永久運動

永久運動とは、乱されていないシステム内で永遠に続く物体の運動である。永久運動機械は、外部エネルギー源なしで無限に仕事をすることができる仮想の機械である。この種の機械は、その存在が熱力学の第一法則および/または第二法則に違反するため不可能である。^{[2] [3] [4] [5]}

これらの熱力学の法則は、システムの大きさに関係なく適用されます。たとえば、惑星などの天体の運動や回転は永続的に見えるかもしれませんが、実際には太陽風、星間物質の抵抗、重力放射、熱放射など、運動エネルギーをゆっくりと消散させる多くのプロセスの影響を受けるため、永遠に動き続けることはありません。^{[6] [7]}

したがって、有限のエネルギー源からエネルギーを抽出する機械は、エネルギー源に蓄えられたエネルギーで駆動されるため、無期限に稼働することはできません。エネルギー源はいずれ枯渇します。一般的な例としては、海流で駆動する装置が挙げられます。そのエネルギーは最終的には太陽から得られますが、太陽自体もいずれは燃え尽きてしまいます。

2016年に^[8] 、新たな物質状態である時間結晶が発見されました。これは、微視的スケールで構成原子が継続的に反復運動しており、「永久運動」の文字通りの定義を満たしています。^{[9] [10] [11] [12]}しかし、これらは従来の意味での永久機関を構成しておらず、量子基底状態にあるため熱力学の法則に違反しておらず、エネルギーを抽出できず、エネルギーのない運動を示します。

永久機関の歴史は中世に遡ります。^[13]何千年もの間、永久機関が実現可能かどうかは明らかではありませんでしたが、現代の熱力学理論の発展により、永久機関は不可能であることが明らかになりました。それにもかかわらず、そのような機械を作ろうとする多くの試みがなされ、現代まで続いています。^[14]現代の設計者や提唱者は、発明を説明するために 「オーバーユニティ」などの他の用語をよく使用します。 ^[15]

ああ、永久運動を追い求める者たちよ、どれほどの虚しい幻想を追い求めてきたのか？ 錬金術師たちのもとへ行き、自分の場所を確保せよ。

— レオナルド・ダ・ヴィンチ、1494年^{[16] [17]}

孤立系における永久運動は、熱力学第一法則、熱力学第二法則、またはその両方に違反するという点で、科学的コンセンサスがある。熱力学第一法則は、エネルギー保存の法則の一種である。第二法則はいくつかの方法で表現することができ、最も直感的なのは、熱はより熱い場所からより冷たい場所へ自発的に流れるというものである。ここで関連するのは、この法則が、あらゆる巨視的プロセスにおいて、摩擦またはそれに近いものが存在することを観察しているということである。別の主張としては、同じ 2 つの温度間で動作するカルノー熱機関よりも効率的な熱機関(熱を高温から低温へ移動させながら仕事を生成する機関) は存在しない、というものである。

言い換えると：

1. 孤立したシステムでは、新しいエネルギーを生成することはできません (エネルギー保存の法則)。その結果、熱効率(生成された作業電力を入力加熱電力で割った値) は 1 より大きくなることはありません。
2. 熱機関の出力仕事力は、常に入力加熱力よりも小さくなります。供給される熱エネルギーの残りは、周囲の熱として無駄になります。したがって、熱効率は、カルノー効率によって与えられる最大値を持ち、常に 1 未満になります。
3. 実際の熱機関の効率は、摩擦などのプロセスの速度から生じる不可逆性のため、カルノー効率よりもさらに低くなります。

ステートメント 2 と 3 は熱エンジンに適用されます。機械エネルギーを電磁エネルギーに変換するその他のタイプのエンジンは、エネルギーの散逸のないシステムを設計することは不可能であるため、100% の効率で動作することはできません。

