Un mouvement perpétuel est un mouvement qui a lieu indéfiniment sans qu’on ait besoin de lui apporter la moindre énergie. Ce type de mouvement est impossible en pratique, car il violerait l’un des deux grands principes de la thermodynamique, généralement à cause des forces de frottement qui dissipent son énergie cinétique.

Cependant, avant que ne soit connue l’impossibilité de les réaliser, de nombreux chercheurs (dont Léonard de Vinci, Jean Bernoulli et Blaise Pascal) ont tenté de construire des machines à mouvement perpétuel, qui suivaient souvent le principe de la roue. Déjà au Moyen-Âge, on avait inventé la « roue magique », une roue utilisant la force magnétique pour tourner très longtemps et que les populations prenaient pour une manifestation de sorcellerie.

Le pendule de Newton est un assemblage de billes suspendues.

À première vue, on pourrait penser que c’est un mouvement perpétuel car l’énergie de la toute première chute est transmise et réutilisée (pour faire monter l’autre bille) sans arrêt. Cependant, il ne faut pas oublier les forces de frottement ! Celles-ci agissent lors des mouvements de balancier, à la fois au niveau de la bille (l’air la freine) et de ses attaches (elles frottent sur leur support), ce qui fait que la bille qui se balance perd un peu de l’énergie qu’elle a reçu et « monte » donc moins haut que lors du balancier précédent. Finalement, les billes montent de moins en moins haut et le mouvement finit par s’interrompre, lorsque l’énergie est totalement dissipée.

La roue magique (aussi appelée « roue magnétique ») est une machine inventée en Bavière au Moyen-Âge. Elle prend la forme d’une roue maintenue en hauteur (comme sur un vélo renversé) et placée au-dessus d’un aimant « principal » qui lui présente, par exemple, son pôle nord. Sur la circonférence de la roue, on a placé d’autres aimants de sorte que, lorsqu’elle tourne :

Par conséquent, les aimants du côté descendant de la roue sont attirés par l’aimant principal (deux pôles magnétiques opposés, nord/sud, s’attirent) et ceux du côté ascendant sont repoussés (deux pôles magnétiques identiques, nord/nord ou sud/sud se repoussent). Ces deux forces s’ajoutent et entretiennent ensemble un mouvement de rotation de la roue.

Si la roue magique, encore une fois, n’est pas une machine à mouvement perpétuel en pratique, cela est dû aux frottements entre la roue en mouvement et son support et l’air. On pourrait se dire que mettre des aimants plus puissants permettrait de surpasser la force de frottement : erreur ! Cette force, en effet, dépend notamment de la vitesse du mouvement et devient plus intense à mesure que l’on augmente la puissance des aimants (donc la vitesse de la roue). Finalement, après avoir été « démarrée » (avec un apport d’énergie extérieur), la roue perd peu à peu son énergie cinétique par frottements et, comme la force entre les aimants en mouvement et l’aimant principal a globalement toujours la même puissance, cette perte d’énergie n’est pas totalement compensée (elle est seulement limitée). La roue magique tourne donc bien plus longtemps qu’une roue « normale », mais finit quand même par s’arrêter.

Qu’est-ce qui explique l’intérêt accordé depuis si longtemps par de nombreux savants au mouvement perpétuel ?

D’abord, l’idée d’un mouvement qui durerait toujours peut paraître très séduisante en elle-même, puisque c’est quelque chose que l’on n’a jamais vu sur Terre. De plus, on a très longtemps cru que le mouvement des planètes autour du Soleil était un mouvement perpétuel1 : reproduire ce type de mouvement revenait à se rapprocher de ce qui était vu comme la « perfection » de l’Univers. Cette recherche du mouvement perpétuel peut donc être vécue comme une sorte de quête du Graal qui apporterait à son découvreur une immense satisfaction intellectuelle et une célébrité… perpétuelle !

Ensuite, on a souvent recherché à construire une machine mettant en œuvre le mouvement perpétuel en pensant pouvoir en faire un moteur qui pourrait fonctionner en permanence et sans nécessiter un apport extérieur d’énergie (électricité, essence, chaleur…). Par exemple, si la roue magique était une « vraie » machine à mouvement perpétuel, on pourrait en faire une source d’énergie en l’utilisant comme une dynamo.

