永動機並不違反守恆原理和熱學定律
巫瑪斯．金路兒 2008/07/01
在網路上我們很容易可以擷取一些關於永動機的爭議文章，然而大多數人認為永動機是違反熱學基本定律的。不消耗能量而能永遠對外做功的機器，違反了熱學第一定律，這被指為「第一類永動機」。此外，在沒有溫度差的情況下，從自然界中的海水或空氣中不斷吸取熱量而使之連續地轉變為機械能的機器，同樣違反了熱學第二定律，這被說為「第二類永動機」。
研發歷史上有不少人有過這樣美好的願望：製造一種不需要動力的機器，它可以源源不斷的對外界做功，這樣可以無中生有的創造出巨大的財富來。在科學歷史上從沒有過永動機成功過，能量守恆原理的發現，使人們認為：任何一部機器，只能使能量從一種形式轉化為另一種形式，而不能無中生有的製造能量，因此根本不能製造永動機。物體內能的增加等於物體從外界吸收的熱量與物體對外界所做功的總和，構成了學理上不可破的認知。
同樣的，曾經有人設計一類機器，希望它從高溫熱吸取熱量後全部用來做功。這種機器的效率不是可以達到100%，因為機械能與內能的轉化具有方向性，機械能可以轉化內能，但內能卻不能全部轉化為機械能，而不引起其它損失。
永動機這個名詞可以分作兩個層面來思考，一是純粹的運行，如飛輪之類，一旦開始運動，若無摩擦阻力作用，是可以永久繼續運動下去的，這在實際上雖然不易實現，但是在道理上說得通，即毫無功用。另一是試圖去保持永恆的運動，並期望在沒有外界能源供給，即不消耗任何燃料和動力的情況下，源源不斷地得到有用的功。
重點是，對這類唯物主義為宗的科技至上的發表言論表示不以為然，科技有其偉大的成就即不一定完全是沒有瑕疵的，事實上，我們都很清楚科技歷史發展是在不斷的修正中發開的，也因為如此，我們當然沒有理由在關於「永動機」這一塊打不死的人類夢想退出。就守恆原理而言，我們清楚看到永動機歷經幾百年來從未看到真正成功的例子，但一竿子打翻船認為永動機是不可能製造成功的發明夢幻，未必確實，姑且不論永動機未來是否成功製造，我們很難斷言不斷成熟之後的人類知識有一日會跨越一切的摒障，文明歷史上不乏今日不是明日是的例子，比如地圓說等等。
物質是無機的，人類的思維是有機的，憑著這一點我們不用人定勝天，但人類無盡的創造力是與生俱來的，誰都無法保證今天看來的不是，不會是明日的可行，永動機的挑戰性與利益的誘惑是恆常，只要一日永動機不被創造出來，人們是不肯罷休的。
任何人都可以在網路上查到已知披露的關於永動機所進行，並且已獲得專利申查通過有案者超過三百多件，這些永動機案子都是那些可愛的發明家們傾其一生精力努力所成，其中不少還是深具名望的科技人員瀝血熬出所達成的心血。而最耐人尋味的是，這些發明道理上說得通，絕大多是只能看不中用。永動機的魅力是期望不消耗任何燃料和動力的情況下，源源不斷地得到有用的功。
正規一點或保守的科技人士不敢碰觸，因為違反守恆律：永動機是不可能實現的夢想。永動機無法超出熱學的界限所以這項努力將徒勞無功的意義為何？當人們還沒有掌握自然的基本規律時，這種不成的想法是正常的，反之，將引誘一批傑出創造才能的人，追求這種夢想實現的作為也不為過。即有人一再引古警語指出：永動機的想法起源於印度，公元1200年前後，這種思想傳到伊斯蘭教世界再到西方。在歐洲，早期最著名的一個永動機設計方案是十三世紀時一個叫亨內考的法國人提出來設計，在輪子中央有一個轉動軸，輪子邊緣安裝著12個可活動的短桿，每個短桿的一端裝有一個鐵球。