Im Labor: Zwei Messungen machen verborgene Information zu Arbeit

Man stelle sich ein Teilchen vor, das von einem stark fokussierten Laserstrahl gehalten wird und in einer Flüssigkeit zittert, die kein Wasser ist, sondern ein dichtes, spaghettiartiges Netzwerk aus mikroskopischen Strukturen, das sich um es herum neu anordnet. Auf dieser Bühne haben Physiker der Universität Konstanz und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen einen alten Gedanken auf neue Weise geprüft.

Der Maxwellsche Dämon ist ein vor mehr als 150 Jahren ersonnener mikroskopischer Torwächter, der Informationen über Moleküle nutzt, um sie zu sortieren: Er öffnet eine kleine Tür für schnelle Moleküle in die eine Richtung und für langsame in die andere, sodass die eine Kammer heißer wird, während die andere abkühlt. Der scheinbare Widerspruch wurde aufgelöst, indem man erkannte, dass Information eine physikalische Ressource ist, die sich in Arbeit umwandeln lässt. Diese Einsicht hat das Interesse an Informationsmaschinen geweckt, also an mikroskopischen Maschinen, die mit Information statt mit Temperaturunterschieden betrieben werden.

Der Haken: Kein Dämon verfügt über vollständige Informationen. Selbst bei einem einzelnen Teilchen lassen sich Position und Geschwindigkeit nicht mit perfekter Genauigkeit messen. Und in Flüssigkeiten, in denen mikroskopische Maschinen arbeiten sollen, etwa Polymerlösungen oder biologischen Flüssigkeiten, prägt die innere Mikrostruktur die Bewegung des Teilchens, bleibt dabei aber unerreichbar. Bewegt sich das Teilchen, verformt es das Netzwerk, und das Netzwerk drückt zurück. Das Teilchen lässt sich zwar präzise verfolgen, die inneren Dynamiken des Netzwerks sind aber nicht direkt beobachtbar. Ein Teil der Information, die für eine optimale Steuerung nötig wäre, bleibt somit verborgen, und die gewinnbare Arbeit sinkt.

Die Forscher gewinnen einen Teil dieser verborgenen Information mit einer doppelten Messung zurück: Sie erfassen die Position des Teilchens zweimal, getrennt durch eine kontrollierte Zeitverzögerung. Der Vergleich der beiden Momentaufnahmen liefert indirekte Informationen über den Zustand des umgebenden Mediums und erweitert das Wissen des Dämons über einen einzelnen Augenblick hinaus. Durch Variation der Verzögerung zeigt das Team, dass Energie, die in diesen verborgenen Dynamiken gespeichert ist, sich ernten und in nutzbare Arbeit umwandeln lässt. Unter geeigneten Bedingungen erlaubt die doppelte Messung, mehr Arbeit zu gewinnen, als eine einzelne Messung ermöglichen würde. Die Berichterstattung nennt keine Zahl für diesen Gewinn.

Vorerst ist die Arbeit ein Schritt in Richtung zyklischer mikroskopischer Informationsmaschinen, die ohne Temperaturunterschied oder andere großskalige Energiegefälle laufen könnten. Das ist vor allem in sehr kleinen Maßstäben relevant, wo sich stabile thermische Gefälle zunehmend schwer aufrechterhalten lassen. Profitieren würden mikroskopische Maschinen, die in komplexen Flüssigkeiten arbeiten sollen, sofern sich das Prinzip von einem gefangenen Teilchen in einer Laborflüssigkeit auf ein funktionierendes Gerät übertragen lässt. Einen Zeitplan dafür nennt die Berichterstattung nicht, und das Experiment selbst ist eine Demonstration, keine Maschine.