非従来型のエネルギー源からエネルギーを得ることで熱力学の法則の両方に従う機械は、永久機関と呼ばれることもありますが、この名称の標準的な基準を満たしていません。たとえば、コックスの時計などの時計やその他の低電力機械は、気圧や昼夜の気温の差を利用して作動するように設計されています。これらの機械にはエネルギー源がありますが、それがすぐにはわかりません。そのため、熱力学の法則に違反しているように見えるだけです。

海流などの長寿命源からエネルギーを抽出する機械であっても、エネルギー源が消耗すれば必然的に機能しなくなります。外部からエネルギーを消費し、独立したシステムではないため、永久機関とは言えません。

永久機関の分類の一つは、機械が違反していると主張する特定の熱力学法則を指す。^[18]

• 第一種の永久機関は、エネルギーを投入せずに仕事を生み出すため、熱力学の第一法則、すなわちエネルギー保存の法則に違反します。
• 第二種の永久機関は、熱エネルギーを機械的仕事に自発的に変換する機械です。熱エネルギーが行われた仕事に等しい場合、これはエネルギー保存の法則に違反しません。ただし、循環プロセスではより微妙な熱力学の第二法則に違反します (エントロピーも参照)。第二種の永久機関の特徴は、関与する熱貯蔵庫が 1 つだけであり、それがより冷たい貯蔵庫への熱の移動を伴わずに自発的に冷却されることです。熱力学の第二法則によれば、副作用なしに熱を有用な仕事に変換することは不可能です。
• 第三種の永久機関は、摩擦やその他の散逸力を完全に排除し、質量慣性により永久に運動を維持するものと定義されます（この場合の第三は、上記の分類体系における位置のみを指し、熱力学の第3法則を指すものではありません）。このような機械を作ることは不可能です。 ^{[19] [20]}なぜなら、機械システムでは、この理想にどれだけ近づいたとしても、散逸を完全に排除することはできないからです（以下の§ 低摩擦の例を参照）。

「認識論的不可能性」とは、現在の物理法則の定式化では絶対に起こり得ないことを表します。この「不可能」という言葉の解釈は、閉鎖系における永久運動の不可能性についての議論で意図されているものです。^[21]

保存則は数学的観点から特に堅牢である。 1915年に数学的に証明されたネーターの定理は、あらゆる保存則は物理システムの作用の対応する連続対称性から導き出せると述べている。 ^[22]エネルギー保存則に相当する対称性は、物理法則の時間不変性である。したがって、物理法則が時間とともに変化しないのであれば、エネルギー保存則も従う。永久運動を可能にするためにエネルギー保存則に違反するには、物理​​学の基礎を変える必要がある。^[23]

物理法則が時間とともに不変であるかどうかに関する科学的調査では、望遠鏡を使用して遠い過去の宇宙を調べ、測定の限界まで、古代の星が今日の星と同一であったかどうかを調べます。分光法、過去の光速度の直接測定、および同様の測定などのさまざまな測定を組み合わせると、数十億年にわたる観測可能な時間全体にわたって、物理学は同一ではないにしても、実質的に同じままであったことがわかります。^[24]

熱力学の原理は理論的にも実験的にも十分に確立されているため、永久機関の提案は物理学者によって一様に却下される。提案された永久機関の設計はどれも、物理学者にとって潜在的に有益な課題を提示する。つまり、それが機能しないことは確実であるので、なぜ機能しないのかを説明しなければならない。このような作業の難しさ (および価値) は、提案の巧妙さに左右される。最良の提案は、物理学者自身の思考実験から生まれる傾向があり、物理学の特定の側面に光を当てることが多い。たとえば、永久機関としてのブラウン運動ラチェットの思考実験は、1900 年にガブリエル リップマンによって初めて議論されたが、1912 年にマリアン スモルホフスキーが、なぜそれが機能しないのかを適切に説明し始めた。^[25]しかし、その 12 年間、科学者たちはその機械が実現可能であるとは信じていなかった。彼らは、それが必然的に機能しない正確なメカニズムを単に知らなかっただけである。

