت مولکول‌‌های گاز درون یک سیستم با دمای یکنواخت، کار تولید درنگ. این فقره از دیدگاه ضابطه دوم به‌‌طور کامل مردود است؛ چراکه اساسا بدون بود اختلاف دما یا انرژی تو یک سیستم، امکان استحصال کارمایه از آن وجود ندارد.مقاله‌های مرتبط:مکانیک کلاسیک و هر آنچه باید راجع بوسیله آن بدانیدصعود و کمبود اقتدار علم؛ چرا علم حرمت خود را از مشت داده است؟

اما این کامل ماجرا نیست؛ دسته‌‌ی سومی بی قراری برای ماشین‌‌های حرکت دائمی می‌‌توان درنظر گرفت. این دسته، همان ماشین‌‌هایی هستند که می‌‌توانند بدون هیچ‌‌گونه ورودی (و البته خروجی) به لول خود ادمه دهند. مدعیان چنین ماشین‌‌هایی بر این اصل از فیزیک کلاسیک استناد می‌‌کنند که می‌گوید «یک جسم متحرک، درصورت لیس واردشدن نیروی خارجی، می‌‌تواند تا همیشه به حرکت خود ادامه ‌‌دهد». فرض پهلو این است که درصورت حذف اصطکاک و هرگونه تلفات کارمایه و نیروهای خارجی از سیستم، طراحی یک ماشین دائمی ایده‌‌آل دورازذهن نیست؛ چیزی مثل مفهوم یک خودروی ایده‌‌آل که نیازی به موتور ندارد یا چرخی که درون نبود مالش تا قدیم می‌‌چرخد. ولی آنچه که ما از آن بی خبر مانده‌ایم، این است که حتی درصورت غلبه پیاده شدن چالش‌‌های مدل سازی مهندسی، بازهم این حرکت دائمی ممکن نیست.

مانع اصلی بر روال راه راندمان چنین ماشین‌‌هایی در مفاهیم پایه‌ی مکانیک کوانتوم نهانی است. بنابر عنصر عدم قطعیت هایزنبرگ، تمامی ذرات دارای ماهیتی تصادفی هستند. هر آنچه که حرکت می‌‌کند، به‌‌ناچار دستخوش اصطکاک و افزایش گرمای داخلی می‌‌شود و حتی چنانچه تمامی این گرما را با ایزولاسیون مهار کنیم، بازهم بخشی از انرژی به‌‌شکل تشعشع، ازطریق دیواره‌‌های این سیستم ایزوله به خارج بخیه خواهد کرد. دراین‌میان، اگر تابش‌‌های گرانشی را نیز تو دید بگیریم، می‌‌بینیم که هیچگاه ماشین حرکت دائمی نخواهد توانست تا ابد کار کند. پس این تنها «زمان» است که نهایتا گلچین خواهد کرد بهینه ماشین محرک دائمی چقدر کار خواهد کرد.

بسیاری از ماشین‌‌های محرک دائمی که در یوتیوب می‌‌بینید، پهلو این دعوی سفت هستند که می‌‌توانند انرژی لازم را برای حرکت دائمی خود را تأمین کنند (محرک دائمی) و برخی حتی انرژی اضافی را برای تغذیه‌‌ی منابع خارجی نیز دارند (مولدهای انرژی رایگان و بدون ورودی). تو این ماشین‌‌ها، نسبت کارمایه خروجی به کارمایه ورودی، عددی بزرگتر از یک است؛ گزاره‌‌ای که از بنیاد غلط است. همان‌‌گونه که پیش‌‌تر نیز گفتیم امروزه مدعیان ماشین‌‌های حرکت دائمی دیگر سخنی از باطل روال کار و انرژی به میان نمی‌‌آورند، هم‌‌اینک اکثر آنان شیوه دوم ترمودینامیک را نشانه رفته‌‌اند؛ یعنی استخراج انرژی از جایی که هیچ‌‌گونه فرق سطح انرژی وجود ندارد. یکی از همین منابع انرژی رایگان که اخیرا با استقبال فراوانی مواجه شده است، مفهوم «کارمایه نقطه‌‌ی صفر» داخل خلاء کوانتومی است.حتی فیزیک کوانتوم هم مانعی برای لول ابدی یک سامان خواهد بود

بسیاری از مباحث کوانتومی مرتبط‌‌با این موضوع، خارج از حوصله‌‌ی این نوشتار است؛ اما نکته‌‌ای که باید بدان توجه کنیم این است که کارمایه در تمام نقاط یک فضای خلاء کاملا یکسان است و این یعنی هیچ‌‌گونه اختلاف سطحی در کارمایه خلاء کوانتومی وجود ندارد. پس نمی‌‌توان بوسیله آن به‌‌عنوان یک ریشه کارمایه درنظر گرفت (هرچند امکان پذیر است بتوان با دستیار پدیده‌‌هایی بسان پی کاسیمیر و کاهش میزان انرژی نقطه‌‌ی صفر میان دو صفحه‌‌ی رسانا، کارمایه لازم برای حرکت رفت‌‌وبرگشتی این صفحات را فراهم کرد، ولی انجام این طور مربوط به طبقه کارگر و زحمتکش خویشتن احتیاج بوسیله مصرف میزانی از انرژی دست‌کم مقابل با خروجی بازپسین خود سیستم خواهد داشت).

در مجموع، بسیاری از مدعیان ساخت ماشین حرکت دائمی و مولدهای با انرژی صفر، تا اینکه از دانش و مهارت لازم برای نقشه کشی یک چرخ بالانس‌‌شده هم برخوردار نیستند و به‌‌همین دلیل، عموما دست به دامان مفاهیمی ساختگی همانند کارمایه نقطه‌‌ی صفر، پلاسما، تسلا، ارتعاشات، انرژی کیهانی و امثالهم می‌‌شوند. درواقع باید بدانید دغدغه‌‌ی این گروه از افراد بیشتر تو جذب کمک‌‌های مالی بیشتر خواه فروش تجهیزات و فیلم‌‌های آموزشی بلامصرف است تا نجات بشر از نزاع جهانی انرژی.

پس بهتر است دفعه‌‌ی پس ازآن پیش از آن‌‌که با شنیدن خبری درمورد باطل قوانین فیزیک پایه، هیجان‌‌زده شوید، قدری به سابقه‌‌ی طولانی این ادعاها تو تاریخ دانش توجه کنید و از خود بپرسید باوجود این لشکر عظیم از نوابغ ساختارشکن، چرا هنوز اندوه در پس سده‌‌ها، همچنان قوانین فیزیک کلاسیک در دنیا ما جاری است؟ بیشتر بخوانید:شرح حال لیزه مایتنر؛ دانشمند گمنام شکافت هسته‌ایپیش‌‌بینی میچیو کاکو درمورد دستاوردهای بنیانی علمی تا سال ۲۱۰۰ربات‌های بوستون داینامیکس بخاطر کشیدن کامیون چه نیرویی نیاز دارند؟فناوری داخل حال محدودتر کردن دامنه توجه بشر استنجات از سیاه‌ چاله؛ امکان‌پذیر، ولی خطرناک