서기 1159년 경에
바스카라라는 이름의 수학자가
수은을 담은 곡선 모양의 통이 있는 바퀴 도안을 그렸습니다.
그의 생각에, 바퀴가 돌면
통 안의 수은이 바닥 쪽으로 흘러서
바퀴 한쪽이 늘 다른 쪽 보다 무거워지고
그 불균형으로 바퀴가 영원히 돌 거라고 추측했죠.
바스카라의 도안은 영구기관의 초기 디자인 중 하나였습니다.
외부에서 힘을 공급받지 않고도 영원히 움직이는 기관이죠.
풍차를 돌리기 위해 필요한 바람을 풍차가 직접 만든다고 상상해보세요.
또는 자기가 내는 빛으로 전력을 공급받는 전구도 있겠죠.
이런 장치들은 많은 발명가들의 상상력을 불러일으켰습니다.
이런 기관들은 인간과 에너지와의 관계를 바꾸어 놓을 수 있기 때문이죠.
예를 들자면, 어느 영구기관을 만들어서
완벽하게 효율적인 시스템의 일부로 인간을 포함시킬 수 있다면
인간의 생명을 영원히 유지할 수 있을 것입니다.
그런데 단 한 가지 문제가 있습니다.
작동하지 않는다는 것이죠.
모든 영구기관에 대한 개념은
적어도 하나의 열역학 기본 법칙을 위반합니다.
이 법칙은 물리학의 한 분야로서
다른 종류의 에너지들 사이의 관계를 정의하는 법칙입니다.
열역학 제1법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 없어질 수 없습니다.
처음 투입한 것 이상의 에너지가 나올 수 없다는 것이죠.
이 법칙 때문에 유용한 영구기관은 존재하지 않습니다.
기계는 오직 자신이 받은 만큼의 에너지만 생산할 수 있기 때문이죠.
자동차 시동을 걸거나 휴대폰을 충전할 전력이 새로 나오진 않을 것입니다.
하지만 기계가 계속 움직이게만 하는 것은 어떨까요?
발명가들은 여러 아이디어를 제안했죠.
그 중 몇몇은 바스카라의 불균형 바퀴를 변형한 것이었습니다.
굴러가는 공이나 회전 막대에 달린 추를 이용하는 방법이지만
어느 것도 작동하지 않습니다.
이동하는 부분은 바퀴의 한쪽을 무겁게 만들기도 하지만
무게 중심을 회전축보다 아래쪽으로 옮기기도 합니다.
무게중심이 낮아지면
바퀴는 그저 진자처럼 앞뒤로 왔다 갔다 하다가
멈추어 버립니다.
그렇다면 달리 접근해볼까요?
17세기에 로버트 보일은 새로운 아이디어를 생각해냅니다.
스스로 물을 공급하는 항아리죠.
그의 이론에 따르면
액체와 물체 표면 사이에 발생하는 인력인 모세관 현상에 의해
가는 관 속으로 물이 빨려 올라가면서
그릇에서 물이 끊임없이 순환하도록 할 수 있다는 것입니다.
하지만 만약 모세관 활동이 중력을 극복하고
물을 빨아올릴 정도라면
물이 다시 그릇 안으로 떨어지는 것도 막을 것입니다.
자석을 사용한 경우도 있습니다. 이 한쌍의 경사로와 같이 말이죠.
꼭대기의 자석에 의해 공이 위로 끌려올라갔다가
구멍으로 떨어집니다.
이 순환이 반복되는 것이죠.
스스로 물을 채우는 항아리처럼 이 장치도 실패합니다.
자석이 공을 꼭대기에 붙잡아 놓기만 하기 때문이죠.
어떻게 해서 작동한다고 하더라도
시간이 흐르면 자석의 세기가 줄어들어
결국은 작동을 멈추게 됩니다.
이런 영구기관들이 계속 작동하려면
추가적인 에너지를 만들어서
장치가 멈추는 경계점을 뛰어넘어야 합니다.
열역학 제1법칙을 위반하는 것이죠.
몇몇은 작동하는 것처럼 보이는 것도 있습니다.
하지만 실제로는 하나같이 에너지를
외부에서 끌어오는 것으로 드러납니다.
비록 기술자들이 열역학 제1법칙을 위반하지 않는 기계를
설계할 수 있다고 하더라도
여전히 현실에선 작동하지 않습니다. 열역학 제2법칙 때문이죠.
열역학 제2법칙에 따르면
마찰 등의 과정에서 에너지가 분산됩니다.
실제 영구기관은 움직이는 부분이나
공기 또는 물 분자와 상호작용하게 될 것이며
약간의 마찰과 열을 발생하게 됩니다.
이는 진공 상태에서도 마찬가지죠.
그 발생된 열이 바로 에너지 손실입니다.
그 때문에 에너지가 계속 소실됩니다.
장치를 움직일 수 있는 에너지의 양이 줄어들게 되고
결국 장치는 작동을 멈추게 됩니다.
지금까지 이 두 가지 열역학 법칙들이
영구기관에 대한 모든 아이디어와
완벽한 효율적 에너지 생산의 꿈을 방해하였습니다.
하지만 영구기관은 절대로 없다고 단정짓기는 어렵습니다.
왜냐하면 우주엔 아직도 우리가 모르는 것들이
너무나 많기 때문이죠.
어쩌면 전혀 새로운 형태의 물질을 발견해서
열역학 법칙을 수정해야 할지도 모릅니다.
아니면 양자 단위에선 영구기관이 있을지도 모르죠.
확신할 수 있는 것은 우리가 연구를 멈추지 않을 것이란 사실입니다.
현재로서는 진정으로 영구적인 것은 우리의 탐구뿐인 것 같습니다.