فيزيك ناممكن؛ چرا هنوز هيچ ماشيني با حركت دائمي وجود ندارد؟

بي‌‌شك يكي از دغدغه‌‌هاي ذهني تمام علاقه‌‌مندان به دنياي فيزيك و مهندسي، موضوع ساخت ماشين‌‌هاي حركت دائمي است. اما بدنيست ابتدا نگاهي به تعريف دقيق ماشين در يكي از معتبرترين دانشنامه‌‌هاي جهان با نام بريتانيكا بيندازيم:

ماشين، ابزاري شامل يك يا چند جزء است كه از انرژي براي انجام كار مطلوب استفاده مي‌‌كند. ماشين‌ها از منابع انرژي حركتي و شيميايي، مكانيكي، هسته‌اي، گرمايي و الكتريكي تغذيه مي‌كنند و انرژي دريافتي را به‌منظور انجام فرايند از پيش تعيين‌شده براي دستيابي به هدف معين صرف مي‌كنند.

قطعا اين تعريف از ماشين بسيار گسترده است و مي‌‌تواند قطعاتي به‌‌سادگي يك پيچ تا سامانه‌‌هايي عظيمي درمقياس يك هواپيما را در برگيرد.؛ بااين‌حال، آنچه كه در تعريف ماشين به‌‌وضوح خودنمايي مي‌‌كند، اين عبارت است: «استفاده از انرژي براي انجام كار».

حال بياييد مفهومي را مطالعه كنيم كه به‌‌عنوان «حركت دائمي» و «ماشين حركت دائمي» شناخته مي‌‌شوند:

حركت دائمي، به‌‌معناي حركت هميشگي و توقف‌‌ناپذير يك جسم است و ماشين حركت دائمي، يك ماشين فرضي است كه بتواند بدون استفاده از هرگونه منبع انرژي بي‌‌وقفه كار كند.

تا همين‌‌جا هم با كمي دقت، مي‌‌توانيد متوجه تناقضي ظريف در تعاريف رسمي ماشين و ماشين حركت دائمي شويد. از يك سو در تعريف ماشين، به‌‌صورت واضح از نياز به انرژي براي انجام كار سخن رفته است و ازسوي ديگر، از ماشيني سخن مي‌‌گوييم براي انجام كار به اين انرژي نيازي ندارد!

اما موضوع به همين‌‌جا ختم نمي‌‌شود. ممكن است فردي از اساس به اين تعريف از ماشين ايراد وارد كند و بگويد اساسا چرا يك ماشين براي انجام كار بايد انرژي مصرف كند؟

اما چرا گاهي ما دچار توهم وجود ماشين‌‌هاي حركت دائمي مي‌‌شويم؟ برخي از اين دلايل ناشي از سوءبرداشت ما از نحوه‌‌ي كار برخي ماشين‌‌هاي طبيعي ظاهرا دائمي است؛ يعني ماشين‌‌هايي كه واقعا حركت دائمي ندارند؛ ولي به‌‌خاطر خطاي ناشي از عواملي مانند عدم درك صحيح «مقياس زماني كاركرد سيستم» يا «ورودي پنهان‌‌ انرژي»، تصور مي‌‌كنيم دائمي هستند.

درمورد عدم درك مقياس زماني، مي‌توان به مثال حركت اجرام آسماني اشاره كرد. ما تصور مي‌كنيم كه حركت سيارات در مدارهاي منظومه‌‌‌‌اي يك حركت دائمي است؛ درحالي كه حتي فضاي ميان‌‌ستاره‌‌اي نيز عاري از اصطكاك نيست و اين حركت‌‌هاي مداري نيز به‌‌صورت نامحسوس درحال كاهش سرعت هستند. درمورد عدم درك ورودي‌‌ پنهان انرژي هم مي‌‌توان به مثال جريان‌‌هاي بادي و اقيانوسي اشاره كرد كه در نگاه اول، منابع حركت دائمي به‌‌شمار مي‌‌آيند؛ درحالي كه ما اكثرا دركي از ورودي منبع انرژي آن‌‌ها (انرژي خورشيدي) نداريم. درحقيقت، به‌‌خاطرهمين وابستگي، اين سيستم‌‌ها را اصلا نمي‌‌توان سيستم مجزا محسوب كرد.

الگوي حركت سياره‌ها؛ پديده‌ه‌اي كه به‌اشتباه تصور مي‌شود نمونه‌اي از حركت‌هاي  دائمي در طبيعت است

براي رفع چنين ابهاماتي، برخي از متخصصان اقدام به دسته‌‌بندي انواع ماشين‌‌هاي حركت دائمي كرده‌‌اند. يكي از اين دسته‌‌بندي‌‌ها، براساس تناقض عملكرد آن‌‌ها با انواع قوانين ترموديناميكي انجام مي‌‌گيرد. يعني اينكه ببينيم يك ماشين حركت دائمي فرضي، كداميك از دو قانون اول يا دوم ترموديناميك را مي‌‌شكند.

