麦克斯韦妖学会了将隐藏的信息转化为微观系统可用的能量

一个只存在于思想实验里的“小妖精”，困扰了物理学家一百五十多年。

如今，它不仅被请进了实验室，还学会了一项新本事：从“看不见”的地方榨出能量。

德国康斯坦茨大学与哥廷根马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的物理学家联手，在《自然·物理学》发表最新研究。他们证明，藏在复杂液体内部、无法直接观测的信息，同样可以被“妖精”转化为可用的功。

这项研究由康斯坦茨大学胶体物理学家克莱门斯·贝辛格领衔，团队成员包括洛克什·穆鲁加、费利克斯·吉诺和萨拉·洛斯。

一个让热力学“坐立不安”的妖精

故事要从1867年说起。英国物理学家麦克斯韦设想了一个微观守门人：两个装满气体的隔间之间有一扇小门，守门人盯着每个分子，只放快分子往一边跑，慢分子往另一边跑。

久而久之，一边变热，一边变冷，温差就能拿来驱动机器做功。

通过双测量协议从多自由度 (hDoF) 中提取功。图片来源：Nature Physics(2026)。DOI：10.1038/s41567-026-03442-w

问题在于，守门人自己似乎没花什么力气，这等于凭空从均匀的热平衡中造出了有序，直接挑战了热力学第二定律。

此后一个多世纪，物理学家为此争论不休。

直到人们逐渐认识到，信息本身就是一种物理资源。1961年，美国IBM公司物理学家兰道尔指出，擦除一比特信息至少要付出一份微小的热量代价，守门人记住并清除分子信息的过程，恰好补上了热力学的账。

这把钥匙不仅救下了第二定律，还打开了一扇新门。

2010年，日本科学家首次在实验中让微小颗粒借助信息反馈“爬楼梯”，把信息实实在在地变成了能量。

两年后，法国里昂高等师范学院的团队又在《自然》杂志上报告，用激光捕获的胶体颗粒直接测到了擦除一比特信息所释放的热量，与兰道尔的理论预言相吻合。

由此诞生了“信息引擎”的概念。它不像传统热机那样依赖温差，而是靠信息驱动。

独眼妖精的困境

然而，现实中的妖精从来不是全知全能的。

双测量协议和状态条件粒子分布。图片来源：Nature Physics (2026)。DOI：10.1038/s41567-026-03442-w

即便只盯着一个粒子，它的位置和速度也无法被完美测量，测量本身还会带来误差和噪声。

更麻烦的是环境。未来的微型机器大多不会在清水中工作，而是在聚合物溶液、生物体液等结构复杂的介质里运行。

这次实验就模拟了这种处境。研究人员用一束聚焦激光，把一颗微小粒子“夹”在一种复杂液体中。

这种被称为“光镊”的技术，曾获2018年诺贝尔物理学奖，如今已是操控微观粒子的标准工具。

这种液体内部布满了动态的网状微观结构，像一锅不断搅动的意大利面。粒子一动，就会把“面条网”推变形，而变形的网络又会反过来推搡粒子，影响它下一步往哪儿走。

粒子本身的轨迹可以被精确追踪，周围网络的内部动态却完全隐身。对妖精来说，环境只露出了半张脸，它就像一个独眼守门人，关键信息藏在暗处，开门的时机总是不够精准，能捞到的功也随之打了折扣。

拍两张照片，看见暗处的能量

团队想出的办法颇为巧妙：不再只看一眼，而是隔一段可调的时间，对粒子位置连拍“两张照片”。

这背后的物理直觉是“环境记忆”。

复杂液体会记住粒子过去的运动，这份记忆以时间关联的形式，悄悄写进了粒子后来的轨迹里。

比较两次测量的差异，就能间接推断出周围介质的隐藏状态。妖精的视野由此突破了单一时刻的局限，仿佛从一张静态照片升级为一段短视频。

研究人员发现，只要精心调节两次测量之间的间隔，储存在隐藏环境中的能量就能被回收，转化为有用的功。在合适条件下，这种双重测量策略提取的功明显多于单次测量。

更令人意外的是，在某些参数区间里，提取的功甚至超过了可观测粒子本身所储存的能量。这意味着多出来的那部分能量，正是从“看不见”的环境里借来的。

研究的核心结论可以概括为一句话：编码在隐藏自由度中的信息，可以被部分找回，并作为热力学资源加以利用。

过去，研究者往往把复杂环境当作干扰源，想方设法屏蔽它，而这项工作反其道而行之，把环境的记忆变成了可以开采的“矿藏”。

这项成果被视为迈向循环式微观信息引擎的重要一步。在微观尺度上，维持稳定的温差越来越难，而热涨落却无处不在，能把涨落中的信息变成燃料，就等于为微型机器找到了一种新能源。

不妨设想一下，未来在血液或细胞液中穿行的微型机器人，或许不必携带“电池”，而是像一位经验老到的冲浪者，读懂周围环境的“暗流”，借力前行。

当然，从实验室里的一颗粒子到真正能干活的微型引擎，还有很长的路要走。但这项研究提醒我们，在微观世界里，看不见的东西并非毫无价值，看懂它的能力本身就是一种能量。