エントロピーは常に増加するという法則、つまり熱力学の第二法則は、自然法則の中でも最高の地位を占めていると私は思います。もし誰かが、あなたのお気に入りの宇宙理論がマクスウェル方程式と一致していないと指摘したら、マクスウェル方程式にとってはなおさらです。もしそれが観察と矛盾していることが判明したら、まあ、実験家は時々失敗するものです。しかし、もしあなたの理論が熱力学の第二法則に反していることが判明したら、私はあなたに何の希望も与えません。それは、深い屈辱の中で崩れ落ちる以外にありません。

— サー・アーサー・スタンレー・エディントン、『物質世界の性質』（1927年）

19 世紀半ば、ヘンリー・ダークスは永久運動の実験の歴史を調査し、不可能だと信じていたことを試み続けた人々に対して痛烈な批判を書き記しました。

過去の時代の空想的な計画を、優れた知性を持つ人々が探求した学問の道に、そのような冒険心のある人々が全く知らないまま、頑固な決意で追求することは、嘆かわしく、下劣で、ほとんど狂気の沙汰です。永久運動の歴史は、半分しか学んでいない、あるいは全く無知な人々の愚かな強情さの歴史です。^[26]

— ヘンリー・ダークス『永久機動：あるいは自己動機の探求の歴史』（1861年）

いつの日か、人類は自らの装置を宇宙の車輪そのものに結びつけるだろう。そして、惑星を軌道上で動かし、回転させる力そのものが、自らの装置を回転させるだろう。

— ニコラ・テスラ

永久機関の設計には、いくつかの共通のアイデアが繰り返し登場します。今日でも登場し続けているアイデアの多くは、1670 年にチェスター司教で王立協会の役員でもあったジョン・ウィルキンスによって提唱されました。彼は永久機関の動力源として「化学的抽出」、「磁気的効用」、「重力の自然な影響」の 3 つを挙げました。 [ ^1]

磁石には、明らかなエネルギー源なしに遠く離れた場所の動きに影響を与えるという、一見神秘的な能力があり、長い間、発明家たちの興味を引いてきました。磁気モーターの最も初期の例の 1 つは、ウィルキンスによって提案され、それ以来広く模倣されてきました。これは、上部に磁石が付いた傾斜路で構成されており、金属ボールを傾斜路の上まで引き上げます。磁石の近くには小さな穴があり、ボールは傾斜路の下に落ちて底に戻り、そこでフラップによって再び上部に戻ることができるはずでした。しかし、磁石がボールを傾斜路の上まで引き上げるのに十分な強さである場合、重力によってボールが穴を通り抜けられるほど弱くすることはできません。この問題に直面して、より現代的なバージョンでは通常、一連の傾斜路と磁石を使用し、ボールが移動すると 1 つの磁石から別の磁石にボールが渡されるように配置されます。問題は同じままです。

重力は、見かけ上のエネルギー源なしに、離れた場所でも作用しますが、重力場からエネルギーを取り出すには（たとえば、重い物体を落として、落下時に運動エネルギーを生成するなど）、エネルギーを投入する必要があり（たとえば、物体を持ち上げるなど）、その過程で必ずいくらかのエネルギーが消散します。 永久機関における重力の典型的な応用例は、12世紀のバースカラの車輪です。その主要なアイデア自体が繰り返し現れるテーマであり、しばしばオーバーバランスホイールと呼ばれます。移動する重りが車輪に取り付けられ、車輪が半分回転している間は車輪の中心から離れた位置に落ち、残りの半分は中心に近づくように落ちます。中心から遠い重りほど大きなトルクをかけるため、車輪は永遠に回転すると考えられていました。しかし、中心から遠い重りがある側は反対側よりも重りが少ないため、その瞬間、トルクが均衡し、永久運動は達成されません。^[27]動く重りは、軸に付いたハンマー、転がるボール、チューブに入った水銀などであり、原理は同じである。

