——J.B.S.哈尔登（J.B.S.haldane），1963
在艾萨克·阿西莫夫的经典小说《众神自己》（themselves）中，一位2070年的无名化学家偶然得出了有史以来最伟大的发现：电子泵，它可以凭空生产出无限量的能量。其影响是立竿见影的，也是深远的，他被誉为有史以来最伟大的科学家，因为他满足了文明对能源无法遏制的渴求。“这是全世界的圣诞老人和阿拉丁神灯。”阿西莫夫写道。他组建的公司很快成为地球上最有钱的公司之一，使石油、天然气、煤和核工业消失大吉。
世界被免费的能源所淹没，文明沉醉于这一新发现的能源。当人人都在庆贺这一伟大成就时，一位孤独的物理学家却感到忧虑。“这所有的免费能源是打哪儿来的呢？”他问自己，最终他揭开了秘密。免费的能源是付出可怕的代价才产生的，这些能源来自一个太空中的洞，它将我们的宇宙与一个平行宇宙相连接，能量突然涌入我们的宇宙引起了连锁反应，将最终毁灭星体和星系们，把太阳变成超新星，并且由此毁灭地球。
自有史以来，传说中的“永动机”一直是发明家、科学家以及江湖术士和职业骗子们的神圣梦想——一台永远运行而不损失任何能量的装置，更强的版本则是一台创造能量比其消耗能量更多的装置，比如电子泵，它会创造免费的、无限的能量。
在未来的岁月中，随着我们的工业化世界逐渐把石油用尽，寻找大量新兴清洁能源的压力将会出现。飞涨的燃气价格、不断下降的产量、愈演愈烈的污染以及大气变化——都加剧着对能源全新的、强烈的需求。
如今，一些科学家利用对于制造无限量免费能源的关注，想将他们的发明以数亿美元的价格出售。许多发明家被财经媒体哗众取宠的断言所诱惑，周期性地争相做这样的事情，那些断言常常将这些异端者吹捧成下一个爱迪生。
永动机的风行流传甚广。在《辛普森一家》（tA的散伙》（tA Disbands）的一集中，丽莎（Lisa）在一次教师罢工期间制造了她自己的永动机。这使得霍默（horner）庄严宣布道：“丽莎，上这儿来……在这个房间里我们遵守热力学定律！”
在电脑游戏《模拟人生》（t），以及尼克国际儿童频道（Nickelodeon）的节目《侵略者Zim》（Invader Zim）中，永动机在剧情中占据了醒目的位置。
但如果能源如此宝贵，那么我们制造出一台永动机的可能性有多少呢？这样的装置确实不可能实现吗？又或者，它们的诞生会修正物理学定律吗？
透过能源看历史
对文明而言，能源必不可少。事实上，人类的全部历史都可以使用能源这面透镜观看。对于99.9%的人类存在而言，原始社会就是流浪、挣扎在食物的匮乏和狩猎之中。生命是残酷的，也是短暂的。可利用的能源为1/5匹马力——自身肌肉的力量。分析我们祖先的骨骼，会发现严重磨损的痕迹，这是由日常生存的重负造成的。人的平均的预期寿命低于20岁。
但在约1万年前，最后一个冰川纪结束后，我们发现了农业，并且驯养动物，特别是马，逐渐将我们的能量输出提高到了一匹或两匹马力。这开始了人类历史上的第一次重大革命。有了马和牛，一个人就有了足够的能量自己耕种一整块田地、日行数十英里，或者将数百磅的石块或谷物从一处搬到另一处。在人类历史上头一次，家庭拥有了剩余的能量，结果造就了我们最初的城市。额外的能量意味着社会有能力支撑一个工匠、建筑师、建造工和文士的阶层，这样一来古代文明便得以繁荣昌盛。很快，雄伟的金字塔和帝国就在丛林和沙漠中竖起。人的平均预期寿命达到了约30岁。
随后，约300年以前，人类历史上的第二次重大革命发生了，随着机器和蒸汽动力的出现，可供一个人使用的能量窜升到数十匹马力。利用蒸汽机车，人们如今能够在数天内穿越整片大陆。机器能够耕耘整片土地，将数百名乘客送出数千英里，并且使我们得以建造巨大又高耸的城市。到1900年，美国人的平均预期寿命几乎达到了50岁。
