El 'dimoni de Maxwell' aprèn un nou truc: extreure energia de la informació oculta

En 1867, el físic escocès James Clerk Maxwell va imaginar a un entremaliat diablillo encarregat de vigilar una petita porta entre dues habitacions. En ambdues hi havia aire a la mateixa temperatura, amb milions de molècules #moure a velocitats diferents. Però el guardià té una habilitat extraordinària: ... distingeix les molècules ràpides de les lentes. De manera que, quan veia venir una molècula ràpida (calenta), li obria la porta perquè passés a una de les caixes. Si venia una lenta (freda), l'enviava a l'altra.Amb el temps, i molta paciència, el dimoni aconseguia que una caixa estigués bullint i l'altra gelada. Havia creat un gran desequilibri tèrmic, capaç d'encendre un motor, i l'havia fet sense gastar absolutament gens d'energia. Alguna cosa que, sobre el paper, violava estrepitosament la sacrosanta Segona Llei de la Termodinàmica, segons la qual l'entropia d'un sistema aïllat no pot disminuir espontàniament.Des de llavors, la criatura imaginada pel físic es coneix com el 'dimoni de Maxwell'. I durant més d'un segle, la seva 'gesta' va mantenir ocupats a científics del món sencer. Podia aquell ser diminut burlar realment una llei que semblava inviolable?Avui sabem que no, que aquesta paradoxa tenia parany, perquè la informació, en si mateixa, és un recurs físic. És a dir, el dimoni no usava 'músculs' per a alterar l'univers, sinó dades, però el mer acte de mesurar i esborrar aquesta informació també consumi energia.Motors de informaciónEsta profunda revelació ha inspirat en les últimes dècades la creació dels anomenats 'motors d'informació': màquines microscòpiques que no s'alimenten de les diferències de temperatura com el motor del nostre cotxe, sinó d'informació pura.Però els científics es van topar amb un problema formidable. Què ocorre quan el nostre petit dimoni es torna `miop' i part de la informació roman amagada a l'entorn d'una partícula i s'oculta de la seva vista?La informació no és sol coneixement: en determinades condicions, també és un recurs físic capaç de #transformar en trabajoAhora, un estudi teòric i experimental, publicat en 'Nature Physics', ha demostrat que el dimoni de Maxwell pot aprendre a usar fins i tot aquesta informació que no pot veure. I no sols això, sinó que també pot aprofitar-la per a extreure encara més treball mecánico.la informació com combustibleLa idea té una història llarga. En 1929, el físic Leó Szilárd va imaginar una màquina tèrmica capaç d'extreure treball a partir de la informació sobre una única molècula. Més tard, en 1961, Rolf Landauer va establir que esborrar informació emmagatzemada en un sistema físic té un cost energètic inevitable.Aquest principi, conegut com a límit de Landauer, ajuda a resoldre la paradoxa de Maxwell: per a completar un cicle de funcionament, el dimoni ha de gestionar la seva memòria i esborrar les dades que ja no necessita. Aquest procés genera calor i té conseqüències entròpiques.