もう一つの理論上の機械は、摩擦のない運動環境を必要とします。これは、物体を浮かせるために反磁性または電磁浮上を使用します。これは、空気摩擦と車軸からの摩擦を排除するために真空中で行われます。浮上した物体は、干渉を受けることなく重心の周りを自由に回転できます。ただし、この機械には実用的な目的はありません。回転した物体は仕事をすることができません。なぜなら、仕事には浮上した物体が他の物体を動かすことが必要であり、摩擦が問題になるからです。さらに、完全な真空は達成不可能な目標です。容器と物体自体の両方がゆっくりと蒸発し、真空が劣化するからです。

熱から仕事を抽出し、第 2 種の永久機関を製造する最も一般的なアプローチ (少なくともマクスウェルの悪魔まで遡る) は、一方向性である。十分な速度で正しい方向に移動する分子だけが悪魔の落とし戸を通過できる。ブラウン運動のラチェットでは、ラチェットを一方向に回そうとする力はラチェットを回せるが、反対方向の力は回せない。熱浴内のダイオードは、一方向の電流を通し、他方向の電流は通さない。これらの方式は通常、2 つの方法で失敗する。一方向性の維持にエネルギーがかかる (分子の速度を測定するために、温度差によって得られるエネルギー量よりも多くの熱力学的仕事を実行する必要があるマクスウェルの悪魔が必要になる)、または一方向性は錯覚であり、時折発生する大きな違反が頻繁に発生する小さな非違反を補う (ブラウン運動のラチェットは内部のブラウン運動力の影響を受けるため、間違った方向に回転することがある)。

浮力もまた、誤解されやすい現象です。永久機関の提案の中には、流体内で一定量の空気を押し下げるには、重力に逆らって同じ量の流体を持ち上げるのと同じ作業が必要であるという事実を見落としているものがあります。こうしたタイプの機械には、ピストンを備えた 2 つのチャンバーと、上部のチャンバーから下部のチャンバーに空気を押し出す機構が組み込まれています。この機構により、空気が浮力を得て上部に浮かび上がります。こうした設計の圧縮機構では、空気を下方に動かすのに十分な作業ができないか、または取り出すための余分な作業が残っていません。

このような動作不能な機械の提案はあまりにも一般的になったため、米国特許商標庁(USPTO) は、動作可能なモデルのない永久機関の特許を付与しないという公式方針を定めました。USPTO の特許審査実務マニュアルには次のように記載されています。

永久機関に関する例外を除き、特許庁は通常、装置の操作性を証明するためにモデルを要求しない。装置の操作性が疑問視される場合、出願人は審査官が納得できるまでそれを証明しなければならないが、その方法は出願人が独自に選択することができる。^[28]

そして、さらに、

実用性の欠如を理由とする特許出願の拒絶には、永久運動を含むより具体的な無効性の理由が含まれる。35 USC 101に基づく実用性の欠如による拒絶は、発明が軽薄、詐欺的、または公序良俗に反するという理由に基づくべきではない。^[29]

特許出願は事務的な作業であり、USPTOは永久機関の出願を拒否することはありません。出願は提出され、その後、正式な審査を行った後、特許審査官によって拒否される可能性が高くなります。^[30]特許が付与されたとしても、それは発明が実際に機能することを意味するわけではなく、審査官がそれが機能すると信じているか、機能しない理由を理解できなかったことを意味するだけです。^[30]

英国特許庁には永久運動に関する特別な実務があり、英国特許庁の特許実務マニュアルのセクション 4.05 には次のように記載されています。

永久機関のように、確立された物理法則に明らかに反する方法で動作するとされるプロセスまたは物品は、産業上の利用可能性がないものとみなされます。^[31]