Ce rêve du moteur perpétuel se heurte non seulement à l’impossibilité pratique du mouvement perpétuel (tous les mouvements ou liaisons mécaniques, sur Terre, impliquent des frottements ou une dépense d’énergie pour créer le vide nécessaire à la disparition de ces frottements), mais par surcroît au fait que tirer de l’énergie d’un mouvement perpétuel signifie en prendre (donc en faire perdre) au mouvement pour l’utiliser ailleurs, ce qui implique que le mouvement n’est plus perpétuel : puisqu’il perd de l’énergie, il finit par s’arrêter…

Une énergie illimitée, gratuite et propre issue du mouvement perpétuel est donc doublement impossible ; ce qui n’empêche pas de nombreux écrivains de la mettre en scène, principalement dans des œuvres de science-fiction, comme Amélie Nothomb dans Péplum ou René Barjavel dans La Nuit des temps2.

Essayons néanmoins d’imaginer à quoi pourrait ressembler le mouvement perpétuel, s’il existait, en corrigeant en pensée tout ce qui l’empêche de fonctionner : en supprimant un à un tous les problèmes, nous comprendrons la raison fondamentale qui interdit le mouvement perpétuel sous toutes ses formes.

Nous avons vu, avec les exemples communs de mouvement perpétuel, que ce qui les empêchait de fonctionner était notamment la présence de frottements fluides (frottements de l’air ou de l’eau) et solides (frottements sur le support). Pour empêcher les frottements fluides, il suffit de se placer dans le vide, par exemple dans l’espace intergalactique où l’on trouve d’immenses « poches » de vide. Pour empêcher les frottements solides, il n’y a pas d’autre moyen que d’inventer une liaison parfaite… Imaginons donc qu’elle existe ou que notre machine à mouvement perpétuel n’ait pas besoin de support ni d’attaches, comme les planètes (qui tournent autour du Soleil non pas parce qu’elles y seraient accrochées par un genre de câble, mais parce qu’il les attire par gravitation).

Si notre machine a un mouvement de rotation comme les planètes, elle est soumise aux forces d'inertie qui apparaissent dès qu’un mouvement n’est pas rectiligne uniforme : notamment, la force centrifuge. Cette force s’applique en chaque point de l’objet en mouvement. Par conséquent, à moins que la machine à mouvement perpétuel ne soit symétrique et en rotation autour de son propre centre de gravité3 (comme un disque tournant sur lui-même), les forces d’inertie :

Il faut donc que notre mouvement perpétuel soit de tourner sur soi-même (mais pas autour de quelque chose d’autre, comme le font les planètes) ou de se déplacer en ligne droite et à vitesse constante (pour respecter le principe d'inertie), en se trouvant dans une poche de vide de l’espace : ainsi, on évite tous les frottements et les forces d’inertie.

Cependant, l’Univers n’est pas vide et, aussi loin de tout que se trouve notre machine à mouvement perpétuel, elle sera toujours soumise à la force de gravité des objets environnants (étoiles, nuages de gaz, etc.), même s’ils sont très éloignés : la gravitation a une portée illimitée. Le mouvement que l’on veut perpétuel sera donc soumis à cette force de gravité. Pour ne pas perdre d’énergie ou rencontrer d’obstacle à cause d’elle, il y a deux solutions :

Malheureusement, aucune de ces situations n’est acceptable pour le mouvement perpétuel : la solution 1 implique que ce qui exécute le mouvement perpétuel est une particule élémentaire comme le photon ou le neutrino, dépourvue de masse. Cependant, ces particules ne sont jamais à l’arrêt et, au cours de leur voyage, elles finissent toujours par rencontrer un obstacle ou un champ électromagnétique qui les capte : leur mouvement doit s’arrêter un jour. La solution 2 est une « fausse » solution car, même si un tel endroit d’« apesanteur totale » existait, la position des masses se modifiant dans le temps (les objets célestes se déplacent les uns par rapport aux autres), il serait impossible de rester dans un tel endroit sans dépense d’énergie (il faudrait se déplacer pour atteindre un nouveau lieu d’apesanteur, ce qui consommerait de l’énergie).

