都知道不存在永动机，那么分子为什么可以一直做无规则运动？

露水珠珠

永动机，或许是一个永远不会过去的话题。
科学早已告诉我们，永动机并不存在，但很多人都有这样的疑问：既然永动机不存在，那么为何宇宙万物都在不停地运动呢？为什么分子可以一直做无规则运动呢？



首先，我们要明白永动机的定义。永动机，并不是字面意思，并不是“永远不停转动的机器”，而是“不需要外部能量输入或者只需要初始能量就可以不断做功的机器”（第一类永动机）。

永动机的关键不在于“涌动”，而在于“做功”。
通常情况下，永动机可以分为两种。



先看第一类永动机，不需要外部能量输入就可以永远对外做功。它违反了能量守恒定律。能量不会凭空产生，当然也不会凭空消失，只能是能量形式的转换，或者物体时间的转换，比如说热能转换成动能，或者你用热水袋取暖，热能就从热水袋传递给你。




整个过程，总能量是不变的。

还有第二类永动机，从单一热源吸热，同时不间断地做功的永动机被称为“第二类永动机”。这种永动机并没有违反能量守恒定律，但未然了热力学第二定律。机械能可以转换成内能，但内能不可能全部转换成机械能而不引起其他变化。



说了这么多永动机的事情，现在回过头来解释一下为什么分子可以一直做无规则运动。

分子的无规则运动，也叫“布朗运动”，是1826年英国植物学家布朗发现的。



之所以分子会一直做无规则运动，主要是因为分子都具有能量，单个分子运动规律遵循力学规律，多个分子运动规律遵循统计规律，是没有规则的。

比仅仅是分子，宇宙万物都有能量，只是大小不同而已，而且微观世界的粒子携带的能量很难被我们发现。理论上只有绝对零度的环境中才不存在能量。但绝对零度仅仅是理论上的温度最低值，不可能达到，就像我们永远达不到光速一样。
所以，分子等微观粒子的无规则运动，与永动机没有任何关系，两个完全不是同等概念。
不仅仅是分子，在更小的微观领域，原子，原子核，电子等微观粒子都在不停地运动中，它们都带有能量。
同时，量子微观世界的不确定性也注定了任何微观粒子都必须不停地运动，它们的位置和速度都是不确定的，但位置和速度不确定性乘积必须大于等于一个常数。



也就是说，微观粒子的速度不能确定下来（不能为零），必须一定运动。

最后有必要补充一点，能量守恒定律表明，能量不会凭空产生，也不会凭空消失。其实这里有一个“例外”：那就是真空中的虚粒子对可以“凭空”衍生出来，看起来好像违背了能量守恒定律。
其实不然。虚粒子对在真空中凭空出现，时间非常短，瞬间就会消失，把能量“还给”真空，整体能量依旧保持守恒。
这在量子世界是被允许的，只要时间足够短，就可以发生。这也表明了时间和能量的不确定性，两者的乘积同样必须大于一个常数（如上图）。