牛顿摆是永动机吗（科学家对永动机的执着，最终黑洞才是答案）
你可能玩过永动弹珠机。小钢珠从顶部掉下，通过滑轮轨道，再弹到顶部。如此反复，小钢球会永远循环下去吗？
永动弹珠机
其实不会。永动弹珠机下面隐藏着电池和电磁铁。没有这些，钢球不可能永恒地循环下去。它会打破热力学第一定律和第二定律。所以它并不是一个真的永动机。
热力学第一定律和第二定律
那么，有一天永动机会真的被发明出来吗？
理论上，永动机是一种能够无限期地运转而不损失能量的装置。这意味着它将以100%或更高的效率运行。
也就是说，热力学第一定律或能量守恒定律规定，能量不能被创造或消灭，只能转移到其他物体上。牛顿摆就是一个很好的例子。它通过悬挂在线或绳上的钢球的点击和摇摆来演示动量守恒和能量守恒。
牛顿摆
连续的摇摆和点击证明了牛顿的能量守恒定律，即能量不能被创造或消灭；它只是改变形态。这就是为什么它不是一个永动机，因为钢球会向许多东西损失能量——当它们穿过空气时会因摩擦而损失能量，当它们相互碰撞时也会产生声音能量，并且在碰撞时会因热而损失能量。
虽然在这个例子中损失非常微不足道，但这引出了热力学第二定律，即热总是从较热的物体向较冷的物体移动，除非提供能量来改变热流方向。
这些因素都导致牛顿摆中的钢球能量的损失，最终钢球会减速并停止。对于真正的永动机来说，能量必须留在机器内或者是一个封闭装置——一个完全没有摩擦、没有外部来源、并且必须存在于真空中，这样不会有大气压的影响。这听起来不可能，确实也是如此。
宇宙真空
然而，有一些发明我们将要看到，它们被许多人称为建造永动机最令人印象深刻的尝试。
贝弗利时钟就是其中之一。它坐落在新西兰奥塔哥大学物理系内。这个时钟是由一个名叫阿瑟·贝弗利的人发明的。
阿瑟·贝弗利
阿瑟·贝弗利14岁时成为学徒钟表匠，是一位非常熟练的镜头制造者，并为阿伯丁大学制造了一套显微镜镜头。他移居新西兰，在1858年开设了自己的钟表制造业务。就在那里，他开始着手研究他的发明，六年后开业，他完成了一项奇妙而不同寻常的时钟。
钟表
他的发明完成后，阿瑟·贝弗利在1864年上发条。这是唯一一次上发条启动它，它从那时起一直在运行。直到今天，它仍然是世界上运行时间最长的实验之一。
阿瑟·贝弗利发明的贝弗利钟
那么，一个机械时钟如何能够连续运行159年而不需要人工上发条呢？其实这个说法并不完全准确。虽然时钟仍然在运行，但有时它也会停止。尽管理论上这个时钟可以永远不用上发条就能运行，但它确实依赖于外部能量。
贝弗利钟原理
虽然没有隐藏的电池，但这个时钟实际上是靠大气压力运行的。这要归功于内部一个密封的盒子，它会因为白天正常温度变化而膨胀和收缩。温度变化会对一个膜片产生压力，使一个450克重的重物升起。
贝弗利钟齿轮
当温度降低时，重物下落并上发条。只要温度变化6摄氏度，就会将重物提升3厘米左右，那么它就会上发条。反之温度变化没有6摄氏度，时钟就会停止，所以这个钟的时间并不准确。它不是一个真正的封闭系统，因此也不是一个真正的永动机。然而，它是我们拥有的最接近永动机的例子。
尽管如此，贝弗利时钟对于当时来说仍然是一个非常出色的设计，并且是世界上第一个大气钟。但由于其低于100%的运行效率，并不能算作永动机。值得一提的是，在太空真空中像这样的装置将无法运行，并且需要重力才能工作。
如果你认为贝弗利时钟是一个惊人的发明，那么下一个永动机尝试肯定会让你惊讶。它被称为牛津电铃或有时被称为克拉伦登干电堆，因为用来给装置供电的干电堆电池。
牛津电铃
干电堆是非常早期使用交替银锌盘和涂有硫磺产生低电流的电池。牛津铃发明包括两个黄铜铃铛，每个都位于两个这种类型干电堆电池下方，这些电池被熔融硫磺覆盖，并看起来像蜡烛台一样。
