Вечный двигатель: возможно ли получать энергию из вакуума

На протяжении столетий люди мечтали о создании вечного двигателя — машины, способной работать бесконечно без внешнего источника энергии. Рисунки подобных устройств находили в записных книжках французских мастеров XIII века, а индийский математик Бхаскара II ещё в XII веке описал колесо, которое по его задумке должно было вращаться вечно. Современная физика однозначно утверждает: вечный двигатель невозможен. Но старая мечта нашла новое воплощение: некоторые энтузиасты верят, что неиссякаемый источник энергии скрыт в самой «пустоте» — квантовом вакууме.

Железные законы термодинамики

Чтобы объяснить, почему вечный двигатель невозможен, физики разделяют все гипотетические машины такого рода на два типа. Каждый из них нарушает свой, совершенно определённый закон природы. Всё настолько серьёзно, что патентные ведомства большинства стран принципиально отказываются рассматривать заявки на подобные изобретения.

Вечный двигатель 1-го рода: энергия из ничего

Вечный двигатель первого рода (ВД-1) — это машина, которая производит больше энергии, чем потребляет, или, проще говоря, создаёт энергию из ничего.

Почему это невозможно. Создание ВД-1 нарушает первый закон термодинамики — фундаментальный закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда; она лишь переходит из одной формы в другую. Нельзя получить от машины больше энергии, чем в неё вложено. Любая реальная система неизбежно теряет часть энергии на трение и сопротивление воздуха, а значит, без подпитки извне она рано или поздно остановится.

«Вечный двигатель» Роберта Фладда

Классический пример такого заблуждения — водяная мельница, предложенная английским врачом Робертом Фладдом в 1618 году. По его замыслу вода должна была падать на колесо, вращать его, а насос, приводимый в движение этим же колесом, — поднимать воду обратно в резервуар. Но энергия, полученная от падающей воды, никогда не сможет превысить энергию, нужную для подъёма этой же воды наверх, особенно с учётом потерь на трение.

Вечный двигатель 2-го рода: идеальная эффективность

Вечный двигатель второго рода (ВД-2) — это более хитрая концепция. Такая машина не создаёт энергию, а берёт тепло из окружающей среды, например из океана или воздуха, и полностью превращает его в полезную работу. При этом она не нарушает закон сохранения энергии.

Почему это невозможно. Здесь в игру вступает второй закон термодинамики. Согласно формулировке Кельвина-Планка, невозможно создать двигатель, который бы просто забирал тепло от одного источника и целиком превращал его в работу. Любому тепловому двигателю для работы нужен не только источник тепла, но и холодный сосуд, куда будет перемещаться энергия. Именно из-за необходимости сбрасывать часть тепла в «холодильник» КПД тепловой машины никогда не может достичь 100%. ВД-2 же предполагает стопроцентную эффективность, что прямо противоречит этому принципу.

Схема аммиачного двигателя Джона Гэмджи

Одна из самых известных попыток создать такое устройство — это аммиачный двигатель Джона Гэмги, разработанный в 1880-х годах. В нём жидкий аммиак должен был испаряться при комнатной температуре, а его пары — толкать поршень. Затем пар нужно было охладить, чтобы он снова стал жидкостью и цикл повторился. Гэмги упустил из виду, что для конденсации аммиака его нужно охладить до –33°C, а на это уйдёт больше энергии, чем произведёт сам двигатель.

Энергия вакуума: квантовая «пена»

Классическое представление о вакууме — это абсолютная пустота, где нет ни материи, ни энергии. Однако в XX веке квантовая механика полностью перевернула этот взгляд. С точки зрения современной физики вакуум — это не пустота, а динамичная среда, наполненная постоянно меняющимися квантовыми полями. Это поле обладает минимально возможным, ненулевым уровнем энергии, который называют энергией нулевой точки.

Принцип неопределённости и «виртуальные» частицы

Основа этого явления — принцип неопределённости Гейзенберга. Он гласит, что невозможно одновременно с абсолютной точностью знать некоторые пары характеристик частицы, например её энергию и время существования. Из-за этого принципа вакуум не может находиться в состоянии с абсолютно нулевой энергией.

3D-визуализация квантовых флуктуаций вакуума

В нём постоянно на кратчайшие мгновения спонтанно рождаются и тут же исчезают пары «виртуальных» частиц и античастиц. Их нельзя зафиксировать напрямую, как обычные частицы, но их существование подтверждается измеримыми эффектами. Например, сила притяжения между двумя электрическими зарядами объясняется обменом виртуальными фотонами.

Эффект Казимира

Самым убедительным доказательством того, что энергия вакуума реальна, является эффект Казимира. Если в вакууме разместить две незаряженные металлические пластины очень близко друг к другу, между ними возникнет сила притяжения.

Это происходит потому, что пластины ограничивают пространство между собой. В результате «поместиться» между ними может меньше типов (или «мод») виртуальных частиц, чем снаружи. Возникает дисбаланс: давление виртуальных частиц снаружи становится больше, чем внутри, и эта разница давит на пластины, прижимая их друг к другу. Этот эффект был предсказан в 1948 году и точно измерен в 1997-м, наглядно продемонстрировав, что вакуум — это не просто пустота.

Можно ли путешествовать сквозь кротовые норы на миллионы световых лет

Почему из вакуума нельзя получить энергию?

Несмотря на то что у вакуума есть энергия, использовать её как источник питания невозможно. На это есть фундаментальные причины.

Самый низкий энергетический уровень

Энергия вакуума — это «основное состояние», то есть самый низкий возможный энергетический уровень во Вселенной. Чтобы совершать работу, нужен перепад, градиент энергии — как вода падает с высокого уровня на низкий, вращая турбину. А у вакуума такого перепада нет. Нельзя извлечь энергию из системы, которая и так находится на минимально возможном уровне, ведь падать ей уже некуда. Это всё равно что поставить водяную мельницу на дно озера и пытаться извлечь из её вращения энергию.

Случайность не даёт выгоды

Другая проблема — сама природа квантовых флуктуаций. Они абсолютно случайны. Если подключить к вакууму гипотетическую «квантовую батарею», то половина случайных всплесков энергии заряжала бы её, а другая половина — немедленно разряжала. В итоге за любой промежуток времени чистый результат был бы равен нулю. Создать устройство, которое бы «ловило» только положительные флуктуации, означало бы создать вечный двигатель, что возвращает исследователей к нарушению физических законов.

Мифы о «свободной энергии»

Несмотря на научные факты, идея о неиссякаемой энергии из вакуума породила множество конспирологических теорий. Сторонники этих теорий утверждают, что правительства и корпорации скрывают от человечества технологии «свободной энергии», чтобы сохранить контроль над рынком нефти и газа.

Часто в этом контексте упоминают имя Николы Теслы. Ему приписывают создание устройств для получения неограниченной энергии. Однако на самом деле его знаменитый проект с башней Уорденклифф был посвящён беспроводной передаче энергии, а не её созданию из ничего. Научное сообщество отвергает подобные теории не из-за заговора, а потому что они противоречат законам физики, которые нельзя обойти или отменить.

В итоге

Мечта о вечном двигателе остаётся всего лишь красивым мифом, который разбивается о два незыблемых закона термодинамики. Даже открытия квантовой физики не смогли её оживить. Энергия вакуума реальна, но она представляет собой самое низкое энергетическое состояние Вселенной, из которого невозможно извлечь полезную работу. Тем не менее исследование этого явления может привести к другим интересным открытиям, например к открытию экзотической материи с отрицательной плотностью энергии.