La segona llei, per tant, roman intacta.Els investigadors van atrapar una partícula de sílice de 2,7 micres en un líquid la xarxa de micel·les del qual conserva durant uns segons la memòria dels seus moviments.«Avui atribuïm a la informació un valor termodinàmic, la qual cosa resol aquesta aparent paradoxa», explica Sarah Loos, investigadora de l'Institut Max Planck i coautora de l'estudi. L'autor principal, Clemens Bechinger, de la Universitat de Constança, diu per la seva part que «la informació pot #considerar un recurs físic que es transforma en treball».Un bri atrapat en un líquid amb memoriaEl nou estudi planteja una dificultat que els experiments anteriors no sempre tenien en compte. En els models més senzills, l'entorn d'una partícula a penes conserva 'records' del que ha succeït abans. Però molts entorns reals són més complexos: la seva estructura interna respon als moviments de la partícula i triga un temps a recuperar el seu estat original. Com un matalàs que torna a la seva forma original després que ens aixequem.Per a estudiar aquest fenomen, els científics van atrapar una partícula de sílice de tot just 2,7 micres de diàmetre mitjançant unes pinces òptiques, un dispositiu que utilitza un làser molt enfocat per a mantenir un objecte microscòpic baix control.Dos mesuraments separats per un interval adequat permeten recuperar indirectament informació que no pot #observar de forma directaLa partícula es trobava suspesa en una solució de substàncies que formanan una xarxa dinàmica de micel·les, estructures diminutes que s'entrellacen com els espaguetis en un plat. Quan la partícula es mou, deforma aquesta xarxa. I la xarxa, en intentar recuperar la seva forma, exerceix forces sobre ella que condicionen els seus moviments posteriors.Aquí apareix la peça decisiva. Encara que els investigadors poden seguir la posició de la partícula amb una precisió d'uns cinc nanòmetres, no poden observar directament cada moviment de la xarxa que l'envolta. El líquid conserva part de la història de les seves interaccions amb la partícula, però aquesta informació no està disponible en una fotografia aislada.es com observar una pilota que es mou sobre un llit elàstic sense poder veure com es deforma la tela sota ella. Conèixer la seva posició és útil, però saber com ha quedat deformada la superfície permet anticipar millor què ocorrerà després.Dos mesuraments per a descobrir el invisibleLa solució va ser realitzar dos mesuraments de la posició de la partícula, separades per un interval de temps acuradament triat.«Mesurem la partícula dues vegades -explica Bechinger- amb un retard temporal definit entre tots dos mesuraments». La segona observació, comparada amb la primera, permet deduir indirectament part de la informació que el líquid guarda sobre els moviments anteriores.no és que els científics veiessin de sobte cada micel·la. El que van fer va ser aprofitar les correlacions entre el passat i el present del moviment.

Si la partícula s'ha desplaçat, la resposta del mitjà permet extreure pistes sobre l'estat intern de la xarxa, fins i tot quan aquest roman ocult a l'observació directa.L'experiment no viola la segona llei de la termodinàmica ni genera energia de la nadaEl interval entre els dos mesuraments és fonamental. En la solució utilitzada, la xarxa microscòpica va presentar un temps característic de relaxació d'aproximadament sis segons. Si s'esperava massa, part de la memòria del mitjà es perdia; però si es mesurava en el moment adequat, el 'dimoni' podia treure partit d'ella.«D'aquesta manera -assenyala Loos- vam poder accedir a dinàmiques de l'entorn que, d'una altra manera, haurien romàs ocultes i augmentar, en última instància, la quantitat de treball aprofitable». És una prova experimental que la memòria de l'entorn pot actuar com un recurs termodinàmic.Una nova era per a les màquines microscópicasLa possibilitat d'extreure treball d'aquesta memòria ambiental resulta especialment interessant a escales diminutes, on mantenir diferències de temperatura estables és complicat i els efectes de l'entorn adquireixen una importància enorme.Les aplicacions encara queden lluny. És a dir, no estem davant una màquina capaç de produir energia del no-res, ni davant un dispositiu llest per a alimentar aparells electrònics. Peron l'experiment demostra un principi físic i una manera d'aprofitar millor la informació disponible en sistemes microscòpics.Les implicacions d'aquestes troballes aconsegueixen els futurs motors de grandària micro i nanométrico, i potser a sistemes que operin en fluids complexos, inclosos alguns entorns biològics. I és que, en lloc de dependre exclusivament d'una font de calor o d'una diferència de temperatura, aquestes màquines podrien utilitzar les fluctuacions i la memòria del seu entorn per a fer treball.Sembla, doncs, que després de tot el vell dimoni de Maxwell no ha trobat una porta posterior per a escapar de les lleis de la física. Però si que ha descobert una cosa més subtil: que, fins i tot quan no podem observar tot el que ocorre al nostre voltant, el passat deixa petjades. I que aprendre a llegir-les pot ajudar-nos a obtenir energia útil d'un món que, a escala microscòpica, està lluny de ser tan simple com sembla.