今天，我们正处于人类历史上的第三次重大革命——信息革命之中。由于人口爆炸，以及我们对电力和能源的如饥似渴，我们的能源需求飞涨，而且我们的能量补给已经被过度使用到了极限。可供一个人使用的能量现在以数千匹马力计。我们相信一辆汽车能够产生数百匹马力。不出所料，这样对能量愈演愈烈的需求引起了对更强大的能源的关注，其中包括永动机。
历史上的永动机
对永动机的追寻自古就有。首次制造永动机的纪录是在8世纪的巴伐利亚，其后1000年中出现的改良型永动机都以此为蓝本，它的基础部分是一连串小磁铁附在一个轮子上，就像一个摩天轮。轮子被放在地面一块较大的磁铁之上。当轮子上的磁铁一块块经过静止的大磁铁上方，它们应该会被大磁铁吸引，随后排斥，由此推动轮子，制造出永恒运动。
另一种别出心栽的设计是1150年由印度哲学家婆什迦罗（Bhaskara）发明的，他提出了一种永远转动的轮子——在轮子的边缘加一枚砝码，使轮子由于不平衡而转动。砝码会在旋转的时候做功，随后它将回到最初的位置。婆什迦罗称，通过一次又一次反复这一过程，可以凭空获取无限的功。
巴伐利亚永动机和婆什迦罗永动机以及它们的许多后继者都具有同样的要素：某种类型的轮子，能够无须添加任何能量就旋转一圈，在这个过程中产生可利用的功（仔细检査这些设计精巧的机器通常会发现，事实上每转一圈能量都在损失，或是可使用的功无法被获取）。
文艺复兴的到来加快了永动机的产生。在1633年，一台永动机获取了第一个专利许可证。到1712年，约翰·白斯勒（Joer）在分析了约300种不同的类型后，提出了他自己的设计（根据传说，他的女仆后来揭发他的机器是一场骗局）。甚至连文艺复兴时期的伟大画家和科学家列奥纳多·达·芬奇也对永动机产生了兴趣。尽管他在公开场合斥责永动机，将其与对“贤者之石”的徒劳搜寻相提并论，伹私下里在自己的笔记本里绘制了精巧的自我驱动永动机的草图，包括一个离心泵和一个用于在火上旋转烤肉叉的旋转式烟囱帽。
到1755年，被提交的设计数量极多，以至于巴黎的皇家科学院宣布将“不再接受或受理有关永动机的方案”。
永动机历史学家亚瑟·奥德-胡姆（Arthur Ord-hume）就这些发明者不知疲倦的奉献进行了写作，他们辛勤工作着，哪怕成功机会微乎其微。胡姆将他们与古代的炼金术士相提并论。但是，他写道：“哪怕是炼金术士都会承认自己的失败。”
恶作剧与骗局
造出永动机的奖励非常巨大，骗局成了家常便饭。在1813年，查尔斯·李德黑法（C Fulton］仔细检査机器后，发现有一条隐蔽的羊肠线传送带驱动着机器。这条传送带又连接到一个在阁楼中悄悄转动一个曲柄的男子那里）。
科学家工程师们同样被卷进了永动机的狂热中。1870年，《科学美国人》（Stific Ameri）被一台由E.P.威利斯（E.P.illis）制造的机器愚弄了，杂志刊登了一篇标题耸人听闻的报导《有史以来最伟大的发现》（Greatest Discovery Ever Yet Made）。但稍后调査者发现，威利斯的永动机有着隐蔽的能量来源。
在1872年，约翰·厄恩斯特·沃瑞尔·凯利（Jo orrell Kelly）制造了那个时代最轰动、也最赚钱的骗局，骗得近500万美元，在19世纪晚期这是一个天文数宇。他的永动机的基础是共振调音叉，他声称它们在“乙醚”中浸泡过。凯利这个没有科学背景的人会邀请富有的投资人到他家，在那里他会用他的液压气动振颤真空发动机（ic-Pulsating-Vacuo-Engine）使他们惊喜万分，这一机器会在没有外界能量来源的情况下高速运转。急切的投资者们被这一自我驱动装置迷住了，争相把钱倒进他的保险柜。
后来，几个幻想破灭的投资者愤怒地控告他欺诈，他也的确在监狱里度过了一些日子，但他死时仍是一个有钱人。在他死后，调查者们在他的机器中发现了构思绝妙的秘密。当他的房子被拆除的时候，地下室地板和墙壁中隐藏的管子被发现，它们秘密将压缩空气送入他的机器，而这些管子是由一个飞轮提供能量的。
甚至连美国海军和总统都上了一台永动机的当。在1881年，约翰·加姆吉（John Gamgee）发明了一台液氨机器。冷氨的蒸发会制造出膨胀的气体，推动一枚活塞，这样就能够利用海洋本身的热量为机器提供能量。美国海军被从海洋中获取无尽能量这一念头给迷住了，于是批准了这一装置，甚至还将它演示给詹姆士·加菲尔德（James Garfield）总统看。问题是，蒸汽无法被彻底凝结回液体，因此整个循环无法完成。
报送给美国专利与商标局（U.S.Patent and trademark Office，OSPtO）的永动机方案很多，因此该局拒绝在没有提交操作模型的情况下为这类装置授予专利。在某些罕见的情况下，当专利审査员无法从模型上发现明显的缺陷时会授予专利。USPtO宣布：“除了涉及永动机的案例之外，我局通常不要求提交模型以演示装置的可操作性。”（这一漏洞使寡廉鲜耻的发明者们可以号称USPtO已经正式认可自己的机器，由此说服天真的投资人为他们的发明提供资金。）
然而，从科学的角度看，对永动机的追求并非一无所获。相反，尽管发明者们从来没能制造出一台永动机，但为制造这样一台传说中的机器所投入的巨大时间和精力使物理学家们谨慎地研究起热力发动机的本质（同样，炼金术士们对能将铅变成金子的贤者之石的徒劳搜寻也揭示了一些化学的基本定律）。
比如，在17世纪60年代，约翰·考克斯（John Cox）开发出了一台真正能够永远走下去的时钟，动力来自大气压力的变化。气压的变化会推动一个气压表，气压表随即会转动钟的指针，事实上，这台钟甚至时至今日仍旧存在并运转着。钟能永远运转是因为其能量以大气压力变化的形式从外界获取。
像考克斯的钟那样的永动机最终使科学家们假设这样的机器能够永远运转，只要有能量从外界送入该装置，即总体能量守恒。这个理论最终导致了热力学第一定律的诞生——物质和能量的总量无法被创造或消灭。最终，推断出了三大热力学定律。第二定律陈述，熵的总量永远是增加的（粗略地说，这一定律表明，热量只能自发地从高温向低温处流动）。第三定律陈述，绝对零度永远不可能达到。
如果我们将宇宙比作一场博弈，而博弈的目的是获取能量，那么三大定律可以被改头换面成下面这样：
“你无法以无物换有物。”（第一定律）
“你无法打破平衡。”（第二定律）
“你连退出游戏都不可能。”（第三定律）
（物理学家们小心翼翼地宣布这些定律未必永远都是绝对正确的。然而，差错从来没有被发现过。任何试图证明这些定律有误的人都必须对抗几个世纪以来的严谨科学实验。我们将简短地讨论这些定律可能存在的缺陷。）
在19世纪科学引以为荣的成就中，这些定律经历过悲剧，也经历过胜利。这些定律的缔造者之一，伟大的德国物理学家路德维希·波尔兹曼（Ludzmann）自杀身亡，部分是由于他在制定这些定律时引起的争端。
路德维希·波尔兹曼和熵
波尔兹曼是一个胸部发达、健壮如熊的矮个子男人，留着巨大的、丛林般的络腮胡。然而，他可畏的、粗野的外表掩盖了他为保卫自己理论所受的创伤。尽管牛顿定律到19世纪已经根基稳固，但波尔兹曼认为这些定律还从未被精确地应用于极富争议的原子概念，那是一个尚未被许多重要科学家接受的概念（我们有时会忘记，仅仅是一个世纪之前还有大把科学家坚持认为原子不过是个巧妙的噱头，而非真正的实体。原子们小得不可思议，他们称，它们或许压根儿不存在）。
