作者 / 魯超

《墨子·魯問》記載著一個故事：“公輸子削竹木以為鵲，成而飛之，三日不下，公輸子自以為至巧?！?/p>

這是傳說我國著名的工匠魯班發(fā)明了一只可以飛三天的木鳶，甚至另有傳說，這種木鳶可以載人飛行到很遠的地方。即使是現(xiàn)在，如果沒有電池、燃油等動力，這也令人難以置信?？上У氖?，魯班的神秘設計沒有保存下來，大多數(shù)人相信這不過是一面木頭風箏。

【魯班雕像，傳說他發(fā)明的木鳶可以載人飛行……】（圖片來源：wiki）

《三國志·諸葛亮傳》記載：“建興九年，亮復出祁山，以木牛運，糧盡退軍；十二年春，亮悉大眾由斜谷出，以流馬運，據(jù)武功五丈原，與司馬宣王對于渭南?！?/p>

諸葛丞相造木牛流馬的故事更加廣為人知，據(jù)稱 “每牛載十人所食一月之糧，人不大勞，牛不飲食?！焙髞淼摹度龂萘x》則描述的更為神乎其神，號稱木牛流馬可以不用人力，自行走動，并且還有暗鎖功能。

《三國志》、《三國演義》等書中都有制造木牛流馬的具體方法，但動力來自哪里沒有詳細說明。據(jù)記載，后來劉宋朝的祖沖之還復制出了木牛流馬，但同樣沒有留下資料和繪圖。人們只能根據(jù)自己的想象來揣測這一逆天黑科技了，大多數(shù)人傾向于相信，諸葛亮制造出的不過是獨輪車，經(jīng)過后世的傳說添油加醋一番，才變成了《三國演義》里的那副模樣。

【電視劇《新三國》里選擇相信這不過是一種獨輪車?！浚▓D片來源：愛奇藝）

這里無關民族主義，為何現(xiàn)代人更愿意選擇不相信魯班木鳶和木牛流馬的存在？因為我們會質(zhì)疑：它們的動力來自哪里呢？

是啊，自古以來，工匠們絞盡腦汁，用他們的智慧不斷改進手里的材料，讓機械更加有力，希望我們的生活更加便利！如果能制造出一種不需外力就可以自動運轉(zhuǎn)的機械，那簡直可以解放全人類了，一大批智者對此心馳神往，前赴后繼，這種機械被稱為“永動機”！

【家里的這種擺設算永動機嗎？】（圖片來源于網(wǎng)絡）

“永動機”的準確定義在歷史上有過多次變遷，回顧這段歷史，從古老簡單的機械到如今各種各樣的新式能源，簡直難以置信?？梢韵胂螅绻麑⒁慌_電扇展示在古人面前，一定會讓他們驚呆到下巴墜地。然而，從現(xiàn)在的角度來看，電扇當然不能算作永動機，它必須通電才能轉(zhuǎn)動，真正的永動機不需要能量輸入。

“永動機”在科學史上背負了太多的罵名，從現(xiàn)代人的角度去看，這段歷史笑點頗多。這里不乏有愚者甚至騙子，但必須指出，大部分“永動機”追求者的本心都是積極的，他們絞盡腦汁，為了改進工藝，提升機械效率。他們不是戰(zhàn)士，然而他們的對手卻是宇宙造物主；他們不會坑蒙拐騙，不是小偷盜賊，卻試圖利用自己的智慧去盜取上帝的能量。從這個意義上來說，他們這些人類文明的先驅(qū)真堪稱“宇宙大盜”，回顧這段歷史，我們必須向他們致敬！

【（設計臺詞）人類：老爹，借點能量啦！上帝：送你三個字，想——的——美！】（圖片來源：wiki）

話說 12 世紀的印度有一個叫做婆什迦羅的數(shù)學家、天文學家，據(jù)稱他比牛頓、萊布尼茨早了 5 個世紀就有了微積分的構想。除此以外，他還構造出了一個“婆什迦羅輪”，號稱可以永遠轉(zhuǎn)下去，這是最早的關于“永動機”的記載。

【最早的“魔輪”由印度人制造?！浚▓D片來源：wiki）

這個奇異的裝置在 13 世紀傳到歐洲，法國匠人奧內(nèi)庫爾的手稿里記錄了一種“魔輪”的裝置。由于這玩意摩擦力很小，后來這玩意被拿去在渾天儀上使用。

“魔輪”貌似可以永遠運動，但卻不是傳說中的永動機。永動機必須能夠?qū)ν廨敵瞿芰浚簿褪俏覀冋f的“做功”。如果“魔輪”中間的軸承以及裝置各物體之間的摩擦力足夠小，這個輪子確實可以轉(zhuǎn)很久，但卻無法向外輸出一丁點能量。

【歐洲最早的魔輪?！浚▓D片來源：wiki）

如此精巧的設計當然逃脫不了達芬奇的法眼，達芬奇堪稱西方歷史上的一位全才，繪畫、工程學、建筑學、天文學、解剖學、幾何學、數(shù)學、物理學、動力學樣樣精通。傳說中，直升機、滑翔機、縫紉機等劃時代的發(fā)明，都被登記在他的賬下。他還留下了不可計數(shù)的機械制圖，都是些極其靈巧的機械。從中可以看出，他對能夠免費獲得能量的“永動機”也是心馳神往。誰知道，迎接他的只有一次又一次失敗，這讓達芬奇終于心灰意冷：“哦！你們這些永動機的追求者，你們糾纏于多少虛無的幻想？去吧，找煉金術士去吧！”（當時的煉金術更加玄幻……）

【達芬奇研究各種永動機的手稿?！浚▓D片來源：youtube）

達芬奇的感嘆并沒有澆滅工匠們對“永動機”的追求，一波又一波的匠人甚至科學家都去通過改進“魔輪”而得到永恒的免費能量。

比如下面這種，看似有點道理，右邊的擺錘力臂更長，似乎可以帶動輪子。但仔細研究一番，就不難理解，左邊的擺錘雖然力臂短，但是明顯數(shù)量更多，加權一下，綜合力矩恰好一樣。所以，在不受外力驅(qū)動下，這種魔輪根本不會自發(fā)轉(zhuǎn)動起來。即使給了它一個最初的驅(qū)動力，之后也許可以轉(zhuǎn)動很長時間，但由于空氣阻力和軸承轉(zhuǎn)動遇到的阻力，最終它還是會停下來。

（圖片來源：wiki）

其他還有各種各樣的改進版“魔輪”，都換湯不換藥。

（以上圖片來源：youtube）

早期“永動機”追求者里竟然還包括大科學家波義爾，他發(fā)明了一個“永恒的高腳酒杯”，試圖用水的重力驅(qū)動水通過酒杯和管道進行無限的循環(huán)，如下圖。顯然，這是徒勞的嘗試，就連現(xiàn)在的初中生也會明白，水最終會停下來，像在 U 型管里一樣，兩邊高度一致。

（圖片來源：youtube）

英國博物學家福魯?shù)掳l(fā)明了一種水輪機，號稱可以自發(fā)將水從低處運到高處。人們仔細分析一番，這就是很多年前就發(fā)明出來的“阿基米德螺旋”的原理，不靠能量輸入顯然無法完成抽水。

【羅伯特·弗洛德 1618 年發(fā)明的“水螺旋”永動機?！?/p>

【上兩圖為阿基米德螺旋的原理，你認為它不需要能量輸入嗎？】（圖片來源：wiki）

這個時代里，永動機的集大成者當屬德國人貝斯勒，他一生中共發(fā)明了 300 多種永動機。

1712 年，貝斯勒在萊比錫附近的一個村莊建造了一個 2 米多高的“自動輪”，據(jù)說可以提起 18kg 的重物。這項發(fā)明還驚動了著名數(shù)學家萊布尼茨、約翰 * 伯努利和哲學家克里斯蒂安 * 沃爾夫，這些大牛紛紛資助貝斯勒，讓他繼續(xù)造出更大的輪子。他又成功忽悠了黑森卡塞爾城邦的卡爾王子，被任命為商業(yè)顧問，還讓他在維森施坦城堡里一邊居住一邊繼續(xù)改進輪子。他在這里建造了更大的輪子，足有 3.7 米高。

