Dem Dämon bei der Arbeit helfen
• Bisher verborgene Informationen können auf mikroskopischer Ebene in eine thermodynamische Ressource umgewandelt werden
• Die Doppelmessung eines Teilchens in einer komplexen Umgebung kann diese verborgenen Informationen offenlegen, um so nutzbare Arbeit zu gewinnen
• Diese Erkenntnisse stellen einen wichtigen Schritt in der Entwicklung mikroskopischer Informationsmaschinen dar, die ohne Temperaturunterschied oder andere makroskopische Energiegradienten arbeiten können
Die Empfindung von „heiß“ und „kalt“ entsteht durch einen Unterschied in der Bewegung auf molekularer Ebene. Sich schnell bewegende Teilchen mit höherer Energie verursachen das Gefühl von Wärme, während Kälte durch sich langsam bewegende Moleküle hervorgerufen wird.
Die Bewegung solcher Teilchen kann genutzt werden, um mithilfe von Wärmekraftmaschinen mechanische Arbeit zu gewinnen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Verbrennung von Benzin im Auto. Auf mikroskopischer Ebene lassen sich jedoch nicht alle Informationen über die sich bewegenden Teilchen direkt erfassen, was die Menge der gewinnbaren Arbeit begrenzt. In einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie haben Physiker*innen am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) in Göttingen und an der Universität Konstanz aufgezeigt, wie solche bisher verborgenen Informationen als wertvolle thermodynamische Ressource genutzt werden können.
Ein Dämon, der das Tor bewacht
Die Forschung der Wissenschaftler*innen wurde von einem Gedankenexperiment inspiriert, das mehr als 150 Jahre zurückreicht. James Maxwell ging darin von zwei Reservoirs mit gleicher Temperatur aus, die durch ein Tor voneinander getrennt waren. In seinem Experiment konnten die sich schneller bewegenden Moleküle das Tor in eine Richtung passieren, während sich langsamere Teilchen nur in die andere Richtung hindurchbewegen konnten. Hierdurch entstand ein Temperaturunterschied. Um schnelle und langsame Moleküle voneinander zu unterscheiden, müssen Informationen über jedes einzelne Teilchen vorliegen. Ein fiktives Wesen, das bald als „Maxwell-Dämon“ bezeichnet wurde, würde dann die Informationen über die Teilchen nutzen und entscheiden, welches in welche Richtung passieren darf. Der Aufbau dieses Experiments stellte den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Frage, da auf diese Wiese aus einem System im thermischen Gleichgewicht Arbeit gewonnen werden könnte.
„Heutzutage weisen wir der Information selbst einen thermodynamischen Wert zu und lösen damit dieses scheinbare Paradoxon“, sagt Sarah Loos, Gruppenleiterin am MPI-DS. „Solche Informationen können somit als physikalische Ressource betrachtet werden, die in Arbeit umgewandelt werden kann“, erklärt Clemens Bechinger, Professor an der Universität Konstanz.
Diese Erkenntnis hat zur Entwicklung sogenannter mikroskopischer Informationsmotoren geführt, die nicht wie herkömmliche Wärmekraftmaschinen durch Temperaturunterschiede, sondern durch Informationen angetrieben werden.
Information als Treibstoff für mikroskopische Motoren
Anders als unter idealen Modellbedingungen arbeiten solche mikroskopische Informationsmotoren oft in einer komplexen Umgebung, wie beispielsweise Polymerlösungen, biologischen Flüssigkeiten und anderen strukturierten Materialien. Dem Dämon fehlen daher einige Information, da die interne Dynamik des umgebenden Netzwerks nicht direkt beobachtet werden kann. Die Wissenschaftler*innen haben nun gezeigt, wie diese Information dennoch gewonnen werden kann, um so die Effizienz des Motors zu erhöhen. In ihren Experimenten schlossen sie ein mikroskopisches Teilchen in einer komplexen Flüssigkeit ein und analysierten dessen Wechselwirkung mit der Umgebung.
„Wir haben das Teilchen zweimal gemessen, mit einer definierten zeitlichen Verzögerung dazwischen“, erklärt Bechinger. „Auf diese Weise erhalten wir Zugang zu ansonsten verborgenen Umgebungsdynamiken und können letztlich die Menge an nutzbarer Arbeit erhöhen“, fährt Loos fort.
Die aktuelle Studie zeigt somit einen Weg auf, wie Energie aus Freiheitsgraden gewonnen werden kann, die einer direkten Beobachtung verborgen bleiben. Dies ist besonders relevant auf mikroskopischen Längenskalen, wo es zunehmend schwieriger wird, stabile Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten. Stattdessen könnten mikroskopische Motoren Informationen als echte thermodynamische Ressource nutzen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
sarah.loos@ds.mpg.de
Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41567-026-03442-w
Weitere Informationen:
https://www.ds.mpg.de/4140666/261016_Loos_demon
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