英国特許庁が永久機関の特許出願を拒否した決定の例としては、以下のものがある。^{[32] [自費出版ソース]}

• 決定BL O/044/06、ジョン・フレデリック・ウィルモットの申請番号0502841 ^[33]
• 決定BL O/150/06、エズラ・シムシの申請番号0417271 ^[34]

欧州特許分類（ECLA）には、永久機関に関する特許出願を含むクラスがある。ECLAクラス「F03B17/04：永久機関の疑い」および「F03B17/00B：[...機械またはエンジン]（閉ループ循環または類似のもの：...液体が閉ループで循環する装置。この種の永久機関の疑い」^[35]

永久機関は離散パラメータを持つ有限の孤立系でのみ定義でき、真の孤立系は存在しないため（量子不確定性などにより）、この記事の文脈における「永久運動」は「永久運動機械」と定義する方が適切である。なぜなら、機械とは「機械的、電気的、または電子的に作動する装置で、タスクを実行する」ものであり、^{[36] 「運動」は単なる動き（}ブラウン運動など）だからである。区別はさておき、マクロなスケールでは「永久運動」を提案する概念や技術草案があるが、より詳しく分析すると、それらは実際には水やその他の流体の相変化や小さな自然温度勾配など、何らかの自然資源や潜在エネルギーを「消費」するか、単に無期限の動作を維持できないことが明らかになる。一般に、これらの装置から仕事を引き出すことは不可能である。

このようなデバイスの例としては、次のようなものがあります。

• 水飲み鳥のおもちゃは、周囲の小さな温度勾配と蒸発を利用して機能します。すべての水が蒸発するまで作動します。
• 毛細管現象を利用した水ポンプは、周囲の小さな温度勾配と蒸気圧の差を利用して機能します。「毛細管ボウル」では、毛細管現象によって水がチューブ内を流れ続けると考えられていましたが、そもそも液体をチューブに引き上げる凝集力によって液滴がボウル内に放出されなくなるため、水の流れは永続的ではありません。
• クルックス放射計は、（光誘起の）温度勾配によって動く軽量のプロペラを備えた部分真空のガラス容器で構成されています。
• 太陽光発電モーターなど、周囲の自然電磁放射から最小限のエネルギーを拾うデバイス。
• 一部の時計 ( Cox's timepiece、Beverly Clock )など、気圧の変化によって駆動する装置。この動きは、空気の動きからエネルギーを吸収し、空気は作用を受けることでエネルギーを得ます。
• ヒートポンプは、 COP が1 を超えるため、仕事として消費されるエネルギーが熱として移動するエネルギーよりも少なくなります。
• アトモスクロックは、温度による塩化エチルの蒸気圧の変化を利用して時計のゼンマイを巻き上げます。
• 誘導核反応または比較的長い半減期を持つ同位元素からの放射性崩壊によって駆動する装置。このような装置は数百年または数千年にわたって動作する可能性があります。^[要出典]
• オックスフォード電気ベルとカルペンパイル [ro]は乾式パイル電池で駆動されます。

• フライホイールエネルギー貯蔵では、「現代のフライホイールは、数年単位で測定可能なゼロ負荷の停止時間を持つことができます。」^[37]
• 真空中の物体（恒星、ブラックホール、惑星、衛星、自転安定化衛星など）は、一度回転すると、非常にゆっくりとエネルギーを消散し、長期間回転し続けることができる。地球上の潮汐は、月/地球系の重力エネルギーを平均約3.75テラワットの割合で消散させている。^{[38] [39]}
• 特定の量子力学システム（超流動や超伝導など）では、非常に低い摩擦運動が可能です。ただし、システムが平衡状態に達すると（たとえば、すべての液体ヘリウムが同じレベルに到達すると）、運動は停止します。同様に、容器の壁を登る超流動体のような一見エントロピーを逆転させる効果は、通常の毛細管現象によって発生します。

場合によっては、思考実験により、永久運動は受け入れられ理解されている物理的プロセスを通じて可能であるかもしれないと示唆されているように見えます。しかし、すべての場合において、関連する物理学をすべて考慮すると、欠陥が見つかります。例:

• マクスウェルの悪魔: これはもともと、エネルギー分子を選択してそのエネルギーを抽出できる「悪魔」を仮定することにより、熱力学の第二法則が統計的な意味でのみ適用されることを示すために提案されました。その後の分析 (および実験) により、全体的なエントロピーの増加をもたらさないようなシステムを物理的に実装する方法は存在しないことが示されました。
• ブラウン運動ラチェット: この思考実験では、ラチェットに接続されたパドルホイールを想像します。ブラウン運動により、周囲のガス分子がパドルに衝突しますが、ラチェットはパドルを一方向にしか回転させません。より徹底的な分析により、この分子スケールで物理的なラチェットを考慮すると、ブラウン運動もラチェットに影響を及ぼし、ラチェットがランダムに故障して純利益が得られないことがわかりました。したがって、この装置は熱力学の法則に違反しません。
• 真空エネルギーとゼロ点エネルギー:仮想粒子やカシミール効果などの効果を説明するために、量子物理学の多くの定式化には、真空またはゼロ点エネルギーとして知られる、空の空間に浸透する背景エネルギーが含まれています。ゼロ点エネルギーを有用な仕事に利用する能力は、科学界全体では疑似科学と見なされています。 ^{[40] [41]}発明者はゼロ点エネルギーから有用な仕事を抽出するためのさまざまな方法を提案しましたが、どれも実行可能であることが判明していません。 [ ^{40] [42]}ゼロ点エネルギーの抽出に関する主張は科学界によって検証されたことがありません。 ^[43]ゼロ点エネルギーがエネルギー保存則に違反して使用できるという証拠はありません。^[44]
• 楕円体のパラドックス: このパラドックスは、点Aと点Bに 2 つの黒体がある完全反射空洞を想定したものである。反射面は 2 つの楕円形セクションE ₁とE ₂と球形セクションSで構成され、 AとBの物体は2 つの楕円の合焦点に位置し、B はSの中心にある。この配置では、Bの黒体はAに対して相対的に熱くなるように見える。つまり、 Aの黒体から発せられる放射はBの黒体に当たり、吸収される。同様に、点Bから発せられてE ₁とE ₂に当たる光線はAに反射される。しかし、 Bから発せられてSに当たる光線のかなりの割合はBに反射される。このパラドックスは、点状の黒体ではなく、黒体の有限サイズを考慮することで解決される。^{[45] [46]}

永久機関は疑似科学的であると否定されているにもかかわらず、企業や政府によって国民から隠されているという陰謀論の焦点となっている。安価にエネルギーを生産できる動力源が利用可能になれば、企業は経済的支配力を失うからだ。^{[47] [48]}

• 反重力
• 光より速い
• 信じられないほどの実用性
• ヨハン・ベスラー
• 病理学
• タイムトラベル

ウィキソースには、1911 年のブリタニカ百科事典の記事「永久運動」のテキストがあります。

• 機能しないデバイスの博物館 2018-09-14 にWayback Machineでアーカイブされました
• 丸山 浩二; フランコ ノリ; ヴラトコ ヴェドラル (2009). 「コロキウム: マクスウェルの悪魔と情報の物理学」.現代物理学レビュー. 81 (1): 1–23. arXiv : 0707.3400 . Bibcode :2009RvMP...81....1M. doi :10.1103/RevModPhys.81.1. S2CID  18436180.
• 「永久運動はあり得ない。」『ポピュラーメカニクス』 1954年1月号、108～111ページ。
• In Our Time: Perpetual Motion、BBC の討論会。ルース・グレゴリー、フランク・クローズ、スティーブン・ブラムウェルが出演。メルヴィン・ブラッグが司会。2015 年 9 月 24 日に初放送。
• 永久運動について何が詳しくわかっているのか、USIIC 2023 年 5 月 21 日発行