【永動機的集大成者：貝斯勒?！浚▓D片來源：wiki）

卡爾王子也不是個傻子，他叫了一大波科學家過來鑒定，當然貝斯勒也并非善類，他以防止別人竊取他的發(fā)明為由，只允許科學家們在窗外觀看，科學家們確實看到了大輪子在轉(zhuǎn)。貝斯勒又把房間的門窗緊閉，貼上封條，讓科學家們兩周后再來看，結果發(fā)現(xiàn)輪子確實仍然在轉(zhuǎn)，但這又能說明什么問題呢？貝斯勒這回倒是更有信心，開價 20000 英鎊，出售他輪子的秘密。

萊布尼茨甚至幫忙給彼得大帝的私人醫(yī)生寫信，介紹貝斯勒是他的好朋友，他的大輪子是一項了不起的發(fā)明。彼得大帝對此很感興趣，讓荷蘭數(shù)學家格雷夫森德去幫他鑒定一下。格雷夫森德圍著輪子轉(zhuǎn)了半天，發(fā)現(xiàn)沒有什么辦法可以把能量從外面?zhèn)魉偷捷嗇S上，這時候，貝斯勒大怒，竟然當著數(shù)學家的面將自己的輪子給砸了，并指責對方：“你不按套路辦事啊，竟然沒付錢就想破解我的商業(yè)機密?！?/p>

就后來的物理學家分析，貝斯勒的大輪子不過是和“魔輪”類似的“超平衡輪”，通過精巧的設計確實可以讓它轉(zhuǎn)很長時間，但卻無法對外輸出能量。

看看吧，古今騙子的風格都差不多。

【貝斯勒的“大輪子”。】（圖片來源：wiki）

進入 18 世紀，對磁學的研究成為一門時尚，磁鐵之間的存在一種神秘（在當時）的超距作用。這讓“永動機”的研究者們找到了救命稻草，能否用磁性達到永動的目的呢？

下圖就是一種磁鐵“永動機”，只不過他們忘了磁鐵之間的吸引力也是力，符合牛頓第三定律。如果這種方式可以驅(qū)動的話，那還不如讓人坐在車上，不斷錘擊自己，就可以把車開走了。

【民科風……】（圖片來源：youtube）

所以，有人說：“能不能搞點技術含量的？”于是他們用磁鐵改進了“魔輪”，如下圖：

【磁鐵版魔輪……】（圖片來源：youtube）

還有人想，何必如此麻煩，用磁鐵將鐵球吸到高處，然后鐵球再由于地球引力吸引而落下來，不就可以做功了嗎？如下圖。

【這種裝置可以成功嗎？】（圖片來源：youtube）

這個裝置極其簡單，自己在家都可以做一下，結果很簡單，小鐵球一開始會被磁鐵吸住，經(jīng)過足夠長的時間，磁鐵的磁力耗盡，小球最終落下。

【這個想法很好……】（圖片來源：youtube）

總之，到了 18 世紀末，一次又一次的失敗讓大多數(shù)明眼人已經(jīng)看出，我們的宇宙似乎有這么一道無形的障礙，保護這宇宙造物主的財（neng）富（liang），任憑我們窮盡智慧，也無法突破這道屏障，盜取宇宙奧秘。

1775 年，法國皇家科學院宣布，今后不再受理關于永動機的申請。

話說波義爾不光折騰永動機，還是熱力學的開創(chuàng)者之一，他利用格里克發(fā)明的真空泵研究出了波義爾定律。（高中物理都要考的）在這個背景下，蒸汽機應運而生，在瓦特大幅提升了蒸汽機效率之后，工業(yè)革命正式來襲，科學技術大幅度提升生產(chǎn)效率，反過來工業(yè)效率的提升又極大的加深人們對科學原理的認知。一大批科學家投身熱力學，在他們的研究過程中，人類接觸到了宇宙終極奧義。

【熱力學是一種可以改變?nèi)松^的學問。】（圖片來源：google）

1842 年，德國物理學家邁耶提出：在恒壓過程中，用來產(chǎn)生膨脹的熱量與功是普遍可互換的，

1850 年，克勞修斯在此基礎上給出了一個更加明確的說法：在所有熱機做功的情況下，所消耗的熱量與所做的功成正比;反過來，通過等量的功，產(chǎn)生等量的熱。這就是熱力學第一定律，也就是能量守恒定律。

