永动机并不违反守恒原理和热学定律
巫瑪斯．金路兒 2008/07/01
在网路上我们很容易可以撷取一些关于永动机的争议文章，然而大多数人认为永动机是违反热学基本定律的。不消耗能量而能永远对外做功的机器，违反了热学第一定律，这被指为“第一类永动机”。此外，在没有温度差的情况下，从自然界中的海水或空气中不断吸取热量而使之连续地转变为机械能的机器，同样违反了热学第二定律，这被说为“第二类永动机”。
研发历史上有不少人有过这样美好的愿望：制造一种不需要动力的机器，它可以源源不断的对外界做功，这样可以无中生有的创造出巨大的财富来。在科学历史上从没有过永动机成功过，能量守恒原理的发现，使人们认为：任何一部机器，只能使能量从一种形式转化为另一种形式，而不能无中生有的制造能量，因此根本不能制造永动机。物体内能的增加等于物体从外界吸收的热量与物体对外界所做功的总和，构成了学理上不可破的认知。
同样的，曾经有人设计一类机器，希望它从高温热吸取热量后全部用来做功。这种机器的效率不是可以达到100%，因为机械能与内能的转化具有方向性，机械能可以转化内能，但内能却不能全部转化为机械能，而不引起其它损失。
永动机这个名词可以分作两个层面来思考，一是纯粹的运行，如飞轮之类，一旦开始运动，若无摩擦阻力作用，是可以永久继续运动下去的，这在实际上虽然不易实现，但是在道理上说得通，即毫无功用。另一是试图去保持永恒的运动，并期望在没有外界能源供给，即不消耗任何燃料和动力的情况下，源源不断地得到有用的功。
重点是，对这类唯物主义为宗的科技至上的发表言论表示不以为然，科技有其伟大的成就即不一定完全是没有瑕疵的，事实上，我们都很清楚科技历史发展是在不断的修正中发开的，也因为如此，我们当然没有理由在关于“永动机”这一块打不死的人类梦想退出。就守恒原理而言，我们清楚看到永动机历经几百年来从未看到真正成功的例子，但一竿子打翻船认为永动机是不可能制造成功的发明梦幻，未必确实，姑且不论永动机未来是否成功制造，我们很难断言不断成熟之后的人类知识有一日会跨越一切的摒障，文明历史上不乏今日不是明日是的例子，比如地圆说等等。
物质是无机的，人类的思维是有机的，凭著这一点我们不用人定胜天，但人类无尽的创造力是与生俱来的，谁都无法保证今天看来的不是，不会是明日的可行，永动机的挑战性与利益的诱惑是恒常，只要一日永动机不被创造出来，人们是不肯罢休的。
任何人都可以在网路上查到已知披露的关于永动机所进行，并且已获得专利申查通过有案者超过三百多件，这些永动机案子都是那些可爱的发明家们倾其一生精力努力所成，其中不少还是深具名望的科技人员沥血熬出所达成的心血。而最耐人寻味的是，这些发明道理上说得通，绝大多是只能看不中用。永动机的魅力是期望不消耗任何燃料和动力的情况下，源源不断地得到有用的功。
正规一点或保守的科技人士不敢碰触，因为违反守恒律：永动机是不可能实现的梦想。永动机无法超出热学的界限所以这项努力将徒劳无功的意义为何？当人们还没有掌握自然的基本规律时，这种不成的想法是正常的，反之，将引诱一批杰出创造才能的人，追求这种梦想实现的作为也不为过。即有人一再引古警语指出：永动机的想法起源于印度，公元1200年前后，这种思想传到伊斯兰教世界再到西方。在欧洲，早期最著名的一个永动机设计方案是十三世纪时一个叫亨内考的法国人提出来设计，在轮子中央有一个转动轴，轮子边缘安装著12个可活动的短杆，每个短杆的一端装有一个铁球。方案的设计者认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此，右边的球产生的转动力矩要比左边的球产生的转动力矩大。这样轮子就会永无休止地沿著箭头所指的方向转动下去，并且带动机器转动。这个设计被不少人以不同的形式复制出来，但从未实现不停息的转动。后来，文艺复兴时期义大利的达•芬奇（leonardo da vinci，1452-1519）也造了一个类似的装置，他设计时认为，右边的重球比左边的重球离轮心更远些，在两边不均衡的作用下会使轮子沿箭头方向转动不息，但实验结果却是否定的。于是达•芬奇敏锐地由此得出结论：永动机是不可能实现的。17世纪和18世纪时期，人们又提出过各种永动机设计方案，有采用“螺旋汲水器”的，有利用轮子的惯性、水的浮力或毛细作用的，也有利用同性磁极之间排斥作用的。有学识的和无学识的人都相信永动机是可能的，但是，所有这些方案都无一例外的以失败告终。于是，人们逐渐相信认为，任何机器对外界做功，都要消耗能量，当时的一些著名科学家如斯台文、惠更斯等都认定用力学方法不可能制成永动机。
科学家的务实也好，发明家的浪漫也好，都是今日文明的无尽推展的源动力。19世纪中叶，一系列科学工作者为正确认识热功能转化和其它物质运动形式相互转化关系做出了巨大贡献，不久后伟大的能量守恒和转化定律被发现了。人们认识到，自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，可从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递的过程中能量的总和保持不变，定律提供了更精确、更丰富的科学基础。但能量守恒定律会不会如一批人所指出的，已有力地打击那些认为物质运动可以随意创造和消灭的观点，使永动机的梦想完全彻底被打破。
