Why don't perpetual motion machines ever work? - Netta Schramm

永久機関が機能しない理由 ― ネッタ・シュラム

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

Around 1159 A.D.,

紀元1159年ごろ

a mathematician called Bhaskara the Learned

バースカラ２世という数学者が

sketched a design for a wheel containing curved reservoirs of mercury.

曲線的な形をした水銀入り容器でできた 車輪の設計図を描きました

He reasoned that as the wheels spun,

彼は水銀が 各タンクの底に流れ込むことで

the mercury would flow to the bottom of each reservoir,

常に車輪のある一方の側が重くなり

leaving one side of the wheel perpetually heavier than the other.

この車輪が回り続けると説明しました

The imbalance would keep the wheel turning forever.

釣り合いが崩れて 車輪が永遠に回転するというのです

Bhaskara's drawing was one of the earliest designs

バースカラのスケッチは

for a perpetual motion machine,

初期の永久機関の設計図のひとつで

a device that can do work indefinitely without any external energy source.

これは外部からのエネルギー供給なしで 永遠に機能するという装置です

Imagine a windmill that produced the breeze it needed to keep rotating.

自分で風を作り出して 回転し続ける風車や

Or a lightbulb whose glow provided its own electricity.

発した光がそれ自身に電力供給を行う 電球を想像してみてください

These devices have captured many inventors' imaginations

こういった装置は数多くの発明家の 想像力を刺激してきました

because they could transform our relationship with energy.

人間とエネルギーの関係が 変わるかもしれないからです

For example, if you could build a perpetual motion machine

例えば 永久機関を製作して

that included humans as part of its perfectly efficient system,

その完全に効率的なシステムの一部として 人間を組み込めれば

it could sustain life indefinitely.

生命を永遠に維持できるかもしれません

There's just one problem.

問題がひとつあります

They don't work.

どれも機能しないことです

Ideas for perpetual motion machines

永久機関のアイディアはいずれも

all violate one or more fundamental laws of thermodynamics,

異なるエネルギー形態の間の関係を論ずる

the branch of physics that describes the relationship

物理学の一分野である熱力学の法則を

between different forms of energy.

１つ以上破っているからです

The first law of thermodynamics says that energy can't be created or destroyed.

熱力学第一法則によるとエネルギーを 作り出したり失うことはありません

You can't get out more energy than you put in.

外部から投入したエネルギー以上の エネルギーを得ることはできないのです

That rules out a useful perpetual motion machine right away

これらの法則から永久機関を 直ちに否定することができます

because a machine could only ever produce as much energy as it consumed.

機械は せいぜい外部から与えられた エネルギー分までしか取り出せないからです

There wouldn't be any left over to power a car or charge a phone.

自動車の動力や携帯電話の充電のための 余分なエネルギーは残っていません

But what if you just wanted the machine to keep itself moving?

でも 機械を動かし続けるだけなら？

Inventors have proposed plenty of ideas.

発明家たちは数多くのアイディアを 提供してきました

Several of these have been variations on Bhaskara's over-balanced wheel

バランスの不均衡に基づく バースカラ２世の車輪には

with rolling balls or weights on swinging arms.

転がる球や振り子に取り付けられたおもりなど 様々なバリエーションがありますが

None of them work.

どれも機能しません

The moving parts that make one side of the wheel heavier

車輪の片側をより重たくする可動部分は

also shift its center of mass downward below the axle.

その重心を軸より下側に 移動させてしまいます

With a low center of mass,

重心が下がることで

the wheel just swings back and forth like a pendulum,

車輪はただ 振り子のように左右に揺れるだけで

then stops.

やがて停止します

What about a different approach?

別のアプローチはどうでしょうか？

In the 17th century, Robert Boyle came up with an idea

17世紀にロバート・ボイルが

for a self-watering pot.

自動給水ポットを思いつきました

He theorized that capillary action,

これは毛細管現象の理論に基づくものです

the attraction between liquids and surfaces

これは液体と表面の間に働く力で

that pulls water through thin tubes,

細い管の中の水を引き上げることで

might keep the water cycling around the bowl.

器と管の間の水の循環が 続くというものです

But if the capillary action is strong enough to overcome gravity

しかし 毛細管現象の力が 重力を上回ったとすると

and draw the water up,

液体を吸い上げるかもしれませんが

it would also prevent it from falling back into the bowl.

液体が器に落ちることも妨げます

Then there are versions with magnets, like this set of ramps.

このように磁石と斜面を用いた バージョンもあります

The ball is supposed to be pulled upwards by the magnet at the top,

頂点にある磁石に球が引き寄せられ

fall back down through the hole,

穴から落下するという

and repeat the cycle.

サイクルを繰り返します

This one fails because like the self-watering pot,

これは自動給水ポットと同様に失敗します

the magnet would simply hold the ball at the top.

磁石は頂点に達した球を とらえたまま放しません

Even if it somehow did keep moving,

何とか動き続けたとしても

the magnet's strength would degrade over time

磁石の力は段々と弱まり

and eventually stop working.

やがて停止します

For each of these machines to keep moving,

これらの機械が動き続けるとしたら

they'd have to create some extra energy

停止しないように

to nudge the system past its stopping point,

熱力学の第一法則を破るような

breaking the first law of thermodynamics.

余分のエネルギーを 作り出すことになるでしょう

There are ones that seem to keep going,

一見 動き続けるように 見えるものもありますが

but in reality, they invariably turn out to be drawing energy

実際には外部のエネルギー源から

from some external source.

エネルギーを引き出しているのです

Even if engineers could somehow design a machine

たとえ エンジニアが 熱力学の第一法則を

that didn't violate the first law of thermodynamics,

破らないような機械を設計できたとしても

it still wouldn't work in the real world because of the second law.

なおも第二法則により 実際に機能することはないのです

The second law of thermodynamics

熱力学の第二法則によると

tells us that energy tends to spread out through processes like friction.

摩擦などにより エネルギーは拡散してしまいます

Any real machine would have moving parts

現実の世界にある機械は 可動パーツがあったり

or interactions with air or liquid molecules

空気や液体の分子との 相互作用があったりして

that would generate tiny amounts of friction and heat,

わずかながらも摩擦 そして熱が発生します

even in a vacuum.

これは真空中でも同じです

That heat is energy escaping,

熱はエネルギーを散逸させます

and it would keep leeching out,

エネルギーが熱として逃げ出すと

reducing the energy available to move the system itself

システムで使用できるエネルギーが減少し

until the machine inevitably stopped.

やがて機械が停止します

So far, these two laws of thermodynamics

ここまでに見たとおり これら２つの熱力学の法則は

have stymied every idea for perpetual motion

永久機関のあらゆるアイデアと これが意味する完全な効率を持った

and the dreams of perfectly efficient energy generation they imply.

エネルギー生成の夢を 危機に陥れました

Yet it's hard to conclusively say we'll never discover a perpetual motion machine

しかし 私たちは森羅万象を 理解しているわけではないので

because there's still so much we don't understand about the universe.

永久機関が作れないとは言い切れません

Perhaps we'll find new exotic forms of matter

熱力学の法則を 見直しを迫るような

that'll force us to revisit the laws of thermodynamics.

風変わりなタイプの新しい物質が 見つかるかもしれません

Or maybe there's perpetual motion on tiny quantum scales.

もしくは極小の量子スケールでは 永久機関が存在するかもしれません

What we can be reasonably sure about is that we'll never stop looking.

私たちの探求は決して止まらないだろう ということは間違いなさそうであり

For now, the one thing that seems truly perpetual is our search.

今のところ 永久に動き続ける唯一のものは 我々の探求心なのです