方案的設計者認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此，右邊的球產生的轉動力矩要比左邊的球產生的轉動力矩大。這樣輪子就會永無休止地沿著箭頭所指的方向轉動下去，並且帶動機器轉動。這個設計被不少人以不同的形式複製出來，但從未實現不停息的轉動。後來，文藝複興時期義大利的達•芬奇（leonardo da vinci，1452-1519）也造了一個類似的裝置，他設計時認為，右邊的重球比左邊的重球離輪心更遠些，在兩邊不均衡的作用下會使輪子沿箭頭方向轉動不息，但實驗結果卻是否定的。於是達•芬奇敏銳地由此得出結論：永動機是不可能實現的。17世紀和18世紀時期，人們又提出過各種永動機設計方案，有採用「螺旋汲水器」的，有利用輪子的慣性、水的浮力或毛細作用的，也有利用同性磁極之間排斥作用的。有學識的和無學識的人都相信永動機是可能的，但是，所有這些方案都無一例外的以失敗告終。於是，人們逐漸相信認為，任何機器對外界做功，都要消耗能量，當時的一些著名科學家如斯台文、惠更斯等都認定用力學方法不可能製成永動機。
科學家的務實也好，發明家的浪漫也好，都是今日文明的無盡推展的源動力。19世紀中葉，一系列科學工作者為正確認識熱功能轉化和其它物質運動形式相互轉化關係做出了巨大貢獻，不久後偉大的能量守恆和轉化定律被發現了。人們認識到，自然界的一切物質都具有能量，能量有各種不同的形式，可從一種形式轉化為另一種形式，從一個物體傳遞給另一個物體，在轉化和傳遞的過程中能量的總和保持不變，定律提供了更精確、更豐富的科學基礎。但能量守恆定律會不會如一批人所指出的，已有力地打擊那些認為物質運動可以隨意創造和消滅的觀點，使永動機的夢想完全徹底被打破。
上述的說法是否完全正當正確，引用早期的物理觀是否不再有必要檢視一番？比如熱機可直接從海洋或大氣中吸取熱量使之完全變為機械功的設想說法究竟有無言義上的弊端本身就很具可疑性。即使在大量實踐經驗的基礎上，英國物理學家開爾文於1851年提出了一條新的普遍原理：物質不可能從單一的熱源吸取熱量，使之完全變為有用的功而不產生其它影響的觀點是正確的，即並不意味熱機情形通盤適用於其他場域，像磁力是一種靜能形式存在，純粹潛在的能勢不涉及能量流動，就無法比照熱能流動觀，磁能磁場由其不同的形式與作用形態。換言之，熱機所受到物理限制，並不等同磁力的範疇。固然層出不窮的永動機設計方案，都在科學的嚴格審查和實踐的無情檢驗下一一失敗了，甚至於1775年法國科學院宣佈「本科學院以後不再審查有關永動機的一切設計」的宣示是否有過於武斷令人遲疑。這說明在當時科技學界，低估了未來科技進步可能的潛在機會。
人們過度關註「無中生有，憑空產生」的預期心理，即一再陷於能量守恆律的框架裡喊著製造永動機的企圖是沒有成功的希望。人們一再引用初期人們不成熟概念下所進行的永動機方案，比如大約在1570年，義大利有一位教授叫泰斯尼爾斯，提出用磁石的吸力可以實現永動機。他設計一個磁石ａ，鐵球c受磁石吸引可沿斜面滾上去，滾到上端的e處，從小洞b落下，經曲面bfc返回，複又被磁石吸引，鐵球就可以沿螺旋途徑連續運動下去。那時還沒有庫侖定律，他當然也不知道磁力大小是與距離的平方成反比變化的，如今在我們看來他的設計是荒謬到不行的地步。
