>>> 2007年第9期
第三类永动机
作者：田 松
第一类永动机和第二类永动机
永动机是人类的一个梦想，而且是建立在科学之上的梦想——虽然现在被看成是伪科学了——因为所有的永动机探索者在设计他们的机器时，依据的都是某种科学的原理，而不是神秘的超自然力。最初，这些科学爱好者是想造出“东东1”：一个循环系统，能够实现自循环，并且在每一次的循环中，除了产生维持其自身运转的能量，还多少有点儿富裕。这样，就可以源源不断地向系统之外输出能量，不光是人，那些大牲口，什么骡子啊，马啊，都可以歇歇了。这个东东将给野外科考队员提供极大的方便，无论走到哪里，帐篷支起来，把东东1一架，所有的灯就都亮了，比电池方便多了，而且环保。当然了，在家也可以用啊，无论是水电站还是核电站，都不用建了!梦想固然很好，不过，已经创造了很多奇迹的科学，这回不灵了。永动机爱好者几乎尝试了所有的科学的现象，什么电啊、磁啊、毛细现象啊；什么杠杆啊、滑轮啊、斜面啊，没有一个成功的。再到后来，物理学给出了一个能量守恒定律，这个定律宣判：东东1造不出来。
能量守恒定律的现代表述是这样的：“能量既不能创生，也不能消灭，但是可以从一种形态转化成另一种形态，并在转化的过程中，保持总量守恒。”显然，这个定律与我们一系列古老的道德是一致的。一分汗水，一分收获；平时多流汗，战时少流血；不经历风雨，怎能见彩虹……总而言之，吃白食，不劳而获，是不可能的。连张天翼的宝葫芦也遵循这个规则：物质不灭，我又不能凭空变出来，只能到别处去偷啊!
能量守恒定律现在也叫做热力学第一定律——可见热力学不只有一个定律——我们简称它热一律吧!刚开始的时候，总有人不相信它——到现在还有人不信，所以接着试，屡战屡败，屡败屡战，总有人不甘心。不管怎么说，永动机是个多么美好的梦想啊!王力雄在小说《永动机患者》中就写了一个执著的农民，他就是要造永动机，他相信，永动机开转之日，就是家乡人民脱贫之时!
美好的梦想要靠科学来实现，于是又有人想出“东东2”，它能够吸收空气(或者海水，或者别的东西)中的热量，转化成电能(或者其他可用的能量)，转化出来的等于吸收过来的，所以不违背热一律。东东2每转一圈，就会使环境的温度下降一点点，同时使蓄电池满上一点点。显然，东东2尤其适合在夏天的房间里使用，那就是一个不但不耗电，而且能发电的上好空调啊!我们可以用东东2在夏天的时候降温、发电，把发出来的电存起来，到冬天用来烧电暖器。这就相当于把夏天的热用到了冬天。如果再辅助以某种定时装置，我们就可以自动化地夏热冬用，多么以人为本的科学技术啊!一想到这儿，我都忍不住笑出声来!
假如我们把东东2放到大海中，大海呀，多么大啊!只要海水的温度降低一度，把释放出来的热量变成电能，就能让人类用上多少万年啊!也许有人会担心，这样下去，海水的温度会不会越来越低，最后冻上?当然不会了。因为有热一律啊!我们使用的能量，不管来自哪里，最后总是要耗散成热能的，就会提高空气的温度，会通过热传导、热辐射、热对流，把海水的温度再提上去。然后，我们就可以让东东2接着转，什么大牲口、小牲口啊，水电站、火电站啊，都可以歇着去了!
然而，物理学又给出了一个“熵增加原理”，消灭了东东2问世的可能性。熵增加原理说：“能量的转化是有方向的!”这个方向，按照里夫金的说法，就是从有用的，变成无用的；从能用的，变成不能用的。(里夫金，1987)这个原理就是热力学的第二个定律，我们简称它热二律。热二律有很多种表述，有一个直接针对东东2的表述是这样说的：“不可能从单一热源吸热作功，而不对环境造成影响。”比如我们可以用一种叫做空调的装置从空气中吸热，降低室温，但是这个过程不可避免地要对环境造成影响，一方面要有电能输入，另一方面要把废热排到室外，升高室外温度。
“熵”这个词中文里本来没有，是造出来翻译entmpy的，简单地说，它是无序的量度。熵越高，无序程度越高。比如一块冰化成水，熵增；再化成气，又熵增。所谓熵增加原理，就是说：一个孤立系统的熵不能减少，而只能增加——现实中的情况就是如此；或者不变——在理想的可逆系统的情况下，这在现实世界从未发生。熵增加原理也给出了时间的方向，这就是系统自发演化的方向。比如你从冰箱里取出一块冰，放在手上，冰很快会化成水，水又会化成气；同时，屋子里的温度会降低一点点儿，湿度会增高一点点儿。这个过程是一个人所习见、人所共知的正常过程，这个事件的序列就给出了时间的方向。反过来，如果你看到了它的逆过程：你的手上忽然浮现出一颗水珠，水珠越来越大，然后变成一个冰块，同时，室内的温度增高一点点儿，湿度降低一点点儿，你一定会诧异万分，不是屋子出了毛病，就是你在看电影。这个逆过程虽然不违背热一律，但是违背热二律。
热二律是一个重要的定律。《两种文化》的作者C．P．斯诺把它和莎士比亚相提并论。美国物理学家惠勒则认为，到了二十一世纪——也就是本世纪了——谁要是不知道热二律，就算不上有文化。他们之所以没有专门说热一律，那恐怕是因为热一律已经成为常识了。据说还有一位物理学家这样解释：“根据热力学第二定律，你不可能不输不赢；根据热力学第一定律，你不可能赢。”
理想单摆、生物圈2号与第三类永动机
根据这两个热力学定律，永动机也被分成两类。违背热一律的东东1被称为第一类永动机，违背热二律的东东2被称为第二类永动机。这两类永动机在科学共同体内部已经达成共识——造不出来。不过，人们心中普遍还有一个永动机之梦，我称之为第三类永动机——“东东3”。
让我们先回到永动机的字面意义。简单地说，永动机就是永远运动的机器。那么，一个不需要外界能量和物质输入而实现物质和能量自循环的装置，就是一个永动机喽!比如一个理想单摆，在无摩擦的理想条件下，就是一个永动机!它的势能和动能不停地转化，没有任何耗散，在系统内部实现能量的自循环，并且循环往复，以至无穷。当然，在现实世界中，理想单摆的理想条件是无法满足的，因为总是有摩擦存在，所以在势能和动能的转化过程中，热耗散不可避免。所以我们会看到，无论摆轴多么圆滑，摆的振幅都会越来越小，直至停止。
然而，如果我们从外界输入能量，补充耗散掉的能量，比如给这个单摆装一个太阳能发条，这个单摆是否可以永远运动下去呢?
按照现在的科学结论，我们这个地球已经存在了46亿年了。相信每个人小时候都问过：雨是哪儿来的，河水是哪儿来的?通过小学自然课程，我们也会建立起各种物质循环的概念。海水蒸发为云，被各种季风带到全球各地，下降为雨