上述的说法是否完全正当正确，引用早期的物理观是否不再有必要检视一番？比如热机可直接从海洋或大气中吸取热量使之完全变为机械功的设想说法究竟有无言义上的弊端本身就很具可疑性。即使在大量实践经验的基础上，英国物理学家开尔文于1851年提出了一条新的普遍原理：物质不可能从单一的热源吸取热量，使之完全变为有用的功而不产生其它影响的观点是正确的，即并不意味热机情形通盘适用于其他场域，像磁力是一种静能形式存在，纯粹潜在的能势不涉及能量流动，就无法比照热能流动观，磁能磁场由其不同的形式与作用形态。换言之，热机所受到物理限制，并不等同磁力的范畴。固然层出不穷的永动机设计方案，都在科学的严格审查和实践的无情检验下一一失败了，甚至于1775年法国科学院宣布“本科学院以后不再审查有关永动机的一切设计”的宣示是否有过于武断令人迟疑。这说明在当时科技学界，低估了未来科技进步可能的潜在机会。
人们过度关注“无中生有，凭空产生”的预期心理，即一再陷于能量守恒律的框架里喊著制造永动机的企图是没有成功的希望。人们一再引用初期人们不成熟概念下所进行的永动机方案，比如大约在1570年，义大利有一位教授叫泰斯尼尔斯，提出用磁石的吸力可以实现永动机。他设计一个磁石ａ，铁球c受磁石吸引可沿斜面滚上去，滚到上端的e处，从小洞b落下，经曲面bfc返回，复又被磁石吸引，铁球就可以沿螺旋途径连续运动下去。那时还没有库仑定律，他当然也不知道磁力大小是与距离的平方成反比变化的，如今在我们看来他的设计是荒谬到不行的地步。
类似的例子还有许多，这类被视为徒劳无益的研发是如此广泛和诱人，在这样的时期与氛围之下逐步认定力学定律的客观规律性不允许永动机存在。遗憾的是，在这种种不利的发展上使达•芬奇之后，斯蒂文于1568年写了一本《静力学基础》，其中讨论斜面上力的分解问题时，更坚定地提出了永动机不可能实现的观点。在他著作的插图里写著“运动没有尽头是荒谬的”。
认为各种永动机设计方案终必失败，制造永动机美好梦想终必破灭的认知是如此轻率而可笑，这种仅藉早期的学理基础所发出的警讯是不成熟的，充满著以一盖遍的错觉，一再认定永动机不可能制造是失败主义者的典型思想，它违背了科学的探讨精神，人们对永动机不但不可以畏惧退缩，相反的，应勇于检视找出突破点才是正途。认为永动机不可能制成最大的盲点在于：不可能无中生有地获得能量的观点，以及各种能量坚持守恒原理的认识。即使德国著名物理学家和生理学家亥姆霍兹（h.helmholtz，1821-1894）是从永动机不可能实现的这个事实入手研究发现能量转化和守恒原理，他的主要著眼点应是局限于自然界的某些范畴而非一切。不管19世纪中叶，能量转化和守恒原理得到了科学界的普遍承认；不论自然界的一切物质都具有能量，对应于不同的运动形式，能量也有不同的形式，如机械运动的动能和势能，热运动的内能，电磁运动的电磁能，化学运动的化学能等以各种形式发生变化或运动量发生转移时，能量也从一种形式转化为另一种形式，从一个系统传递给另一个系统；在转化和传递中总能量始终不变的观点多么正确，所有谈论者仅限于简单而直接转化与传递过程。就某种含意，并未考量永动机技术内容的相关配套与因应。这里指涉永动机在需求上是比较复杂得多，所以人们不应该只是单纯的注意到能量的直接转化或传递，否则永动机只是可看而不中用。从这一观点上，永动机其实从来就没有违反守恒原理和热学定律。在此得慎重揭发，把空气或海水里的热能，通过一种巧妙的机器，全部转化成我们所需要机械功的假设，分明是有心人设计的陷阱，是用来阻断永动机机器的想法。利用海水里的热能，来进行各种不同的工作，粗看美事！当然这美梦是永远也不可能实现的，因为它从未超越热力学第二定律的限制。
历史上追求永动机的人们，完全是基于一种良好的愿望，即一再的失败中被嘲讽为反科学的狂人，对待之不近人情，竟是如此情合以堪，他们种种的设计方案终归失败，主要是技术还不成熟（其实连科技界一样对磁力应用依然非常陌生），和科学界一些认为永动机不可能被制造的错觉。
新世纪的发展信念是：人类一旦面临能源困境，将无法扼止永动机方案涌现，永动机随将待势而发，磁力和重力的魅力跃跃欲出，所以，用之不竭能源伟大工程实现，正等待那些敢于挑战墨守成规事物的智者献身操作。陈出不穷新发明不断崭露新的启示：是要善用大自然的潜力，我们并不需要去制造无中生有的东西。永动机绝不是不可碰触的禁区，比如磁力是自然存在于物质的潜量，不是被制造的－－“磁场是静态量而非流动能”此强烈意味著，磁场特性本身可能超越守恒原理和热力定律。谁都无法预料有可能一位聪慧绝顶，名不经传的小人物有一日巧思设计，利用磁力提供的自然潜能：研究史上早已确定热只能由高温传到低温而无法反过来，所以科学界认定制造永动机为不可能的，但磁场不属于流动能，无须创造无须补充，直接间接引用，不触犯能量守恒原则。日前成功运转的<螺管电池>证明可以借由回授电力达成永动力，达到输出源源不断的电力。