類似的例子還有許多，這類被視為徒勞無益的研發是如此廣泛和誘人，在這樣的時期與氛圍之下逐步認定力學定律的客觀規律性不允許永動機存在。遺憾的是，在這種種不利的發展上使達•芬奇之後，斯蒂文於1568年寫了一本《靜力學基礎》，其中討論斜面上力的分解問題時，更堅定地提出了永動機不可能實現的觀點。在他著作的插圖裡寫著「運動沒有盡頭是荒謬的」。
認為各種永動機設計方案終必失敗，製造永動機美好夢想終必破滅的認知是如此輕率而可笑，這種僅藉早期的學理基礎所發出的警訊是不成熟的，充滿著以一蓋遍的錯覺，一再認定永動機不可能製造是失敗主義者的典型思想，它違背了科學的探討精神，人們對永動機不但不可以畏懼退縮，相反的，應勇於檢視找出突破點才是正途。認為永動機不可能製成最大的盲點在於：不可能無中生有地獲得能量的觀點，以及各種能量堅持守恆原理的認識。即使德國著名物理學家和生理學家亥姆霍茲（h.helmholtz，1821-1894）是從永動機不可能實現的這個事實入手研究發現能量轉化和守恆原理，他的主要著眼點應是侷限於自然界的某些範疇而非一切。不管19世紀中葉，能量轉化和守恆原理得到了科學界的普遍承認；不論自然界的一切物質都具有能量，對應於不同的運動形式，能量也有不同的形式，如機械運動的動能和勢能，熱運動的內能，電磁運動的電磁能，化學運動的化學能等以各種形式發生變化或運動量發生轉移時，能量也從一種形式轉化為另一種形式，從一個系統傳遞給另一個系統；在轉化和傳遞中總能量始終不變的觀點多麼正確，所有談論者僅限於簡單而直接轉化與傳遞過程。就某種含意，並未考量永動機技術內容的相關配套與因應。這裡指涉永動機在需求上是比較複雜得多，所以人們不應該只是單純的註意到能量的直接轉化或傳遞，否則永動機只是可看而不中用。從這一觀點上，永動機其實從來就沒有違反守恆原理和熱學定律。在此得慎重揭發，把空氣或海水裏的熱能，通過一種巧妙的機器，全部轉化成我們所需要機械功的假設，分明是有心人設計的陷阱，是用來阻斷永動機機器的想法。利用海水裏的熱能，來進行各種不同的工作，粗看美事！當然這美夢是永遠也不可能實現的，因為它從未超越熱力學第二定律的限制。
歷史上追求永動機的人們，完全是基於一種良好的願望，即一再的失敗中被嘲諷為反科學的狂人，對待之不近人情，竟是如此情合以堪，他們種種的設計方案終歸失敗，主要是技術還不成熟（其實連科技界一樣對磁力應用依然非常陌生），和科學界一些認為永動機不可能被製造的錯覺。
新世紀的發展信念是：人類一旦面臨能源困境，將無法扼止永動機方案湧現，永動機隨將待勢而發，磁力和重力的魅力躍躍欲出，所以，用之不竭能源偉大工程實現，正等待那些敢於挑戰墨守成規事物的智者獻身操作。陳出不窮新發明不斷嶄露新的啟示：是要善用大自然的潛力，我們並不需要去製造無中生有的東西。永動機絕不是不可碰觸的禁區，比如磁力是自然存在於物質的潛量，不是被製造的－－「磁場是靜態量而非流動能」此強烈意味著，磁場特性本身可能超越守恆原理和熱力定律。誰都無法預料有可能一位聰慧絕頂，名不經傳的小人物有一日巧思設計，利用磁力提供的自然潛能：研究史上早已確定熱只能由高溫傳到低溫而無法反過來，所以科學界認定製造永動機為不可能的，但磁場不屬於流動能，無須創造無須補充，直接間接引用，不觸犯能量守恆原則。日前成功運轉的<螺管電池>證明可以藉由回授電力達成永動力，達到輸出源源不斷的電力。