牛顿证明，是机械力而非精神或渴求可以决定一切物体的运动，波尔兹曼随后用一个简单的假设优雅地获得了许多气体定律，这个假设是：气体由微小的原子组成，像台球们一样，遵守由牛顿制定的力的定律。对波尔兹曼而言，一间有气体的房间就像一个充满微型钢球的盒子，它们每个都按照牛顿的运动定律在墙上和其他球体上跳来跳去。在物理学最伟大的著作之一中，波尔兹曼（还有独立的詹姆士·克拉克·麦克斯韦）从数学上证明了这一简单设想将如何造成令人大为惊叹的新定律，并且开辟了一个名叫统计力学（Statistical Meics）的物理学新分支。
突然间，从第一原理中可以获取许多物质的性质了。由于牛顿定律规定能量在应用于原子时必须守恒，原子间的每一次撞击都保存了能量，这意味着整间屋子数万亿个原子同样保存了能量。能量的守恒如今不仅可以通过实验确定，还通过第一原理进行证明了，那就是原子的牛顿机械运动。
但在19世纪，原子的存在仍是议论的热点，并且被许多著名科学家，如哲学加家恩斯特·马赫（Emst Mach）所嘲笑。波尔兹曼是一个敏感又常常情绪低落的人，他不安地发现自己成了避雷针，成了常常被反原子者恶毒攻击的焦点。对于反原子者来说，任何无法测量的事物都不存在，包括原子。让波尔兹曼更觉耻辱的是，他的许多论文被德国的一本重要物理学期刊编辑拒绝刊登，因为编辑坚持认为原子和分子是绝对的便利理论工具，而不是真正存在于自然界的物体。
个人攻击让波尔兹曼感到疲惫不堪、苦恼愁苦，遂于1906年自缢，当时他的妻子和孩子去了海滩。令人难过的是，他没有意识到仅仅在一年之前，一位自视甚高、名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻物理学家已经完成了不可能的任务，他写了第一篇证明原子存在的论文。
总熵永远是增加的
波尔兹曼的研究以及其他物理学家的工作促进澄清了永动机的本质，将永动机分为两类。第一种类型的永动机违反热力学第一定律，即它们产生的能量事实上比消耗的能量多。每一次，科学家们都发现这一类的永动机依赖隐藏的外部能量来源，无论是通过欺诈，还是由于发明者并未意识到外界能量来源。
第二种类型的永动机更为精细。它们遵守热力学第二定律。理论上一台第二种类型的永动机不产生多余的热量，因此它是100%有效的。然而，第二定律表明，这样一台机器是不可能存在的——多余的热量必定会产生，而且因此，宇宙中的无序和杂乱，或者说熵（温度除热能所得的商），永远都在增加。无论一台机器的效率有多高，它永远都会排出一些多余热量，从而提高宇宙的熵。
总熵永远增加，这一事实是人类历史的核心所在，同样也是大自然的核心所在。根据第二定律，毁灭远远比建造容易。某些事物，如墨西哥的阿兹特克帝国（Aztec Empire），或许要花费数千年来建立，却能在至多数月之间毁于一且。一队由乌合之众组成的、装备着马匹和枪支的西班牙征服者们完全摧毁了这个帝国。
每当你照镜子时看到一丝新的皱纹或者一根新的白发，你就是在观察第二定律的效应。生物学家告诉我们，衰老过程是细胞与基因中遗传误差的逐渐累积，因此细胞的功能慢慢退化。衰老、生锈、崩裂以及坍塌，也都是第二定律的示例。
天文学家亚瑟·爱丁顿（Arton）曾经这样评论第二定律意义深远的性质：“我认为，熵永远增加的定律在自然界的法则中具有至高无上的地位……如果你的理论被发现违背热力学第二定律，我就不能让你抱有希望了；它只会在深深的耻辱之中崩溃。”
哪怕在今天，雄心勃勃的工程师们（以及聪明的江湖骗子）仍旧不断宣布发明了永动机。最近，《华尔街日报》要求我对一位发明者作出评论，事实上他已经说服投资者为他的机器投入了数百万美元。激动人心的文章被发表在主流财经报纸上，由不具备科学背景的记者写就，滔滔不绝地述说这一发明改变世界的可能性（并且在这一过程中产生梦幻般的盈利）。“天才还是狂人？”标题高呼道。
