En 1867, el físico escocés James Clerk Maxwell imaginó a un travieso diablillo encargado de vigilar una pequeña puerta entre dos habitaciones. En ambas había aire a la misma temperatura, con millones de moléculas moviéndose a velocidades diferentes. Pero el guardián tiene una habilidad extraordinaria: distingue las moléculas rápidas de las lentas.
De modo que, cuando veía venir una molécula rápida (caliente), le abría la puerta para que pasara a una de las cajas. Si venía una lenta (fría), la enviaba a la otra.Con el tiempo, y mucha paciencia, el demonio lograba que una caja estuviera hirviendo y la otra helada.
Había creado un gran desequilibrio térmico, capaz de encender un motor, y lo había hecho sin gastar absolutamente nada de energía. Algo que, sobre el papel, violaba estrepitosamente la sacrosanta Segunda Ley de la Termodinámica, según la cual la entropía de un sistema aislado no puede disminuir espontáneamente.Desde entonces, la criatura imaginada por el físico se conoce como el 'demonio de Maxwell'.
Y durante más de un siglo, su 'hazaña' mantuvo ocupados a científicos del mundo entero. ¿Podía aquél ser diminuto burlar realmente una ley que parecía inviolable?Hoy sabemos que no, que esa paradoja tenía trampa, porque la información, en sí misma, es un recurso físico.
Es decir, el demonio no usaba 'músculos' para alterar el universo, sino datos, pero el mero acto de medir y borrar esa información también consume energía.Motores de informaciónEsta profunda revelación ha inspirado en las últimas décadas la creación de los llamados 'motores de información': máquinas microscópicas que no se alimentan de las diferencias de temperatura como el motor de nuestro coche, sino de información pura.Pero los científicos se toparon con un problema formidable.
¿Qué ocurre cuando nuestro pequeño demonio se vuelve `miope' y parte de la información permanece escondida en el entorno de una partícula y se oculta de su vista?La información no es solo conocimiento: en determinadas condiciones, también es un recurso físico capaz de transformarse en trabajoAhora, un estudio teórico y experimental, publicado en 'Nature Physics', ha demostrado que el demonio de Maxwell puede aprender a usar incluso esa información que no puede ver.
Y no solo eso, sino que también puede aprovecharla para extraer aún más trabajo mecánico.La información como combustibleLa idea tiene una historia larga. En 1929, el físico Leó Szilárd imaginó una máquina térmica capaz de extraer trabajo a partir de la información sobre una única molécula.
Más tarde, en 1961, Rolf Landauer estableció que borrar información almacenada en un sistema físico tiene un coste energético inevitable.Ese principio, conocido como límite de Landauer, ayuda a resolver la paradoja de Maxwell: para completar un ciclo de funcionamiento, el demonio debe gestionar su memoria y borrar los datos que ya no necesita.
Ese proceso genera calor y tiene consecuencias entrópicas. La segunda ley, por tanto, permanece intacta.Los investigadores atraparon una partícula de sílice de 2,7 micras en un líquido cuya red de micelas conserva durante unos segundos la memoria de sus movimientos.«Hoy atribuimos a la información un valor termodinámico, lo que resuelve esta aparente paradoja», explica Sarah Loos, investigadora del Instituto Max Planck y coautora del estudio.
El autor principal, Clemens Bechinger, de la Universidad de Constanza, dice por su parte que «la información puede considerarse un recurso físico que se transforma en trabajo».Una mota atrapada en un líquido con memoriaEl nuevo estudio plantea una dificultad que los experimentos anteriores no siempre tenían en cuenta.
En los modelos más sencillos, el entorno de una partícula apenas conserva 'recuerdos' de lo que ha sucedido antes. Pero muchos entornos reales son más complejos: su estructura interna responde a los movimientos de la partícula y tarda un tiempo en recuperar su estado original.
