Οι αεικίνητες μηχανές και ο αναστολέας του Feynman

Αεικίνητο χαρακτηρίζεται ο μηχανισμός που όπως το λέει και η λέξη βρίσκεται για πάντα σε κίνηση (αει+κίνηση), χωρίς να δαπανάται ενέργεια για να συνεχιστεί η κίνηση του ή να απαιτείται για την κίνηση κάποια εξωτερική ενεργειακή πηγή. Στην πράξη αυτό είναι αδύνατο εξαιτίας της τριβής και άλλων πηγών απώλειας ενέργειας. Η λειτουργία ενός τέτοιου μηχανισμού θα ισοδυναμούσε με τη δημιουργία ενέργειας από το μηδέν, κάτι που είναι αδύνατο σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο.
Αναστολεύς του Φάιμαν

Παρότι η κατασκευή φαινομενικά αεικίνητων μηχανών μπορεί να φαντάζει απίθανο θέμα για τους φυσικούς, τα σημαντικά επιτεύγματα της φυσικής περιλαμβάνουν συνήθως ιδέες που βρίσκονται στα όρια αυτής της επιστήμης, ιδίως όταν οι επιστήμονες προσπαθούν να προσδιορίσουν γιατί μια συσκευή παραβιάζει τους φυσικούς νόμους.

Οι αεικίνητες μηχανές έχουν προταθεί εδώ και αιώνες, όπως το 1150 όταν ο Ινδός μοθηματικός – αστρονόμος Μπασκάρα Β’ περιέγραψε έναν τροχό με δοχεία γεμάτα υδράργυρο, που πίστευε ότι θα γυρνούσαν αενάως, καθώς ο υδράργυρος θα μετακινούνταν μέσα στα δοχεία, διατηρώντας τον τροχό βαρύτερο στη μία πλευρά του άξονα.


Σχέδιο αεικίνητου από τον Ulrich von Cranach, 1672. Αριστερά, οι σφαίρες πέφτοντας θέτουν σε κίνηση τον τροχό, που μέσω του άξονα στρέφει τον κοχλία του Αρχιμήδη, στα δεξιά, που θα τις ανεβάσει ξανά πάνω, στη θέση από την οποία έπεσαν. Θεωρητικά έτσι συνεχίζονται ο κύκλος επ’ άπειρο, όμως στην πράξη ο μηχανισμός, όπως και κάθε αεικίνητο, δεν λειτουργεί.
Γενικά, η αέναη κίνηση αναφέρεται συχνά σε κάθε συσκευή ή σύστημα που είτε:
1) παράγει αενάως περισσότερη ενέργεια από αυτήν που καταναλώνει (μια παραβίαση του Νόμου της διατήρησης της ενέργεια ή
2) απορροφά αυτομάτως θερμότητα από τον περιβάλλοντα χώρο για να παραγάγει μηχανικό έργο (μια παραβίαση του Δεύτερου Νόμου της Θερμοδυναμικής).

Ένα νοητικό παράδειγμα αεικίνητης μηχανής είναι ο Αναστολέας του Μπράουν του Ρίτσαρντ Φέινμαν (1918-1988), που αποτέλεσε αντικείμενο συζήτησης το 1962. Φανταστείτε έναν μικροσκοπικό αναστολέα που είναι προσαρμοσμένος σε μια ρόδα με πτερύγια που είναι βυθισμένη στο νερό. Εξαιτίας του μηχανισμού μονής κατεύθυνσης του αναστολέα, όταν τα μόρια συγκρούονται τυχαία με τη ρόδα, η ρόδα μπορεί να γυρίζει μόνο προς τη μία κατεύθυνση και μπορεί προφανώς να εκτελέσει έργο, όπως την ανύψωση κάποιου βάρους. Επομένως, μέσω της χρήσης ενός απλού αναστολέα, ο οποίος μπορεί να αποτελείται από μια γλωττίδα που συμπλέκεται με τα επικλινή δόντια ενός γραναζιού, η ρόδα περιστρέφεται αενάως. Καταπληκτικό!

To σύστημα του οδοντωτού τροχού διαθέτει έναν απλούστατο μηχανισμό ο οποίος επιτρέπει την κίνηση μόνο προς την μια κατεύθυνση.

Ωστόσο, ο ίδιος ο Φέινμαν έδειξε ότι ο Αναστολέας του Μπράουν πρέπει να έχει μικροσκοπική γλωττίδα για να ανταποκρίνεται στις συγκρούσεις των μορίων. Αν η θερμοκρασία T του αναστολέα και της γλωττίδας ήταν η ίδια με αυτήν του νερού, η μικροσκοτική γλωττίδα θα αποτύγχανε κάθε τόσο και καμία καθαρή κίνηση δεν θα λάμβανε χώρα. Αν ήταν χαμηλότερη από τη θερμοκρασία του νερού, η ρόδα μπορεί να αναγκαζόταν να κινείται μόνο προς τη μία κατεύθυνση, αλλά κάνοντάς το αυτό, θα χρησιμοποιούσε ενέργεια από τη θερμοβαθμίδα, γεγονός που δεν παραβιάζει τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής.