《雪国列车》

曲婷婷

About the Film

当温室效应愈演愈烈，地球快要“发烧”的时候，应该怎么办呢？在近期上映的科幻电影《雪国列车》中，人类社会选择了使用冷冻剂来解决这个问题。名为CW-7的冷冻剂极其有效，甚至让地球的气温降低到了零下六七十摄氏度。出人意料的极寒天气突然来临，大多数人都死于寒冷和恐慌之中，只有极少数的人进入了一个避难所——一列永远不会停下来的火车。它设施配备完善，甚至构建了自己的生态系统。等地球环境重新变得温暖，列车才会停下，让幸存的人们重新生活。17年过去了，列车仍然在运行着，然而列车里的人却被分成了三六九等，被压迫者与上等人之间产生了激烈的冲突……在这部电影中，最让笔者觉得不可思议的，就是那列永不停歇的火车，它怎么能一直运行呢？这是一个建立在永动机基础上的科幻故事。

Real Story

违反定律的永动机

永动机，是指违反了热力学基本定律的、不能实现的发动机。在现实世界里，不管做什么都要靠外界能源来提供能量，人耕田需要消耗人力和畜力；汽车行驶需要燃烧汽油或柴油；电动车需要消耗电能……但是能源都是有限的，所以，从古至今，人们都一直希望能制造出一种可以永不停息地输出能量的装置。在没有外界能源供给的情况下，它就能源源不断地得到有用的功，即不断产生能量。这种永动机违反了热力学第一定律，被称为“第一类永动机”。

人们还设想了另外一种永动机：能从自然界中的海水或空气中不断吸收能量，使之连续不断地转变为机械能，同时不产生其他的影响。这样的装置违反了热力学第二定律，故被称为“ 第二类永动机”。

History

永动机的神话

在历史上，第一类永动机曾名噪一时，很多当时杰出的科学家提出了自己的设想。

亨内考永动机 法国人亨内考在13世纪设计了“魔轮”。如图1所示，“魔轮”中央有个转动轴，轴的边缘等距安装了12根活动短杆，每根短杆一端装有一个铁球。亨内考认为，右边的球比左边的球离轴远些，因此其产生的转动力矩要比左边球的大，力矩的不平衡可以驱动“魔轮”一直转动下去。这个设计被很多人复制出来，但所有人都失败了。

达·芬奇在15世纪提出了类似设计（图2），利用隔板的形状，使右边的重球滚到比左边的重球离轮心更远些的地方。两边重球力矩不均衡，就会使轮子转动不息。他也失败了。在以上两个设计中，虽然右边的球施加给轮子的旋转力矩

较大，但球的个数在减少。会有一个适当的位置，左右两侧的球施加于轮子的相反方向的力矩恰好相等、相互抵消，使轮子平衡静止下来。

流水落差永动机 16世纪，一位机械设计师斯特尔提出的设计方案如图3所示。上面水槽流出的水冲击水轮转动，带动水磨，同时通过一组齿轮带动螺旋汲水器，把蓄水池里的水重新带到上面水槽中，这样就能不停运转。但实际上，水槽中水的势能主要转化成两部分，一部分带动水磨转动，另一部分转化为螺旋汲水器的功，而这部分功又转化为水的势能。所以，根据能量转化和守恒定律，流回水槽的水会越来越少。当水槽中的水全部流进蓄水池里时，该装置就停止了转动。因此，这种永动机也不可能实现。

浮力永动机 如图4，一串木球绕在两个轮子上，部分木球放在盛有水的容器中。设计者认为，左右两边木球数相等，链条本该平衡，但部分木球受到水的浮力，就会向上运动，从而带动整串木球运动起来。但是这个永动机仍然是失败的，因为当下面的木球穿过容器底时，它要承受水的压力，这个力会抵消上面几个木球受到的浮力，自然无法运转了。

Future Science

新 的 梦 想

主流科学界已达成了共识：永动机不可能制成，也不赞成人们把时间和精力花在它上面。有的科学家把目光放在了新能源上，如可控核聚变，如能实现，完全可以像电影中那样让列车运行十几年。

另外，真空是有能量的，只不过其能量十分微弱。巴西的物理学家研究发现，就像物质会在引力的作用下聚集成团形成星球一样，在特殊情况下，宇宙中的真空能也会在引力的作用下聚集起来，甚至会产生额外的引力作用。把这些真空能收集起来作为能源使用，简直就相当于一种宇宙永动机。当然，这仍然是一个遥远的梦想。