دسته‌‌ي اول از اين ماشين‌‌ها، انواعي هستند كه قانون اول را نقض مي‌‌كنند؛ يعني قانون كار و انرژي. اين قانون به‌سادگي مي‌گويد كه در يك فرايند چرخه‌اي، كار انجام‌شده توسط سيستم مجزا (ايزوله) متناسب با انرژي مصرف‌شده توسط آن سيستم است. پيامد اصلي قانون اول براي ما آن است كه ماشين حركت دائمي تنها هنگامي مي‌تواند كار كند كه هيچ انرژي‌ به پيرامون خود ندهد. اگر انرژي‌ خروجي از ماشين بيش از انرژي ورودي به آن باشد (و البته جرم ماشين هم ثابت بماند)، چنين دستگاهي نمي‌تواند براي هميشه كار كند. شايد بتوان گفت اولين نسل از ماشين‌‌هاي حركت دائمي اختراع‌‌شده نيز متعلق به همين دسته بوده‌اند. سابقه‌‌ي اولين تلاش براي ساخت يك ماشين حركت دائمي به طراحي رابرت فلاد در سال ۱۶۱۸ نسبت داده مي‌‌شود. وي سعي كرده بود با طراحي يك مكانيزم متشكل از يك مخزن، آسياب آبي و پيچ ارشميدس، نوعي محرك دائمي باقابليت توليد انرژي مازاد ايجاد كند كه البته به‌‌دليل نقض قانون اول ترموديناميك هرگز كار نكرد.

به‌‌همين ترتيب، بسياري از طرح‌‌هاي اوليه‌ي ديگر از ماشين‌‌هاي حركت دائمي در دوره‌‌ي رنسانس (شامل مولدهايي كه با مصرف انرژي ورودي كمتر، انرژي خروجي بيشتري توليد مي‌‌كردند) به‌‌سادگي از عدم درك بشر از قانون اول ترموديناميك نشات مي‌‌گرفتند. با كشف اين قانون در قرن هجدهم، بسياري از اين طرح‌‌ها به‌‌مرور منسوخ شدند و طرفداران خود را از دست دادند. اين قضيه موجب شد كه شيفتگان فيزيك ناممكن، به‌‌سمت نقض قانون دوم ترموديناميك بروند و اقدام به طراحي و معرفي ماشين‌‌هاي حركت دائمي دسته‌ي دوم كردند.

براي اينكه مفهوم افزايش آنتروپي را در قانون دوم ترموديناميك بهتر درك كنيد، بياييد فرض كنيم كه يك ليوان چاي جديد داريم كه درون آن چند تكه يخ انداخته شده است. آنچه ما در واقعيت شاهد آن خواهيم بود، مسلما كوچك‌تر شدن تدريجي يخ‌ها و سردشدن چاي است. حال فرض كنيد اين اتفاق نيفتد و درعوض، ما شاهد بزرگ‌تر شدن قطعات يخ و گرم‌تر شدن چاي درون ليوان باشيم. مشاهده‌ي چنين پديده‌اي، هيچ‌گونه منافاتي با قانون اول ترموديناميك ندارد (چراكه مي‌توان فرض كرد انرژي از منبع سرد به منبع گرم منتقل شده است)؛ اما آنچه كه مانع از وقوع چنين پديده‌اي مي‌شود، بيان كلاوسيوس از قانون دوم ترموديناميك است. مي‌توان گفت چون از لحاظ ترموديناميكي، آنتروپي يخ كمتر از چاي است؛ پس اين سيستم بايد در گذر زمان و رسيدن به تعادل، به‌سمت ذوب يخ (يعني افزايش آنتروپي) پيش رود؛ به‌عبارتي، گرما به‌طور طبيعي تنها مي‌تواند از منبع گرم به‌سمت منبع سرد جريان يابد.

اين بيان از قانون دوم مي‌گويد كه براي انتقال گرما از منبعي با دماي پايين (سرد) به منبعي با دماي بالاتر (گرم)، نياز به كار است. پس هيچ ماشين ايزوله‌اي نخواهد توانست با معكوس ‌كردن اين روند، از محيط پيرامون خود انرژي جذب كند و آن را به كار تبديل كند. اين همان چيزي است كه ماشين‌هاي محرك دائمي نوع دوم، مدعي انجام آن هستند.

طرح پيشنهادي رابرت فلاد براي ماشين حركت دائمي در سال ۱۶۱۸

ماشين‌‌هايي كه قانون دوم را نقض مي‌‌كنند، اين ادعا را دارند كه مي‌‌توانند مقاديري از انرژي را كه پيش‌‌تر به‌‌صورت يكنواخت در محيط توزيع شده است، دوباره به كار تبديل كنند و اين به‌‌معناي معكوس‌‌كردن روند افزايش آنتروپي سيستم است.

