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

بی‌‌شک یکی از دغدغه‌‌های ذهنی تمام علاقه‌‌مندان به دنیای فیزیک و مهندسی، موضوع ساخت ماشین‌‌های حرکت دائمی است. اما بدنیست ابتدا نگاهی به تعریف دقیق ماشین در یکی از معتبرترین دانشنامه‌‌های جهان با نام بریتانیکا بیندازیم:

ماشین، ابزاری شامل یک یا چند جزء است که از انرژی برای انجام کار مطلوب استفاده می‌‌کند. ماشین‌ها از منابع انرژی حرکتی و شیمیایی، مکانیکی، هسته‌ای، گرمایی و الکتریکی تغذیه می‌کنند و انرژی دریافتی را به‌منظور انجام فرایند از پیش تعیین‌شده برای دستیابی به هدف معین صرف می‌کنند.

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

حال بیایید مفهومی را بررسی کنیم که به‌‌عنوان «حرکت دائمی» و «ماشین حرکت دائمی» شناخته می‌‌شوند:

حرکت دائمی، به‌‌معنای حرکت همیشگی و توقف‌‌ناپذیر یک جسم است و ماشین حرکت دائمی، یک ماشین فرضی است که بتواند بدون استفاده از هرگونه منبع انرژی بی‌‌وقفه کار کند.

تا همین‌‌جا هم با کمی دقت، می‌‌توانید متوجه تناقضی ظریف در تعاریف رسمی ماشین و ماشین حرکت دائمی شوید. از یک سو در تعریف ماشین، به‌‌صورت واضح از نیاز به انرژی برای انجام کار سخن رفته است و ازسوی دیگر، از ماشینی سخن می‌‌گوییم برای انجام کار به این انرژی نیازی ندارد!

اما موضوع به همین‌‌جا ختم نمی‌‌شود. ممکن است فردی از اساس به این تعریف از ماشین ایراد وارد کند و بگوید اساسا چرا یک ماشین برای انجام کار باید انرژی مصرف کند؟

اما چرا گاهی ما دچار توهم وجود ماشین‌‌های حرکت دائمی می‌‌شویم؟ برخی از این دلایل ناشی از سوءبرداشت ما از نحوه‌‌ی کار برخی ماشین‌‌های طبیعی ظاهرا دائمی است؛ یعنی ماشین‌‌هایی که واقعا حرکت دائمی ندارند؛ ولی به‌‌خاطر خطای ناشی از عواملی مانند عدم درک صحیح «مقیاس زمانی کارکرد سیستم» یا «ورودی پنهان‌‌ انرژی»، تصور می‌‌کنیم دائمی هستند.

درمورد عدم درک مقیاس زمانی، می‌توان به مثال حرکت اجرام آسمانی اشاره کرد. ما تصور می‌کنیم که حرکت سیارات در مدارهای منظومه‌‌‌‌ای یک حرکت دائمی است؛ درحالی که حتی فضای میان‌‌ستاره‌‌ای نیز عاری از اصطکاک نیست و این حرکت‌‌های مداری نیز به‌‌صورت نامحسوس درحال کاهش سرعت هستند. درمورد عدم درک ورودی‌‌ پنهان انرژی هم می‌‌توان به مثال جریان‌‌های بادی و اقیانوسی اشاره کرد که در نگاه اول، منابع حرکت دائمی به‌‌شمار می‌‌آیند؛ درحالی که ما اکثرا درکی از ورودی منبع انرژی آن‌‌ها (انرژی خورشیدی) نداریم. درحقیقت، به‌‌خاطرهمین وابستگی، این سیستم‌‌ها را اصلا نمی‌‌توان سیستم مجزا محسوب کرد.