這時候人們終于發(fā)現(xiàn)，任何一個封閉體系的能量都是一定的，只是從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式。比如你抬起一個乒乓球，然后放手讓它落下，球的勢能轉(zhuǎn)化為動能，速度越來越快，直到彈到地上，動能轉(zhuǎn)化成空氣振動的機械能，這就是乒乒乓乓的聲音，除此之外，還將地面和自己也加熱了那么一點點。

（圖片來源：google）

當我們打開電燈，電能通過電線輸入，轉(zhuǎn)化為我們可見的光能，也產(chǎn)生了一點熱能。

（圖片來源：google）

我們點燃酒精爐加熱食物，這是蘊藏在酒精里的化學能變成熱能和光能。

（圖片來源：google）

就連驅(qū)動我們?nèi)梭w運動的能量，也來自我們食物里的化學能。不吃飯餓肚子，更跑不動。

（圖片來源：google）

而如果你要想跟造物主耍點小聰明，想要通過精巧的設計來創(chuàng)造出額外的能量，上帝會給你出示警示牌：“對不起，你沒有權限！”而如果想要偷取上帝的一點點能量，那更是癡人說夢了！

上帝：“跟我斗，你還嫩著呢！”

上帝：“防火防盜防人類！”

【（設計臺詞）上帝：把人類那幫小兔崽子都盯緊了，防火防盜防人類！】（圖片來源：wiki）

盡管人們在自然界發(fā)現(xiàn)了很多有趣的現(xiàn)象，看似有額外的能量，就想辦法去利用它們。但最終仍然是失敗了，因為能量守恒定律無處不在啊。當然他們的工作仍然很有意義，因為他們擴大了我們的認知。

比如，1827 年，英國發(fā)明家康格里夫爵士觀察到毛細現(xiàn)象，水在特別細的管子里竟然會自動上升，這能量是從哪里來的呢？他就此腦洞大開，設計出一套裝置，用滑輪帶動一個斜面，從頂部到底部，貼附了一整圈的海綿，康格里夫相信，由于海綿的毛細作用，他的裝置會持續(xù)運作。

【英國發(fā)明家康格里夫爵士?！浚▓D片來源：wiki）

靠一塊海綿就可以產(chǎn)生無盡的動力，這種設計當然是異想天開了，康格里夫爵士的錯誤在哪里呢？

原來，毛細現(xiàn)象絕非上帝的施舍，或者宇宙系統(tǒng)的 bug。水進入毛細管中，水和玻璃的界面增加，玻璃和空氣界面減小，前后的表面張力不同，釋放了一部分表面能，轉(zhuǎn)化成管中水的勢能。所以，水在毛細管中的上升，提升的勢能實際上來自表面能的變化。

表面能其實在生活中無處不在，比如水面放置回形針、硬幣，水蜘蛛在水的表面漂浮行走等。

【水蜘蛛為何能在水面行走？】（圖片來源：google）

再比如面粉爆炸，這是一件讓很多人莫名其妙的事情。面粉，這可是用火也很難點著的東西??！

我們要從制作面粉說起，粉碎機把小麥加工成很細很細的面粉，在這個過程中，粉碎機消耗了電能對小麥做功，一部分能量轉(zhuǎn)化成面粉的表面總能量，被粉碎的程度越大，顆粒越小，表面積越大，那么總表面能也就越大。我們把面粉揚在空氣里，看似烏煙瘴氣，實則高能危險。當每立方米空氣中含有超過 9.7g 面粉時，被空氣均勻分散后，比表面能很高的面粉由于與空氣接觸更充分，面粉和空氣這個系統(tǒng)總的化學勢能增加，更容易達到活化狀態(tài)，一旦遇有火星，甚至適當?shù)臏囟?，就會瞬間燃燒并形成猛烈的爆炸。我們理解了從加工面粉開始的能量變化，就不會對面粉爆炸這種現(xiàn)象產(chǎn)生懷疑。（必須強調(diào)，面粉爆炸并非表面能釋放，而是表面能促進了面粉爆炸）