از مشهورترين نمونه‌‌هاي ماشين‌‌هاي دسته‌ي دوم، طرح چرخدنده‌‌ي براونيان در سال ۱۹۱۲ است؛ طرحي كه سعي داشت تنها از حركت مولكول‌‌هاي گاز در يك سيستم با دماي يكنواخت، كار توليد كند. اين امر از انديشه متخصصينات قانون دوم به‌‌طور كامل مردود است؛ چراكه اساسا بدون وجود اختلاف دما يا انرژي در يك سيستم، امكان استحصال انرژي از آن وجود ندارد.

مانع اصلي بر سر راه كاركرد چنين ماشين‌‌هايي در مفاهيم پايه‌ي مكانيك كوانتوم نهفته است. بنابر اصل عدم قطعيت هايزنبرگ، تمامي ذرات داراي ماهيتي تصادفي هستند. هر آنچه كه حركت مي‌‌كند، به‌‌ناچار دچار اصطكاك و افزايش گرماي داخلي مي‌‌شود و حتي اگر تمامي اين گرما را با ايزولاسيون مهار كنيم، بازهم بخشي از انرژي به‌‌شكل تشعشع، ازطريق ديواره‌‌هاي اين سيستم ايزوله به بيرون درز خواهد كرد. دراين‌ميان، اگر تابش‌‌هاي گرانشي را نيز در انديشه متخصصين بگيريم، مي‌‌بينيم كه هيچ ماشين حركت دائمي نخواهد توانست تا ابد كار كند. پس اين تنها «زمان» است كه نهايتا تعيين خواهد كرد بهترين ماشين محرك دائمي چقدر كار خواهد كرد.

بسياري از ماشين‌‌هاي محرك دائمي كه در يوتيوب مي‌‌بينيد، بر اين ادعا استوار هستند كه مي‌‌توانند انرژي لازم را براي حركت دائمي خود را تأمين كنند (محرك دائمي) و برخي حتي انرژي اضافي را براي تغذيه‌‌ي منابع خارجي نيز دارند (مولدهاي انرژي رايگان و بدون ورودي). در اين ماشين‌‌ها، نسبت انرژي خروجي به انرژي ورودي، عددي بزرگتر از يك است؛ گزاره‌‌اي كه از اساس غلط است. همان‌‌گونه كه پيش‌‌تر نيز گفتيم امروزه مدعيان ماشين‌‌هاي حركت دائمي ديگر سخني از نقض قانون كار و انرژي به ميان نمي‌‌آورند، هم‌‌اينك اكثر آنان قانون دوم ترموديناميك را نشانه رفته‌‌اند؛ يعني استخراج انرژي از جايي كه هيچ‌‌گونه اختلاف سطح انرژي وجود ندارد. يكي از همين منابع انرژي رايگان كه اخيرا با استقبال فراواني مواجه شده است، مفهوم «انرژي نقطه‌‌ي صفر» در خلاء كوانتومي است.

بسياري از مباحث كوانتومي مرتبط‌‌با اين موضوع، خارج از حوصله‌‌ي اين نوشتار است؛ اما نكته‌‌اي كه بايد بدان توجه كنيم اين است كه انرژي در تمام نقاط يك فضاي خلاء كاملا يكسان است و اين يعني هيچ‌‌گونه اختلاف سطحي در انرژي خلاء كوانتومي وجود ندارد. پس نمي‌‌توان به آن به‌‌عنوان يك منبع انرژي درانديشه متخصصين گرفت (هرچند ممكن است بتوان با كمك پديده‌‌هايي نظير اثر كاسيمير و كاهش ميزان انرژي نقطه‌‌ي صفر ميان دو صفحه‌‌ي رسانا، انرژي لازم براي حركت رفت‌‌وبرگشتي اين صفحات را فراهم كرد، ولي انجام چنين كاري خود نياز به مصرف ميزاني از انرژي دست‌كم برابر با خروجي نهايي خود سيستم خواهد داشت).

در مجموع، بسياري از مدعيان ساخت ماشين حركت دائمي و مولدهاي با انرژي صفر، حتي از دانش و مهارت لازم براي طراحي يك چرخ بالانس‌‌شده هم برخوردار نيستند و به‌‌همين دليل، عموما دست به دامان مفاهيمي ساختگي نظير انرژي نقطه‌‌ي صفر، پلاسما، تسلا، ارتعاشات، انرژي كيهاني و امثالهم مي‌‌شوند. درواقع بايد بدانيد دغدغه‌‌ي اين گروه از افراد بيشتر در جذب كمك‌‌هاي مالي بيشتر يا فروش تجهيزات و فيلم‌‌هاي يادگيريي بلامصرف است تا نجات بشر از بحران جهاني انرژي.

پس بهتر است دفعه‌‌ي بعد پيش از آن‌‌كه با شنيدن خبري درمورد نقض قوانين فيزيك پايه، هيجان‌‌زده شويد، كمي به سابقه‌‌ي طولاني اين ادعاها در تاريخ علم توجه كنيد و از خود بپرسيد باوجود اين خيل عظيم از نوابغ ساختارشكن، چرا هنوز هم در پس سده‌‌ها، همچنان قوانين فيزيك كلاسيك در جهان ما جاري است؟