Le mouvement perpétuel nous apparaît donc vraiment impossible à réaliser dans le monde réel, car il se trouve toujours une raison pour empêcher qu’il se déroule infiniment !

La thermodynamique est la branche de la physique qui étudie les transferts d’énergie (et, notamment, de chaleur et de travail) et le fonctionnement des « machines thermiques » (moteurs de véhicule, refroidisseurs de réfrigérateurs, pompes à chaleur, etc.) qui reposent sur ces transferts.

Ce sont ces deux principes, mathématiquement prouvés, qui :

Un mouvement peut être perpétuel s’il « revient » toujours au même état, de façon cyclique. Pour comparer, le cycle de l'eau est un mouvement cyclique car l’eau revient globalement toujours aux mêmes « états » : d’abord dans les océans, ensuite sous forme de nuages, puis sur et dans le sol, puis dans les fleuves et à nouveau dans les océans. En thermodynamique, l’état d’un système (par exemple, le système qui effectue notre mouvement perpétuel) est principalement déterminé par deux variables : son énergie et son entropie ; si celles-ci reviennent toujours à leur « point de départ », on peut alors parler de cycle « parfait » (toujours exactement identique au mouvement précédent) et donc perpétuel.

Pour respecter le premier principe de la thermodynamique, il faut que l’énergie que l’on apporte en lançant le mouvement soit toujours conservée par le système en mouvement. En effet, l’énergie du système diminue lorsqu’on en enlève et il est impossible d’en recréer à partir de rien !

Plaçons-nous dans un cas idéal : imaginons une boîte qui ne laisserait passer ni matière, ni énergie entre son intérieur et l’extérieur. Pour qualifier l’intérieur d’une telle boîte, on parle de système isolé (un concept qui n’existe pas dans la réalité4). Une transformation ayant lieu dans un tel système (intérieur de la boîte) respecterait donc le premier principe de la thermodynamique en gardant toujours la même énergie, puisque celle-ci ne peut pas « sortir ».

De plus, d’après le deuxième principe de la thermodynamique, l’entropie d’un système peut évoluer lorsque ce système subit une transformation (par exemple, un mouvement) :

Nous voulons un mouvement perpétuel, donc une entropie toujours constante (pour avoir un « cycle »). Cela n’est possible que si la transformation subie par le système est réversible, c’est-à-dire s’il est possible qu’elle se reproduise « à l’envers ». Une transformation réversible est définie comme le passage infiniment lent d’un état à un autre, comme si le système qui la subit n’était jamais « déséquilibré ». Cela exclut notamment tous les transferts de chaleur. L’entropie créée par une telle transformation serait nulle et l’entropie totale du système resterait donc constante. Cependant, comme le système isolé, la transformation réversible n’existe pas en réalité : ce n’est qu’un cas idéal, utilisé pour simplifier les calculs.

On voit donc qu’un mouvement perpétuel respectueux des deux principes de la thermodynamique pourrait exister si :

Sauf que ni les systèmes isolés ni les transformations réversibles n’existent en réalité, donc le mouvement perpétuel non plus.

Il est impossible, comme l’a dit Lavoisier (« Rien ne se perd, rien ne se crée ») et d’après le premier principe de la thermodynamique, de créer de l’énergie : l’énergie gagnée ne peut être qu’être « prise » ailleurs.

Utiliser une machine à mouvement perpétuel comme moteur signifierait en retirer une certaine énergie que l’on utiliserait pour autre chose. Or nous avons vu, dans la section précédente, qu’une condition indispensable au mouvement perpétuel est qu’il s’effectue sans perte d’énergie. En effet, si l’on utilisait de l’énergie tirée d’un mouvement perpétuel, celui-ci ne pourrait plus l’utiliser et il en serait alors modifié ; le seul moyen de compenser ce problème est une création subite d’énergie dans le mouvement, ce qui est impossible.

Par conséquent, en supposant que le mouvement perpétuel existe, l’utiliser comme moteur reviendrait à l’« user » et il s’interromprait rapidement, à cours d’énergie, puisque celle-ci aurait été dépensée pour des transformations (mouvements, réactions, etc.) extérieures à ce mouvement perpétuel.