Demonología aplicada: la información es energía.

Los científicos no son, en su propia imaginación por lo menos, muy dados a los mitos. Sin embargo hay una bestia mitológica que ha perseguido a físicos y químicos durante casi 150 años. En 1867 James Clerk Maxwell se preguntó si se podría obtener energía del aire a baja concentración, en aparente contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Supuso la existencia de un homúnculo capaz de verlo todo que podría lograrlo, un homúnculo que fue casi inmediatamente conocido como el demonio de Maxwell.

La segunda ley, una de las más famosas de la física, afirma que el orden no puede surgir de forma espontánea. Es necesario realizar trabajo para crearlo, y ese trabajo (en el sentido técnico de cantidad de energía que mueve cosas) se convierte en calor en el proceso. Dado que el calor no es más que el movimiento desordenado de moléculas, el orden creado por el trabajo realizado se ve más que compensado por el incremento en el desorden molecular.

El demonio de Maxwell, sin embargo, puede superar esta dificultad. El homúnculo de Maxwell, en su experimento mental original, podía clasificar según sus velocidades las moléculas de aire que encontraba en dos cajas conectadas. Controlaba una trampilla entre las cajas y permitía sólo a las que se movían rápidamente (es decir, a las “calientes”) pasar en una dirección y sólo a las lentas (“frías”) en la otra. Cuando las moléculas habían sido todas clasificadas de esta manera la diferencia de temperatura entre las cajas podía, según la teoría, usarse para realizar trabajo útil de la misma forma que lo realiza la diferencia de temperatura entre las partes caliente y fría de una máquina de vapor.

Desde entonces la búsqueda de un sistema físico que se comportase como el demonio de Maxwell no ha cesado. En 1929 Leo Szilard añadió un matiz. Se dio cuenta de que Maxwell no había considerado la energía que necesitaría el demonio para decidir si una molécula se estaba moviendo rápida o lentamente. Esta decisión binaria es equivalente a un bit de información. Almacenar este bit, de tal forma que se pueda actuar sobre él, requiere energía. Szilard calculó que, a temperatura ambiente, un bit de información debería necesitar al menos 3·10^-21 julios de trabajo para ser almacenado. No es que sea una cantidad muy grande precisamente, pero sí es la suficiente para equilibrar las ecuaciones y devolver las ecuaciones de la termodinámica a su estado inmaculado.

La observación de Szilard tuvo una implicación interesante: la información es, por sí misma, un tipo de energía; una observación que es de alguna manera análoga a la de Einstein para la masa, publicada 24 años antes. Ahora, 81 años después, un equipo de físicos encabezado por Shoichi Toyabe, de la Universidad Chuo (Japón), ha sido capaz de probar el principio de Szilard de equivalencia información/energía construyendo un demonio de Maxwell que funciona. Sus resultados se publican en Nature Physics.

Más que clasificar moléculas del aire en cajas, Toyabe y sus colaboradores usaron un objeto compuesto por dos bolitas de poliestireno, cada una de 287 nanómetros de diámetro, unidas entre sí y sumergidas en un líquido. Una de las bolitas estaba sujeta a una superficie de cristal de tal manera que cuando giraba la otra rotaba alrededor de ella. Este minúsculo rotor se movía en el sentido de las agujas del reloj o en contra conforme las moléculas chocaban con él desde un lado u otro. Los físicos usaron un campo eléctrico para aplicar par al motor, haciendo que fuese más difícil para el sistema que girase en contra de las agujas del reloj que a favor.

Toyabe compara el sistema con a una pelota en una escalera espiral (véase la imagen). Todo lo demás igual, cuando una pelota recibe un impulso de energía, es más probable que caiga un escalón que que lo suba. Sin embargo, si cada vez que sube uno, se coloca un tablero por parte de esta versión del demonio de Maxwell para evitar que lo vuelva a bajar otra vez, la pelota irá subiendo gradualmente la escalera, almacenando energía potencial conforme lo hace. Ésta puede convertirse en trabajo dejándola caer una vez más, una analogía de usar el movimiento de los gases frío y caliente en el experimento mental de Maxwell.

En el experimento del equipo de Toyabe, el impulso que movía la bolita venía de las moléculas del líquido que la impactaban aleatoriamente. Pero, debido al par en el sentido de las agujas del reloj, el rotor era mucho menos probable que se moviese en contra de las agujas del reloj (equivalente a la bola subiendo la escalera) que a favor (equivalente a bajar). Cada vez que conseguía moverse en contra , sin embargo, ese movimiento era detectado por una cámara: el ojo del demonio. La cámara estaba conectada a un ordenador que ajustaba el campo eléctrico para bloquear la correspondiente ganancia energética, almacenando información al hacerlo. La bolita estaba subiendo, en la analogía de Toyabe, la escalera.

El experimento fue lo suficientemente preciso para permitir a los investigadores calcular que alrededor del 28% de la energía almacenada como información en los movimientos de la bolita se convirtió en energía potencial del minirrotor, confirmando una predicción hecha en 1997 por Christopher Jarzynski (Universidad de Maryland; EE.UU.). En otras palabras, la máquina información/trabajo tenía una eficiencia del 28%. Esta cifra, obviamente, no tiene en cuenta todo el aparataje necesario para realizar el ensayo. Pero la hipótesis ha sido probada: la información es realmente energía.

Imagen cortesía de Mabuchi Design Office / Yuki Akimoto

Referencia:

Toyabe, S., Sagawa, T., Ueda, M., Muneyuki, E., & Sano, M. (2010). Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1821