回過頭來，雖然康格里夫爵士犯了錯誤，但那是因為當時人們還沒有深入了解表面能，他的努力加深了對表面能的理解，所以仍然是有意義的。

【面粉廠發(fā)生爆炸。】（圖片來源：wiki）

與之類似的還有克魯克斯的光能輻射計，在一個局部真空管里放置一組金屬葉片，所有葉片一側是拋光或白色的，另一側是黑色的。當用光照射時，葉片竟然會自發(fā)轉(zhuǎn)動，因此這個裝置也被稱為“太陽風車”。

（圖片來源：wiki）

克魯克斯的這個神器被制造出來以后，一時間各種解釋紛紛來襲，引發(fā)了巨大的爭論，連大神麥克斯韋也參與其中。后來，真正被科學界接受的解釋是雷諾斯于 1879 年作出的，恰逢這一年麥克斯韋去世，而麥神又曾批評過雷諾斯的這一解釋，因此雷諾斯的論文未能及時發(fā)表，理由是：“麥神剛一去世，就發(fā)表你的論文，不太好吧？”這反而讓“太陽風車”更增加了一層神秘色彩，直到現(xiàn)在，很多學校和博物館里仍然展示著“太陽風車”，作為激發(fā)孩子好奇心的玩具。我們雖然知道這絕不是傳說中的永動機，而是光能轉(zhuǎn)化成機械能，但你去問一個物理學教授，多半也很難給出最準確最細節(jié)的解釋。

現(xiàn)在我們有了更好的方法，可以直接將光能轉(zhuǎn)化成電能，那就是光伏。

（圖片來源：wiki）

再比如居里夫人提取出鐳元素后，一到夜間，居里夫人的板屋就成了一個精靈的世界，玻璃、紙張、甚至自己的衣服都在閃閃發(fā)光。那是鐳一刻不停的釋放著光、熱以及那不可見的、巨大能量的射線，一時間，無數(shù)科學家質(zhì)疑居里夫人的發(fā)現(xiàn)，這讓他們腦里那牢不可摧的能量守恒定律往哪放去呢？

【居里夫婦在實驗室觀察鐳。】（圖片來源：google）

1904 年，美國著名作家馬克吐溫甚至寫了一部短篇小說《與撒旦的交易》，文中的撒旦身高一米八五，體重 400 千克，他通體由鐳構成，所以全身都發(fā)出綠色的冷光，它的放射性讓它渾身發(fā)熱，足以點的著雪茄?？梢娫诋敃r，全世界都被鐳元素這神奇的能量所驚嘆。

現(xiàn)在我們知道，鐳的強大能量來自原子核反應的質(zhì)量虧損，居里夫人們對于放射性現(xiàn)象的研究，帶領我們進入了原子能的時代，我們終于制造出了原子彈、氫彈等核子武器，并享受著安全的核能。

【人類通過對放射現(xiàn)象的理解，進入了原子能時代！】（圖片來源：google）

熱力學第一定律出爐之后，確實打消了一大部分人對于永動機的奢望，但還有一部分科學家指出，雖然能量守恒，但宇宙終歸浩渺，地球畢竟廣闊，留給我們的能量空間還很大呢。如果能設計出一種裝置，從海洋、大氣甚至宇宙中吸取熱能，并將這些熱能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動機械的動力，豈不是既不違反能量守恒定律，也可以得到無盡的能源嗎？

這種機械被稱為第二類永動機，而之前各種違背熱力學第一定律的機械被稱為第一類永動機。

比如有人認為，海洋如此遼闊，我們可以利用海洋的熱能，讓熱的海水進入機器，通過精巧的設計，排出冷水，其中的熱能不就可以用來給我們做功嗎？如下圖。

【美國人 19 世紀設想的船舶，吸進溫暖你的海水，排出寒冷的冰塊，想法很好……】（圖片來源：youtube）

這個想法太完美了！

我們身邊就有很多空氣啊，它們中不也蘊藏著巨大的能量嗎？按照這個道理，把空調(diào)反過來開，能源不就源源不斷了嗎？

你可能要說：“不用學習什么定律、理論，按照我多年的生活經(jīng)驗，我就知道不插電讓空調(diào)自己開，這是不可能的！”

是啊，我們都看習慣了，熱量從熱的地方轉(zhuǎn)移到冷的地方，從而讓物質(zhì)的溫度更加均勻。而要讓熱量反過來走，就必須依賴空調(diào)、冰箱，但誰看過空調(diào)、冰箱不插電就能工作呢？