Como un colchón que regresa a su forma original después de que nos levantemos.Para estudiar este fenómeno, los científicos atraparon una partícula de sílice de apenas 2,7 micras de diámetro mediante unas pinzas ópticas, un dispositivo que utiliza un láser muy enfocado para mantener un objeto microscópico bajo control.Dos mediciones separadas por un intervalo adecuado permiten recuperar indirectamente información que no puede observarse de forma directaLa partícula se encontraba suspendida en una solución de sustancias que formanan una red dinámica de micelas, estructuras diminutas que se entrelazan como los espaguetis en un plato.
Cuando la partícula se mueve, deforma esa red. Y la red, al intentar recuperar su forma, ejerce fuerzas sobre ella que condicionan sus movimientos posteriores.Aquí aparece la pieza decisiva. Aunque los investigadores pueden seguir la posición de la partícula con una precisión de unos cinco nanómetros, no pueden observar directamente cada movimiento de la red que la rodea.
El líquido conserva parte de la historia de sus interacciones con la partícula, pero esa información no está disponible en una fotografía aislada.Es como observar una pelota que se mueve sobre una cama elástica sin poder ver cómo se deforma la tela bajo ella. Conocer su posición es útil, pero saber cómo ha quedado deformada la superficie permite anticipar mejor qué ocurrirá después.Dos mediciones para descubrir lo invisibleLa solución fue realizar dos mediciones de la posición de la partícula, separadas por un intervalo de tiempo cuidadosamente elegido.«Medimos la partícula dos veces -explica Bechinger- con un retraso temporal definido entre ambas mediciones».
La segunda observación, comparada con la primera, permite deducir indirectamente parte de la información que el líquido guarda sobre los movimientos anteriores.No es que los científicos vieran de repente cada micela. Lo que hicieron fue aprovechar las correlaciones entre el pasado y el presente del movimiento.
Si la partícula se ha desplazado, la respuesta del medio permite extraer pistas sobre el estado interno de la red, incluso cuando este permanece oculto a la observación directa.El experimento no viola la segunda ley de la termodinámica ni genera energía de la nadaEl intervalo entre las dos mediciones es fundamental.
En la solución utilizada, la red microscópica presentó un tiempo característico de relajación de aproximadamente seis segundos. Si se esperaba demasiado, parte de la memoria del medio se perdía; pero si se medía en el momento adecuado, el 'demonio' podía sacar partido de ella.«De este modo -señala Loos- pudimos acceder a dinámicas del entorno que, de otro modo, habrían permanecido ocultas y aumentar, en última instancia, la cantidad de trabajo aprovechable».
Es una prueba experimental de que la memoria del entorno puede actuar como un recurso termodinámico.Una nueva era para las máquinas microscópicasLa posibilidad de extraer trabajo de esa memoria ambiental resulta especialmente interesante a escalas diminutas, donde mantener diferencias de temperatura estables es complicado y los efectos del entorno adquieren una importancia enorme.Las aplicaciones aún quedan lejos.
Es decir, no estamos ante una máquina capaz de producir energía de la nada, ni ante un dispositivo listo para alimentar aparatos electrónicos. Peron el experimento demuestra un principio físico y una manera de aprovechar mejor la información disponible en sistemas microscópicos.Las implicaciones de estos hallazgos alcanzan a los futuros motores de tamaño micro y nanométrico, y quizá a sistemas que operen en fluidos complejos, incluidos algunos entornos biológicos.
Y es que, en lugar de depender exclusivamente de una fuente de calor o de una diferencia de temperatura, estas máquinas podrían utilizar las fluctuaciones y la memoria de su entorno para realizar trabajo.Parece, pues, que después de todo el viejo demonio de Maxwell no ha encontrado una puerta trasera para escapar de las leyes de la física.
Pero sí que ha descubierto algo más sutil: que, incluso cuando no podemos observar todo lo que ocurre a nuestro alrededor, el pasado deja huellas. Y que aprender a leerlas puede ayudarnos a obtener energía útil de un mundo que, a escala microscópica, está lejos de ser tan simple como parece.
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