曲婷婷

About the Film

當(dāng)溫室效應(yīng)愈演愈烈，地球快要“發(fā)燒”的時(shí)候，應(yīng)該怎么辦呢？在近期上映的科幻電影《雪國列車》中，人類社會選擇了使用冷凍劑來解決這個(gè)問題。名為CW-7的冷凍劑極其有效，甚至讓地球的氣溫降低到了零下六七十?dāng)z氏度。出人意料的極寒天氣突然來臨，大多數(shù)人都死于寒冷和恐慌之中，只有極少數(shù)的人進(jìn)入了一個(gè)避難所——一列永遠(yuǎn)不會停下來的火車。它設(shè)施配備完善，甚至構(gòu)建了自己的生態(tài)系統(tǒng)。等地球環(huán)境重新變得溫暖，列車才會停下，讓幸存的人們重新生活。17年過去了，列車仍然在運(yùn)行著，然而列車?yán)锏娜藚s被分成了三六九等，被壓迫者與上等人之間產(chǎn)生了激烈的沖突……在這部電影中，最讓筆者覺得不可思議的，就是那列永不停歇的火車，它怎么能一直運(yùn)行呢？這是一個(gè)建立在永動機(jī)基礎(chǔ)上的科幻故事。

Real Story

違反定律的永動機(jī)

永動機(jī)，是指違反了熱力學(xué)基本定律的、不能實(shí)現(xiàn)的發(fā)動機(jī)。在現(xiàn)實(shí)世界里，不管做什么都要靠外界能源來提供能量，人耕田需要消耗人力和畜力；汽車行駛需要燃燒汽油或柴油；電動車需要消耗電能……但是能源都是有限的，所以，從古至今，人們都一直希望能制造出一種可以永不停息地輸出能量的裝置。在沒有外界能源供給的情況下，它就能源源不斷地得到有用的功，即不斷產(chǎn)生能量。這種永動機(jī)違反了熱力學(xué)第一定律，被稱為“第一類永動機(jī)”。

人們還設(shè)想了另外一種永動機(jī)：能從自然界中的海水或空氣中不斷吸收能量，使之連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，同時(shí)不產(chǎn)生其他的影響。這樣的裝置違反了熱力學(xué)第二定律，故被稱為“ 第二類永動機(jī)”。

History

永動機(jī)的神話

在歷史上，第一類永動機(jī)曾名噪一時(shí)，很多當(dāng)時(shí)杰出的科學(xué)家提出了自己的設(shè)想。

亨內(nèi)考永動機(jī) 法國人亨內(nèi)考在13世紀(jì)設(shè)計(jì)了“魔輪”。如圖1所示，“魔輪”中央有個(gè)轉(zhuǎn)動軸，軸的邊緣等距安裝了12根活動短桿，每根短桿一端裝有一個(gè)鐵球。亨內(nèi)考認(rèn)為，右邊的球比左邊的球離軸遠(yuǎn)些，因此其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩要比左邊球的大，力矩的不平衡可以驅(qū)動“魔輪”一直轉(zhuǎn)動下去。這個(gè)設(shè)計(jì)被很多人復(fù)制出來，但所有人都失敗了。

達(dá)·芬奇在15世紀(jì)提出了類似設(shè)計(jì)（圖2），利用隔板的形狀，使右邊的重球滾到比左邊的重球離輪心更遠(yuǎn)些的地方。兩邊重球力矩不均衡，就會使輪子轉(zhuǎn)動不息。他也失敗了。在以上兩個(gè)設(shè)計(jì)中，雖然右邊的球施加給輪子的旋轉(zhuǎn)力矩

較大，但球的個(gè)數(shù)在減少。會有一個(gè)適當(dāng)?shù)奈恢茫笥覂蓚?cè)的球施加于輪子的相反方向的力矩恰好相等、相互抵消，使輪子平衡靜止下來。

流水落差永動機(jī) 16世紀(jì)，一位機(jī)械設(shè)計(jì)師斯特爾提出的設(shè)計(jì)方案如圖3所示。上面水槽流出的水沖擊水輪轉(zhuǎn)動，帶動水磨，同時(shí)通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新帶到上面水槽中，這樣就能不停運(yùn)轉(zhuǎn)。但實(shí)際上，水槽中水的勢能主要轉(zhuǎn)化成兩部分，一部分帶動水磨轉(zhuǎn)動，另一部分轉(zhuǎn)化為螺旋汲水器的功，而這部分功又轉(zhuǎn)化為水的勢能。所以，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化和守恒定律，流回水槽的水會越來越少。當(dāng)水槽中的水全部流進(jìn)蓄水池里時(shí)，該裝置就停止了轉(zhuǎn)動。因此，這種永動機(jī)也不可能實(shí)現(xiàn)。

浮力永動機(jī) 如圖4，一串木球繞在兩個(gè)輪子上，部分木球放在盛有水的容器中。設(shè)計(jì)者認(rèn)為，左右兩邊木球數(shù)相等，鏈條本該平衡，但部分木球受到水的浮力，就會向上運(yùn)動，從而帶動整串木球運(yùn)動起來。但是這個(gè)永動機(jī)仍然是失敗的，因?yàn)楫?dāng)下面的木球穿過容器底時(shí)，它要承受水的壓力，這個(gè)力會抵消上面幾個(gè)木球受到的浮力，自然無法運(yùn)轉(zhuǎn)了。

Future Science

新 的 夢 想

主流科學(xué)界已達(dá)成了共識：永動機(jī)不可能制成，也不贊成人們把時(shí)間和精力花在它上面。有的科學(xué)家把目光放在了新能源上，如可控核聚變，如能實(shí)現(xiàn)，完全可以像電影中那樣讓列車運(yùn)行十幾年。

另外，真空是有能量的，只不過其能量十分微弱。巴西的物理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，就像物質(zhì)會在引力的作用下聚集成團(tuán)形成星球一樣，在特殊情況下，宇宙中的真空能也會在引力的作用下聚集起來，甚至?xí)a(chǎn)生額外的引力作用。把這些真空能收集起來作為能源使用，簡直就相當(dāng)于一種宇宙永動機(jī)。當(dāng)然，這仍然是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢想。