【不插電，空調(diào)能自動運轉(zhuǎn)嗎？】（圖片來源：google）

【冰箱和空調(diào)的核心部件：壓縮機。】（圖片來源：google）

確實如此，空調(diào)的原理來自卡諾對于熱機的研究，卡諾一開始倒不是為了造空調(diào)、冰箱，而是為了提升熱機的效率，也就是如何將高溫熱源里的熱量提取出來，對外做功。

窮盡自己的智慧之后，卡諾發(fā)現(xiàn)，要將高溫 TH 處的熱量 QH 提出來做功 W，必須還要傳遞一些熱量 QC 到低溫 TC 處。我們只能得到輸出功 W=QH-QC，而無法得到所有的 QH。而因為 QH 和 QC 分別正比于 TH 和 TC，因此熱機效率 k=W/ QH=TH-TC/TH，這肯定是小于 1 的。

于是，卡諾終于在終極宇宙奧秘面前折服，總結出了卡諾原理：準靜態(tài)卡諾循環(huán)和可逆卡諾循環(huán)的效率只取決于兩個熱源的溫度，而且無論工作物質(zhì)是什么，它們的效率是相同的。這樣操作的卡諾熱機是利用這兩種溫度最有效的熱機。

【卡諾熱機原理圖示：熱量 QH 要想做功（W），必須從高溫區(qū)域（TH）傳遞到低溫區(qū)域（TC），其中會損失熱量 QC?！浚▓D片來源：wiki）

上面的話看不懂沒關系，大致意思就是，我們無法利用所有的熱量而將熱機效率提升到 100%。反過來，要將熱量從冷的地方提出來送到熱的地方去，那就必須“付費”，消耗額外的能量。如下圖，這就是空調(diào)、冰箱的原理，也就是一個“反熱機”，將熱量從低溫區(qū)域（室內(nèi)）移到室外，則必須要輸入功 W（插電），才能將熱量 QH 移到高溫處（室外）。這個道理你終于懂了嗎？

【空調(diào)就是一種“反熱機”，用熱泵（Heat pump）將熱量從冷源（Cold reservoir at Tc）提取出來送給熱源（Hot reservoir at Th），必須輸入額外的功（W）?！浚▓D片來源：wiki）

卡諾原理算是熱力學第二定律的雛形，要知道，卡諾提出卡諾原理的時候才只有 1824 年，這還在熱力學第一定律之前很多年。很可惜的是，卡諾英年早逝，一直到 1850 年，克勞修斯才在卡諾的基礎上，提出了比較完整的熱二定律的表述：

熱不可能從一個較冷的物體傳遞到一個較熱的物體而不發(fā)生與此相關的其他變化。

【克勞修斯兩句話說完熱力學兩大定律?！浚▓D片來源：wiki）

再后來，開爾文也有一個表述：不可能制成一種循環(huán)動作的熱機，從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)楣Χ灰鹌渌兓?/em>

這個說法等效于：第二類永動機不可能實現(xiàn)。

【開爾文】（圖片來源：wiki）

原來，我們身處一個充滿“摩擦”和“坎坷”的世界。只要你想將能量從這里搬運到那里，就必須被消耗掉一部分。比如我們開車，就有一部分的汽油需要消耗在地面和輪子的摩擦力上。

而當我們打開發(fā)動機，仔細研究其中的機械，會發(fā)現(xiàn)盡管存在很多機油潤滑，還是會有很多地方有磕碰和摩擦。當它運轉(zhuǎn)起來以后，你會發(fā)現(xiàn)，這發(fā)動機可不會光把氣體加熱，而不加熱氣缸，當尾氣排出，工程師也真的想大喊一聲：“停！留下買路錢！”讓這些高溫的氣體把熱量留下來，而自動變涼出去，雖然這不過是縹緲的幻想。

因此，一臺汽油發(fā)動機的機械效率只有 25-50%，也就是說，我們油錢的一半以上都被浪費了。

【設計如此精巧的汽車發(fā)動機，機械效率卻如此之低？】（圖片來源：google）

其實影響機械效率的因素可不止上面兩條，再比如氣體的不完全燃燒。現(xiàn)實中的氣體當然不是理想氣體，分子與分子之間存在微小的范德華力，這些微小的吸附力導致氣體難以充分混合，有時候需要“排排隊”才能發(fā)生化學反應，因而最終不能完全燃燒。所以我們的汽車尾氣里總會有一氧化碳、一氧化氮等毒性物質(zhì)，更因此我們的發(fā)動機總會遭受積碳困擾。

