Vào những năm 1159 sau Công nguyên,
nhà toán học tên là Bhaskara
đã xây dựng một thiết kế bánh xe chứa các khoang đựng thuỷ ngân lỏng.
Ông cho rằng khi bánh xe quay,
thuỷ ngân sẽ luôn chảy về đáy của các khoang chứa nước,
khiến cho một phía bánh xe luôn luôn nặng hơn phía còn lại.
Sự mất cân bằng đó sẽ khiến bánh xe quay vĩnh viễn.
Bản vẽ của Bhaskara là một trong các thiết kế lâu đời nhất
của động cơ vĩnh cửu,
một loại thiết bị sinh công vô hạn mà không cần nhận năng lượng từ hệ ngoài.
Hãy tưởng tượng một cối xay gió tạo ra sức gió khiến nó tự quay.
Hoặc một bóng đèn tạo ra điện giúp nó sáng nhờ chính ánh sáng nó phát ra.
Những thiết bị kiểu này thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà sáng chế
bởi chúng có thể thay đổi hoàn toàn mối liên hệ giữa chúng ta và năng lượng.
Chẳng hạn nếu bạn có thể tạo ra một dạng động cơ vĩnh cửu,
một hệ thống vận hành hoàn hảo trong đó con người là mắt xích quan trọng,
điều đó sẽ giúp sự sống duy trì vĩnh viễn.
Nhưng chỉ có một vấn đề.
Chúng không hề tồn tại.
Các ý tưởng về động cơ vĩnh cửu
đều vi phạm một hay nhiều Nguyên lý nhiệt động lực học,
một nhánh của Vật lý chuyên nghiên cứu mối quan hệ
giữa các dạng năng lượng khác nhau.
Nguyên lý I Nhiệt động lực học phát biểu: năng lượng không tự sinh ra hay mất đi.
Bạn không thể thu được nhiều năng lượng hơn lượng bạn đã cung cấp cho hệ.
Điều đó đã ngay lập tức bác bỏ nguyên lý hoạt động của động cơ vĩnh cửu
bởi công sinh bởi động cơ chỉ có giá trị tối đa bằng chính năng lượng nó tiêu thụ.
Sẽ không có năng lượng dư để ta nạp ắc quy xe hay sạc điện thoại.
Nhưng nếu ta chỉ muốn nó tự chạy mãi mà không cần sinh thêm công thì sao?
Các nhà sáng chế đã đề xuất nhiều ý tưởng,
trong đó có những phiên bản cải tiến của bánh xe Bhaskara,
được thay thế bằng bi sắt hoặc các vật nặng gắn trên tay quay.
Chúng đều thất bại.
Các bộ phận di chuyển khiến một phía bánh xe nặng hơn,
đồng thời chúng đã hạ thấp trọng tâm của hệ về phía dưới tâm bánh xe.
Với toạ độ trọng tâm thấp,
bánh xe sẽ dao động qua lại như một con lắc,
cuối cùng sẽ dừng hẳn.
Vậy với cách tiếp cận vấn đề khác thì sao?
Vào thế kỷ 17, Robert Boyle đề xuất một ý tưởng
về một bình nước tự chảy.
Ông cho rằng nhờ hiện tượng mao dẫn,
một hiện tượng liên kết giữa chất lỏng và các bề mặt rắn
giúp nước chảy thành dòng trong các ống tiết diện nhỏ,
sẽ giúp nước chảy tuần hoàn vĩnh viễn trong bình.
Nhưng nếu lực hút do mao dẫn đủ mạnh để thắng trọng lực
và giúp nước chảy ngược lên,
thì chúng cũng đủ mạnh để ngăn nước chảy lại xuống bình.
Cũng tồn tại nhiều phiên bản khác, ví dụ với con dốc đặt nam châm này.
Quả bóng sẽ lăn ngược lên dốc do lực từ của nam châm đặt trên đỉnh,
rơi xuống lỗ và lăn xuống dưới,
và tiếp tục lặp lại quá trình trên.
Mô hình này thất bại bởi lẽ tương tự như chiếc bình nước tự chảy,
nam châm sẽ giữ luôn quả bóng trên đỉnh dốc.
Thậm chí khi hệ có thể hoạt động bằng cách nào đó,
lực từ do nam châm gây ra cũng yếu dần theo thời gian
và mất hẳn khả năng hút.
Để một động cơ làm việc liên tục,
chúng cần tạo ra một chút năng lượng dư
để giúp duy trì hệ luôn vượt qua trạng thái nghỉ,
vượt qua rào cản của Nguyên lý I Nhiệt động lực học.
Khi xét đến một động cơ đang chạy liên tục,
điều thực tế là chúng vẫn buộc phải lấy năng lượng
từ nguồn bên ngoài.
Thậm chí khi các kỹ sư bằng cách nào đó thiết kế được một chiếc máy
không vi phạm Nguyên lý I Nhiệt động lực học,
chúng vẫn không tồn tại trong thực tế do đã vi phạm Nguyên lý II.
Nguyên lý II Nhiệt động lực học
nói rằng năng lượng sẽ bị mất mát đi do các yếu tố ngoại cảnh, ví dụ ma sát.
Mọi loại động cơ đều cần các cơ cấu chuyển động
hay các tương tác với phần tử nước hay không khí môi trường,
điều đó sẽ tạo ra ma sát và một lượng nhiệt nhỏ,
thậm chí ở trong chân không.
Nhiệt năng đó ra khỏi hệ
và bị mất mát đi,
làm giảm lượng năng lượng còn lại để giúp duy trì hệ,
chúng giảm mãi đến khi chiếc máy dừng hoạt động hẳn.
Cho đến giờ, hai Nguyên lý Nhiệt động học này
đã bác bỏ mọi ý tưởng về động cơ vĩnh cửu
và những ước mơ về cách khai thác năng lượng hoàn hảo đằng sau đó.
Nhưng cũng rất khó để khẳng định rằng ta không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu
bởi lẽ còn rất nhiều điều bí ẩn trong vũ trụ mà ta chưa biết tới.
Có lẽ ta sẽ tìm ra một trạng thái mới của vật chất
khiến chúng ta phải xây dựng lại các Nguyên lý Nhiệt động lực học.
Hoặc có thể tồn tại các trạng thái chuyển động vĩnh cửu ở quy mô lượng tử.
Chỉ có một điều ta chắc chắn, đó là ta sẽ không ngừng tìm tòi.
Giờ đây, điều duy nhất có lẽ là vĩnh cửu,
chính là những nghiên cứu không ngừng nghỉ của chúng ta.