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

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

دسته‌‌ی اول از این ماشین‌‌ها، انواعی هستند که قانون اول را نقض می‌‌کنند؛ یعنی قانون کار و انرژی. این قانون به‌سادگی می‌گوید که در یک فرایند چرخه‌ای، کار انجام‌شده توسط سیستم مجزا (ایزوله) متناسب با انرژی مصرف‌شده توسط آن سیستم است. پیامد اصلی قانون اول برای ما آن است که ماشین حرکت دائمی تنها هنگامی می‌تواند کار کند که هیچ انرژی‌ به پیرامون خود ندهد. اگر انرژی‌ خروجی از ماشین بیش از انرژی ورودی به آن باشد (و البته جرم ماشین هم ثابت بماند)، چنین دستگاهی نمی‌تواند برای همیشه کار کند. شاید بتوان گفت اولین نسل از ماشین‌‌های حرکت دائمی اختراع‌‌شده نیز متعلق به همین دسته بوده‌اند. سابقه‌‌ی اولین تلاش برای ساخت یک ماشین حرکت دائمی به طراحی رابرت فلاد در سال ۱۶۱۸ نسبت داده می‌‌شود. وی سعی کرده بود با طراحی یک مکانیزم متشکل از یک مخزن، آسیاب آبی و پیچ ارشمیدس، نوعی محرک دائمی باقابلیت تولید انرژی مازاد ایجاد کند که البته به‌‌دلیل نقض قانون اول ترمودینامیک هرگز کار نکرد.

به‌‌همین ترتیب، بسیاری از طرح‌‌های اولیه‌ی دیگر از ماشین‌‌های حرکت دائمی در دوره‌‌ی رنسانس (شامل مولدهایی که با مصرف انرژی ورودی کمتر، انرژی خروجی بیشتری تولید می‌‌کردند) به‌‌سادگی از عدم درک بشر از قانون اول ترمودینامیک نشات می‌‌گرفتند. با کشف این قانون در قرن هجدهم، بسیاری از این طرح‌‌ها به‌‌مرور منسوخ شدند و طرفداران خود را از دست دادند. این قضیه موجب شد که شیفتگان فیزیک ناممکن، به‌‌سمت نقض قانون دوم ترمودینامیک بروند و اقدام به طراحی و معرفی ماشین‌‌های حرکت دائمی دسته‌ی دوم کردند.

برای اینکه مفهوم افزایش آنتروپی را در قانون دوم ترمودینامیک بهتر درک کنید، بیایید فرض کنیم که یک لیوان چای داغ داریم که درون آن چند تکه یخ انداخته شده است. آنچه ما در واقعیت شاهد آن خواهیم بود، مسلما کوچک‌تر شدن تدریجی یخ‌ها و سردشدن چای است. حال فرض کنید این اتفاق نیفتد و درعوض، ما شاهد بزرگ‌تر شدن قطعات یخ و گرم‌تر شدن چای درون لیوان باشیم. مشاهده‌ی چنین پدیده‌ای، هیچ‌گونه منافاتی با قانون اول ترمودینامیک ندارد (چراکه می‌توان فرض کرد انرژی از منبع سرد به منبع گرم منتقل شده است)؛ اما آنچه که مانع از وقوع چنین پدیده‌ای می‌شود، بیان کلاوسیوس از قانون دوم ترمودینامیک است. می‌توان گفت چون از لحاظ ترمودینامیکی، آنتروپی یخ کمتر از چای است؛ پس این سیستم باید در گذر زمان و رسیدن به تعادل، به‌سمت ذوب یخ (یعنی افزایش آنتروپی) پیش رود؛ به‌عبارتی، گرما به‌طور طبیعی تنها می‌تواند از منبع گرم به‌سمت منبع سرد جریان یابد.

این بیان از قانون دوم می‌گوید که برای انتقال گرما از منبعی با دمای پایین (سرد) به منبعی با دمای بالاتر (گرم)، نیاز به کار است. پس هیچ ماشین ایزوله‌ای نخواهد توانست با معکوس ‌کردن این روند، از محیط پیرامون خود انرژی جذب کند و آن را به کار تبدیل کند. این همان چیزی است که ماشین‌های محرک دائمی نوع دوم، مدعی انجام آن هستند.