干电堆电池
在玻璃外壳内，在两个铃铛之间悬挂着一个金属球或铃锤。每个连接到干电堆电池的铃铛都产生微小的静电荷，排斥微小的铃锤，在两个铃铛之间快速来回移动。
它大约在1825年由伦敦仪器制造商沃特金和希尔发明。但这个发明令人惊讶的是，它于1840年首次展出，铃铛从那时起一直在响。迄今为止已经有183年了。
铃锤
有人说，它可能在建造完成后的第一分钟就开始响了，大约15年前，有些估计称铃铛已经响了超过100亿次，而且今天仍然在响。除了这个非常令人惊讶的事实，这个铃铛还有一些其他的神秘之处，那就是没有人确切知道干电堆电池是由什么制成的，或者为什么电池持续时间如此之长。
1810年架空验电器图纸
我们知道它们被硫磺覆盖，但里面的东西是一个秘密，它们本来不会持续很长时间。事实上，在牛津大学克拉伦登实验室安装铃铛一年后，沃特金和希尔在一封信中写道：“保持铃铛响起的剩余电力很少超过三四年。”如果他们今天还活着，他们应该会很自豪吧。他们的电池让我们的智能手机电池有点相形见绌。
干电桩原理
现在研究人员都在等待铃铛停止响起，以便搞清楚电池是如何构造的。如果铃铛永远不停止响的话，这将是一个令人难以置信的发明。那么它是一个永动机吗？你可以说这又是一个接近但没有成功的发明。这是因为电池最终会耗尽，或者铃锤会先磨损掉。此外，由于铃锤与铃之间的空气摩擦，即使非常小也会损失一些能量。因此，它不是一个永动机。
我们谈到了牛顿摆的空气摩擦，你可以看到空气摩擦最终会停止牛津铃的铃锤，导致两者都以低于100%的效率运行。那么一个处于真空或部分真空中的发明呢？事实证明，这样的发明确实存在。这被称为克鲁克斯辐射计或者是太阳风车，由英国化学家和物理学家威廉·克鲁克斯爵士发明。
克鲁克斯辐射计
辐射计是一种测量物体受到辐射量的装置。在部分真空密封的灯泡内有一组四个叶片，它们平衡在一个具有自由运动的单杆上。每个叶片都有一个白色反射面和一个黑色面。当玻璃灯泡暴露在光线下时，叶片开始旋转。玻璃灯泡上显示的光线越多，里面的叶片转动得越快。
在光线下叶片开始旋转
你会认为光实际上是对反射面施加压力，使它们移动。然而，克鲁克斯辐射计中叶片旋转的真正原因是所谓的热传输。所以实际发生的是当你在灯泡上照射光线时，玻璃会加热并发出看不见的红外辐射，方形叶片的黑色一面比白色一面接收更多辐射，热传输使叶片旋转。
克鲁克斯辐射计叶片
顺便说一句，克鲁克斯辐射计也可以反向工作。也就是说，如果你通过倒冷水或在玻璃上使用冰来冷却灯泡，叶片的黑色一面会比白色一面更好地发射红外辐射，使叶片向相反方向旋转。
克鲁克斯辐射计与贝弗利时钟一样，都不是封闭系统。它们都需要外部力量才能运行。因此，它们都不是永动机。
系统
事实上，永动机可能永远不会存在。没有一个封闭系统能以100%或更高的效率运行。关于永动机的问题是，大多数奇特的发明都忽略了创造这样一种装置的要点。就是要创造一个能源输出大于能源输入的装置。发明家们曾尝试让他们的装置永远运行下去，但迄今为止都失败了。
但在自然界中确实有一些违反能量守恒定律的东西，比如黑洞。黑洞产生的能量比它们消耗的能量更多。这违反了能量守恒定律。因此，理论上，黑洞质量增加可以用来创建永动机。
黑洞和重力场
假设大型强子对撞机被用来创建一个微型黑洞。这个黑洞会很快蒸发。但是当它蒸发时，质量会略微增加。这会产生额外的能量输出。这样的机器可以利用宇宙的膨胀来获得纯能量输出。这相当于一个永动机。
欧洲大型强子对撞机
我们可能已经非常接近解决这个问题了。
最近科学家们创建了一个实验室培育的黑洞模型。在模拟事件视界后，它开始发光。
所以在真的永动机到来前，我们还是要给这些发明“永动机”的发明者点个赞！
