《雪國列車》

曲婷婷

About the Film

當溫室效應愈演愈烈，地球快要“發燒”的時候，應該怎么辦呢？在近期上映的科幻電影《雪國列車》中，人類社會選擇了使用冷凍劑來解決這個問題。名為CW-7的冷凍劑極其有效，甚至讓地球的氣溫降低到了零下六七十攝氏度。出人意料的極寒天氣突然來臨，大多數人都死于寒冷和恐慌之中，只有極少數的人進入了一個避難所——一列永遠不會停下來的火車。它設施配備完善，甚至構建了自己的生態系統。等地球環境重新變得溫暖，列車才會停下，讓幸存的人們重新生活。17年過去了，列車仍然在運行著，然而列車里的人卻被分成了三六九等，被壓迫者與上等人之間產生了激烈的沖突……在這部電影中，最讓筆者覺得不可思議的，就是那列永不停歇的火車，它怎么能一直運行呢？這是一個建立在永動機基礎上的科幻故事。

Real Story

違反定律的永動機

永動機，是指違反了熱力學基本定律的、不能實現的發動機。在現實世界里，不管做什么都要靠外界能源來提供能量，人耕田需要消耗人力和畜力；汽車行駛需要燃燒汽油或柴油；電動車需要消耗電能……但是能源都是有限的，所以，從古至今，人們都一直希望能制造出一種可以永不停息地輸出能量的裝置。在沒有外界能源供給的情況下，它就能源源不斷地得到有用的功，即不斷產生能量。這種永動機違反了熱力學第一定律，被稱為“第一類永動機”。

人們還設想了另外一種永動機：能從自然界中的海水或空氣中不斷吸收能量，使之連續不斷地轉變為機械能，同時不產生其他的影響。這樣的裝置違反了熱力學第二定律，故被稱為“ 第二類永動機”。

History

永動機的神話

在歷史上，第一類永動機曾名噪一時，很多當時杰出的科學家提出了自己的設想。

亨內考永動機 法國人亨內考在13世紀設計了“魔輪”。如圖1所示，“魔輪”中央有個轉動軸，軸的邊緣等距安裝了12根活動短桿，每根短桿一端裝有一個鐵球。亨內考認為，右邊的球比左邊的球離軸遠些，因此其產生的轉動力矩要比左邊球的大，力矩的不平衡可以驅動“魔輪”一直轉動下去。這個設計被很多人復制出來，但所有人都失敗了。

達·芬奇在15世紀提出了類似設計（圖2），利用隔板的形狀，使右邊的重球滾到比左邊的重球離輪心更遠些的地方。兩邊重球力矩不均衡，就會使輪子轉動不息。他也失敗了。在以上兩個設計中，雖然右邊的球施加給輪子的旋轉力矩

較大，但球的個數在減少。會有一個適當的位置，左右兩側的球施加于輪子的相反方向的力矩恰好相等、相互抵消，使輪子平衡靜止下來。

流水落差永動機 16世紀，一位機械設計師斯特爾提出的設計方案如圖3所示。上面水槽流出的水沖擊水輪轉動，帶動水磨，同時通過一組齒輪帶動螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新帶到上面水槽中，這樣就能不停運轉。但實際上，水槽中水的勢能主要轉化成兩部分，一部分帶動水磨轉動，另一部分轉化為螺旋汲水器的功，而這部分功又轉化為水的勢能。所以，根據能量轉化和守恒定律，流回水槽的水會越來越少。當水槽中的水全部流進蓄水池里時，該裝置就停止了轉動。因此，這種永動機也不可能實現。

浮力永動機 如圖4，一串木球繞在兩個輪子上，部分木球放在盛有水的容器中。設計者認為，左右兩邊木球數相等，鏈條本該平衡，但部分木球受到水的浮力，就會向上運動，從而帶動整串木球運動起來。但是這個永動機仍然是失敗的，因為當下面的木球穿過容器底時，它要承受水的壓力，這個力會抵消上面幾個木球受到的浮力，自然無法運轉了。

Future Science

新 的 夢 想

主流科學界已達成了共識：永動機不可能制成，也不贊成人們把時間和精力花在它上面。有的科學家把目光放在了新能源上，如可控核聚變，如能實現，完全可以像電影中那樣讓列車運行十幾年。

另外，真空是有能量的，只不過其能量十分微弱。巴西的物理學家研究發現，就像物質會在引力的作用下聚集成團形成星球一樣，在特殊情況下，宇宙中的真空能也會在引力的作用下聚集起來，甚至會產生額外的引力作用。把這些真空能收集起來作為能源使用，簡直就相當于一種宇宙永動機。當然，這仍然是一個遙遠的夢想。