【小伙子，要不要加瓶燃油寶？】（圖片來源：google）

說起化學反應，有人會說：“碩大的機械過于笨重，我喜歡柔軟的化學之美。構造一個化學可逆反應，比如氫燃料電池，先將水電解成氫氣和氧氣，再讓氫氣在電池里“燃燒”，氫燃料電池貢獻的能量不正好等于電解水的能耗嗎？”

【一種燃料電池示意圖。】（圖片來源：google）

理論上似乎很美麗，但這位同學忘記了一個“活化能”的概念。將氫氣和氧氣混合在一起，在常溫下它們也不會燃燒，必須有明火、火花這種事件提供活化能，它們才會發(fā)生激烈的化學反應。

更何況，各種電池也難以避免熱量的損耗，氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換率最多也只能達到 80%。

【活化能（EA）示意圖，雖然從反應物（reactants）到產(chǎn)物（products）之間的吉布斯自由能（△ G）小于零，反應理論上完全可以發(fā)生，但還必須克服活化能（EA）才能發(fā)生反應?！浚▓D片來源：wiki）

說到電，這似乎是一條最好的能量傳遞方式。但是傳遞電的介質(zhì)也會有電阻，這是電流遇到的“摩擦”。

當然現(xiàn)在人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“超導體”，這是后話。

【電阻的示意圖?！浚▓D片來源：google）

這時候又有小伙伴有話要說：“我能找到一個沒有‘摩擦’的地方，那就是太空?！?/p>

是啊，太空比人工制造的任何真空都還要“空”，這也是最好的驗證“牛頓第一定律”的地方：如果沒有摩擦力，物體將保持原來的運行狀態(tài)。然而我們知道，有溫度的物體都會自發(fā)的熱輻射，如果一個宇航員不慎墜入太空，經(jīng)過足夠長的時間，他的肉身會輻射殆盡，變成虛無的粒子。

【墜入太空的宇航員最終會變成什么？】（圖片來源：google）

這就是熱力學第二定律告訴我們的：熱——這種“可恨”的東西——總是希望變得更加均勻。

熱的物體和冷的物體接觸，會變成中間溫度，這是熱傳遞；將熱的流體和冷的流體放到一起，它們會彼此穿插到對方的隊伍里，這是熱對流；就連兩個相隔幾光年遠的不同溫度的物體，它們還是會跨越時空，希望通過熱輻射的形式達到熱平衡。

【三種熱的傳遞方式：熱傳導（conduction），熱對流（convection），熱輻射（radiation）。】（圖片來源：google）

1865 年，克勞修斯更進一步提出了“熵”的概念，可以理解成體系的無序程度。按照熱力學第二定律，一個封閉體系的熵總是不斷增加，直到熱平衡狀態(tài)，這時候體系的熵最大，也徹底喪失了做功的能力。

【熱二告訴我們：體系總是變得更加混亂?！浚▓D片來源：google）

我們可以認為宇宙是一個封閉體系，因此可以推斷出，宇宙最終也會達到熱力學平衡，這叫做“熱寂”。這時的宇宙無序程度最大，所有的生命都不復存在，這是宇宙的終極末日。

【宇宙的終極歸宿是“熱寂”嗎？】（圖片來源：google）

熱力學第一、第二定律的出現(xiàn)，似乎已經(jīng)宣布了各種永動機的死刑，但是大神麥克斯韋有話要說：熱力學第二定律真的成立嗎？

于是他構造了這么一個思想實驗：

由一個小妖精控制著兩個氣室之間的一扇小門，我們知道氣體分子的速度按照玻爾茲曼分布，有快的，也有慢的。這個小妖精讓快的氣體分子進入左邊，而讓慢的分子進入右邊，這樣，體系的熵不是減少了嗎？兩邊不是產(chǎn)生了溫差了嗎？這個溫差不就可以用來做功了嗎？

這個小妖精因此被稱為“麥克斯韋小妖”，位列物理學四大神獸。

【設置一個小妖精開門關門，就可以燒開水啦！】（圖片來源：google）

其實想一想，就知道麥大神的錯誤在哪里。這個小妖精可不是“活雷鋒”，它在如此勤勞的操作過程中，也需要耗費大量的能量，比如它需要觀察每個分子的速度，還要不斷的開門關門，如果它是碳基生命，可能還需要進食和排便，這些能量從哪來呢？

所以，有了麥小妖，就不能僅僅把左右氣室作為孤立系統(tǒng)，而應該將麥小妖和氣室放在一個大系統(tǒng)里，這時會驚奇的發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)還是遵守熱力學第二定律的。

【小妖：你們把我忘了嗎？我餓了……】（圖片來源：wiki）

與麥克斯韋小妖類似，約一個世紀后，聰明的費曼設計了一個“費曼棘輪”，如下圖，在《費曼物理講義》第一卷 46 章里可以找得到。

右邊的箱子里是一根帶葉片的轉(zhuǎn)軸，當氣體分子撞擊葉片，葉片就會轉(zhuǎn)起來。這根轉(zhuǎn)軸連到左邊箱子的一個棘輪，輪上安置了一個掣爪，讓這個棘輪只能向一邊轉(zhuǎn)動。這樣，即使兩邊溫度相同（T1=T2），這個裝置也可以對外做功。也就是說，費曼的裝置竟然利用氣體碰撞的漲落做出了功，很多人誤以為這里的能量來自布朗運動，因此這也被稱為“布朗棘輪”。

【《費曼物理講義》第一卷第 46 章里有介紹?！浚▓D片來源：《費曼物理講義》）

難道“費曼棘輪”真的駁倒了熱力學第二定律嗎？剛才不是說熱二是宇宙終極定律嗎？

顯然不可能，那么“費曼棘輪”的問題出在哪里呢？

費曼本人在《費曼物理講義》里已經(jīng)給出了答案：左箱的棘輪和右箱的葉片都處于溫度 T，因此也具有布朗運動（熱漲落）。由于這種漲落，掣爪會時不時地抬起來，于是無法控制棘輪的轉(zhuǎn)向。棘輪一會倒轉(zhuǎn)一會正轉(zhuǎn)，自然不能做出有效的功。

你看，任憑我們“宇宙大盜”中的翹楚（麥克斯韋、費曼）多么智慧，也無法從上帝手里討到一點便宜。

【費曼棘輪】（圖片來源：google）

麥克斯韋雖然在小妖的問題上犯了錯誤，但“麥克斯韋小妖”卻堪稱最偉大的思想實驗之一?？茖W界在這個問題上進行了深刻反思，結果是人類對世界的認知又深入了一大步。

比如香農(nóng)就借鑒了熱力學的概念，把信息中排除了冗余后的平均信息量稱為“信息熵”，并給出了計算信息熵的數(shù)學表達式。香農(nóng)因此而被稱為“信息論之父”！

【信息論之父：香農(nóng)?！浚▓D片來源：wiki）

俄裔比利時物理學家普利高津提出了“最小熵產(chǎn)生定理”，并在此基礎上提出了“耗散結構”理論。原來，熱力學并非簡單粗暴的禁止有序結構的自發(fā)產(chǎn)生，在系統(tǒng)和外界有物質(zhì)和能量交換的情況下，同時伴有系統(tǒng)的熵產(chǎn)生（耗散），是可以產(chǎn)生更有序結構的，這種有序結構就是“自組織”。這種“耗散結構”理論后來甚至被用于解釋生命和社會現(xiàn)象。

普里高津因此而榮獲 1977 年諾貝爾化學獎。

【提出耗散結構的普利高津。】

總之，熱力學第二定律誕生以后，已經(jīng)被各種實驗和現(xiàn)象證明是宇宙最最普適的物理定律。愛丁頓曾對此高度評價：“熱力學第二定律是自然界所有定律中至高無上的……如果你發(fā)現(xiàn)你的理論違背了熱力學第二定律，我就敢說你沒指望了，你的理論只有丟臉、垮臺！”

【愛丁頓（右）和愛因斯坦（左）在思考人生?！浚▓D片來源：wiki）

來源：知乎日報