В мысленном эксперименте Максвелл предположил, что некое крошечное разумное существо служит привратником перед дверцей между двумя камерами, заполненными газом. Этот демон пропускает быстрые частицы в одну камеру, а медленные — в другую, в результате чего в одной камере становится теплее, а в другой — холоднее. В итоге энтропия уменьшается — что, согласно второму закону термодинамики, невозможно в изолированной системе без соответствующего роста энтропии где-то еще. При этом демон Максвелла добивается такого результата, не совершая никакой работы.

Стоит уточнить, что исходный парадокс Максвелла был разрешен уже давно. Демон выполняет работу вовсе не бесплатно: информация — это физическая величина, и ее обработка сопряжена с термодинамическими затратами, благодаря которым соблюдается второй закон термодинамики.

Однако это решение привело к открытию весьма любопытного факта: информацию о физической системе можно использовать для получения из нее полезной работы.

Для демонстрации этой идеи физики Констанцского университета построили реальную модель демона Максвелла. Принцип ее работы таков: лазер удерживает микроскопический стеклянный шарик в жидкости. Даже в лазерной «ловушке» шарик не оставался полностью неподвижным — окружающие молекулы постоянно толкают его, заставляя хаотично колебаться. Отслеживая положение частицы, исследователи могли определить, в какой момент следует переместить лазерную ловушку, чтобы использовать движение частицы себе на пользу — и тем самым извлечь из него небольшое количество энергии.

В этом заключается основной принцип работы «информационного двигателя»: использование знаний о системе для превращения хаотичного движения в полезную работу. Однако есть один нюанс. Информационный двигатель может использовать только ту информацию, к которой у него есть доступ. А в реальном мире часть этой информации может оставаться скрытой. И именно здесь система немецких физиков выходит за рамки классического «демона Максвелла» — жидкость, которую они использовали в эксперименте, была насыщена молекулярными цепочками, напоминающими спагетти — так называемыми мицеллами, — которые образуют микроскопическую сеть.

Эти структуры переплетались и перестраивались, пока частица совершала свои хаотичные движения, сохраняя «следы» своего прежнего перемещения, которые могли повлиять на ее дальнейший путь. Таким образом, хотя исследователи не могли наблюдать за самой сетью напрямую, они использовали движения частицы, чтобы получать информацию о ней, пишет Science Alert.

Ученые провели два измерения с тщательно подобранным временным интервалом. Сравнение результатов позволило им сделать выводы о том, как именно была потревожена окружающая сеть и как это может повлиять на следующее движение частицы. Благодаря этому исследователи смогли более точно подобрать моменты для корректировки лазерной ловушки, извлекая энергию, которая иначе осталась бы недоступной.

При определенных условиях такая стратегия позволила исследователям получить в три раза больше работы, чем теоретический предел для аналогичной системы, лишенной этой «скрытой памяти» мицеллярной сети.

Исследование может иметь значение для будущих технологий, работающих в микромасштабах — особенно в сложных средах, таких как биологические жидкости, где взаимодействие частиц с окружающей их обстановкой бывает трудно предсказать.

«Наши результаты показывают, что „память“ окружающей среды можно рассматривать как термодинамический ресурс, доступный для экспериментального использования», — говорится в исследовании.

В 1956 году физик-теоретик Дэвид Пайнс предсказал, что электроны в твердых телах могут вести себя странным образом: формировать частицу без массы, с нейтральным зарядом и не взаимодействующую со светом. Он назвал их «демонами» и считал, что они играют важную роль в поведении металлов. Впервые физики смогли их обнаружить в 2023 году.