طرح پیشنهادی رابرت فلاد برای ماشین حرکت دائمی در سال ۱۶۱۸

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

از مشهورترین نمونه‌‌های ماشین‌‌های دسته‌ی دوم، طرح چرخدنده‌‌ی براونیان در سال ۱۹۱۲ است؛ طرحی که سعی داشت تنها از حرکت مولکول‌‌های گاز در یک سیستم با دمای یکنواخت، کار تولید کند. این امر از دیدگاه قانون دوم به‌‌طور کامل مردود است؛ چراکه اساسا بدون وجود اختلاف دما یا انرژی در یک سیستم، امکان استحصال انرژی از آن وجود ندارد.

مانع اصلی بر سر راه کارکرد چنین ماشین‌‌هایی در مفاهیم پایه‌ی مکانیک کوانتوم نهفته است. بنابر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، تمامی ذرات دارای ماهیتی تصادفی هستند. هر آنچه که حرکت می‌‌کند، به‌‌ناچار دچار اصطکاک و افزایش گرمای داخلی می‌‌شود و حتی اگر تمامی این گرما را با ایزولاسیون مهار کنیم، بازهم بخشی از انرژی به‌‌شکل تشعشع، ازطریق دیواره‌‌های این سیستم ایزوله به بیرون درز خواهد کرد. دراین‌میان، اگر تابش‌‌های گرانشی را نیز در نظر بگیریم، می‌‌بینیم که هیچ ماشین حرکت دائمی نخواهد توانست تا ابد کار کند. پس این تنها «زمان» است که نهایتا تعیین خواهد کرد بهترین ماشین محرک دائمی چقدر کار خواهد کرد.

بسیاری از ماشین‌‌های محرک دائمی که در یوتیوب می‌‌بینید، بر این ادعا استوار 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). در این ماشین‌‌ها، نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی، عددی بزرگتر از یک است؛ گزاره‌‌ای که از اساس غلط است. همان‌‌گونه که پیش‌‌تر نیز گفتیم امروزه مدعیان ماشین‌‌های حرکت دائمی دیگر سخنی از نقض قانون کار و انرژی به میان نمی‌‌آورند، هم‌‌اینک اکثر آنان قانون دوم ترمودینامیک را نشانه رفته‌‌اند؛ یعنی استخراج انرژی از جایی که هیچ‌‌گونه اختلاف سطح انرژی وجود ندارد. یکی از همین منابع انرژی رایگان که اخیرا با استقبال فراوانی مواجه شده است، مفهوم «انرژی نقطه‌‌ی صفر» در خلاء کوانتومی است.

بسیاری از مباحث کوانتومی مرتبط‌‌با این موضوع، خارج از حوصله‌‌ی این نوشتار است؛ اما نکته‌‌ای که باید بدان توجه کنیم این است که انرژی در تمام نقاط یک فضای خلاء کاملا یکسان است و این یعنی هیچ‌‌گونه اختلاف سطحی در انرژی خلاء کوانتومی وجود ندارد. پس نمی‌‌توان به آن به‌‌عنوان یک منبع انرژی درنظر گرفت (هرچند ممکن است بتوان با کمک پدیده‌‌هایی نظیر اثر کاسیمیر و کاهش میزان انرژی نقطه‌‌ی صفر میان دو صفحه‌‌ی رسانا، انرژی لازم برای حرکت رفت‌‌وبرگشتی این صفحات را فراهم کرد، ولی انجام چنین کاری خود نیاز به مصرف میزانی از انرژی دست‌کم برابر با خروجی نهایی خود سیستم خواهد داشت).

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

پس بهتر است دفعه‌‌ی بعد پیش از آن‌‌که با شنیدن خبری درمورد نقض قوانین فیزیک پایه، هیجان‌‌زده شوید، کمی به سابقه‌‌ی طولانی این ادعاها در تاریخ علم توجه کنید و از خود بپرسید باوجود این خیل عظیم از نوابغ ساختارشکن، چرا هنوز هم در پس سده‌‌ها، همچنان قوانین فیزیک کلاسیک در جهان ما جاری است؟