投资者们为这个装置烧了大把的钱，而它违背了在高中时传授的基本物理和化学原理（令我震惊的并非是有人试图欺骗缺乏警惕的投资人——这自打时间初始以来就存在了。令人吃惊的是这个发明者如此轻易便欺骗了富有的投资者们，只因为他们缺乏对基本物理学知识的了解）。我向《华盛顿日报》重复了谚语“蠢人有钱留不住”和P.t.巴纳姆的名言（P.t.Barnum）“每分钟都有傻子诞生”。《金融时报》（Financial times）、《经济学人》（Eist）和《华尔街日报》都曾为形形色色兜售自己永动机的发明者们刊登大篇幅专题文章，或许这并不叫人奇怪。
三大定律与对称性
但这一切提出了一个更深层次的问题：为什么热力学的铁则会保有至高的地位？这是一个自三大定律首次被提出以来就一直困扰科学家们的谜团。如果我们能够回答这个问题，那么或许我们能在三大定律里发现漏洞，而其中的含义极度令人震惊。
在读研究生时的某一天，我在终于得知能量守恒定律真正的开端后顿时失语。物理学的基本原则之一（由数学家艾米·诺特［Emmy her］在1918年发现）是，无论何时，当一个系统处理对称性问题时都得出能量守恒定律。如果宇宙的规则在经过漫长的时间后仍旧保持不变，那么令人惊讶的结果就是这个系统能实现能量守恒。（此外，如果向任意方向移动，物理规则都保持相同，那么动量同样在任何一个方向上都守恒。如果物理定律在旋转中保持不变，那么动量也是守恒的。）
对我而言，这很令人吃惊。我意识到，当我们分析来自数十亿光年之外、位于宇宙边缘的遥远星系的星光时，我们会发现它们的光谱与我们在地球上发现的光谱完全一致。在地球和太阳诞生前数十亿年前放射出的光的遗迹中，我们见到了明明白白与如今在地球上发现的氢原子、氦原子、碳原子、氖原子等等的光谱相同的“指纹”。换言之，物理学的基本定律在数十亿年中都没有改变，并且直至宇宙的边缘都保持稳定。
至少，我意识到诺特的定理意味着，能量的守恒可能会持续数十亿年，要不就是永远。据我们所知，没有一条物理学基本定律随着时间改变，这就是能量之所以守恒的原因。
诺特的定理对现代物理学的意义是深远的。毎当物理学家创造出一种新的理论，无论它是陈述宇宙的开端、夸克与其他亚原子粒子的相互作用，还是反物质，都要首先从该系统遵循的对称性入手。事实上，对称性如今被认定是创造新理论的指导性原则。在过去，对称性被认为是一个理论的副产品——一个有吸引力但根本无用的理论特征，漂亮，但无关紧要。今天，我们认识到对称性是定义任何理论的关键性特征。在创造新理论时，我们物理学家首先从对称性入手，随后围绕着它建立理论。
（令人遗憾的是，艾米·诺特就像她的前辈波尔兹曼一样，不得不为了取得认同而竭尽全力地斗争。作为一位女数学家，她由于自己的性别而无法在主要学术机构获得长期职位。诺特的良师益友、大数学家大卫·希尔伯特［David ］因为没能给诺特取得职位而为她不平，他愤怒地说：“我们这儿是什么地方？大学还是浴池？”）
这提出了一个令人不安的问题。如果能量之所以守恒是因为物理学定律不随时间而改变，那么这一对称性可能在罕见、异常的情况下被打破吗？在宇宙范围内，如果我们定律的对称性在古怪、出乎意料的地方被打破的话，能量守恒仍旧有可能遭到违反。
如果物理学定律随着时间的推移而变动，或者随着距离的改变而改变，这就有可能会发生（在阿西莫夫的小说《众神自身》中，这一对称性由于太空中有一个将我们的宇宙和一个平行宇宙连接起来的洞而被打破了。在太空中，洞的周围区域的物理定律发生了变化，由此使得热力学定律瓦解。因此，能量守恒可以在太空中有洞——也就是虫洞的情况下被违反）。
另一个目前有激烈争议的漏洞是能量能否来自于虚无。
来自真空的能量
有一个诱人的问题：从虚无之中可以获取能量吗？物理学家们是在最近才认识到，真空的“虚无”根本不是空的，而是充斥着各种活动。
这一想法的支持者之一是20世纪的怪才尼古拉·特斯拉（Nikola tesla），托马斯·爱迪生（t energy），即真空可能拥有无法计数的能量。如果这是真的，那么真空就是终极的“免费午餐”，能够确确实实地以稀薄的空气供给无限的能量。真空并不像被人们认为的那样空无一物、不具有任何物质，而是最大的能量货栈。
特斯拉出生于一个今属塞尔维亚（Serbia）的小镇，他在1884年身无分文地来到美国。他很快就成为托马斯·爱迪生的助手，但由于才华横溢，他变成了爱迪生的竞争对手。在一场著名的、被历史学家誉为“电流之战”的竞赛中，特斯拉与爱迪生进行了较量。爱迪生认为他能够使用他的直流电（DC）机使全世界电气化，而特斯拉则是交流电（AC）的发明者，并且成功地证明了他的方法远比爱迪生的优越，在传送距离内造成的功率损耗要小得多。如今，整个地球的电气化都是在特斯拉的专利、而不是爱迪生的专利基础上进行的。
特斯拉的发明与专利数目超过700项，而且包括一些现代电气史上最重要的里程碑。历史学家已经证实特斯拉发明无线电早于古利埃尔莫·马可尼（Gugllelmo Mari）（他被公认为无线电的发明者），在威尔姆·伦琴正式发现X射线之前，他已经在研究X射线（马可尼和伦琴后来都因为可能是由特斯拉数年前作出的发现而获得了诺贝尔奖）。
特斯拉还相信他能够从真空中获取无限的能量，这是一个他不幸未能在自己的笔记中证明的断言。乍一看，“零点能”（或者说一个真空中蕴含的能量）似乎违反了热力学第一定律。尽管零点能违背了牛顿力学，但是零点能的概念最近从一个出人意料的方向再次出现了。
当科学家们分析来自目前围绕地球轨道运行的人造卫星——比如MAP人造卫星的数据时，他们得出了令人吃惊的结论——宇宙有整整73%是由“暗能量”组成的，那是一种纯净真空中的能量。这意味着，在整个宇宙中，分离各个星系的真空就是最大的能量蓄水池（这种暗能量极为巨大，它将星系推离彼此，而且最终可能在一场大冻结中把宇宙撕裂）。
暗能量遍布宇宙，甚至存在于你的起居室和身体内。外层空间中暗能量的总量真是天文数字，超出了所有星体和星系的能量总和。我们同样可以计算地球上暗能量的总量，那相当之少，少得不足以为一台永动机提供动力。特斯拉在暗能量的问题上说对了，但是在地球的暗能量总量上犯了错。
可是，他真的错了吗？
现代物理学中最令人尴尬的空白之一是，没有人能够计算出我们通过人造卫星可测得的暗能量总量。如果使用原子物理学计算宇宙中暗能量的总值，我们会得出一个误差达10的120次方倍的数字！那是在1之后加上120个0！这是目前为止在一切物理学说中理论与实验最严重的不匹配。
关键在于，没有人知道如何计算“虚无中的能量”。这是物理学中最重要的问题之一（因为它将最终决定宇宙的命运），但是在目前，我们对于如何计算它感到束手无策。没有理论能够解释暗能量，尽管有关其存在的实验证据正摆在我们面前。
因此，真空的确具有能量，正如特斯拉所认为的那样。但是能量的总量可能太小，无法作为可使用的能量来源加以利用。在星系之间有数量巨大的暗能量，但是在地球上能找到的量却很小。而令人尴尬的是，没有人知道如何计算这种能量，或者它来自何处。
我的观点是，能量守恒是由于深层次的、宇宙学上的原因造成的。任何对这些定律的违背都必定意味着我们对于宇宙进化的认知会发生重大改变。暗能量之谜迫使物理学家们迎难而上，正视这个问题。
由于制造一台真正的永动机或许需要我们在宇宙学的范畴内重新对物理学的基本定律进行评估，因此我将永动机归类为“三等不可思议”，即：它们要么真的是不可能，要么我们就必须在宇宙学的范畴内从根本上改变我们对于基本物理学的理解，以使制造这样一台机器成为可能。暗能量仍然是现代物理学中未完成的伟大篇章之一。
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