Trabajo a partir de la memoria del entorno

¿Se puede sacar provecho de algo que no tenemos forma de ver? Un equipo de investigación ha demostrado en el laboratorio que sí. En un líquido complejo, el entorno de una partícula microscópica «recuerda» lo que le ha pasado, y esa memoria oculta, aunque no pueda observarse directamente, permite extraer trabajo, es decir, energía útil para mover algo.

Un viejo enigma: la información como combustible

En diciembre de 1867, James Clerk Maxwell escribió a su colega Peter Guthrie Tait para plantearle un experimento mental dirigido contra la segunda ley de la termodinámica, la que impide fabricar una máquina que convierta en trabajo el calor de un entorno a temperatura uniforme. Imaginó un gas en dos cámaras comunicadas por una pequeña compuerta y un ser diminuto capaz de ver las moléculas una a una. Si abre la puerta solo a las rápidas en un sentido y a las lentas en el otro, una cámara se calienta y la otra se enfría, y esa diferencia de temperatura podría mover una máquina. Maxwell nunca habló de demonio (el término lo empleó por primera vez William Thomson, lord Kelvin, en 1874) pero el experimento se quedó con el nombre: el demonio de Maxwell.

La paradoja tardó más de un siglo en aclararse. En 1929, Leo Szilard la simplificó con una máquina de una sola molécula y mostró que saber dónde está esa molécula funciona como combustible. En 1961, Rolf Landauer señaló que borrar información tiene un coste energético inevitable, y en 1982 Charles Bennett demostró que medir puede hacerse, en principio, sin coste: lo que salva la segunda ley es el borrado de la memoria del demonio. Desde entonces, experimentos con partículas microscópicas han confirmado que la información se convierte en trabajo (Toyabe y colaboradores, en 2010) y que borrarla cuesta energía (Bérut y colaboradores, en 2012). Este campo se llama hoy termodinámica de la información.

Casi todos esos experimentos suponen, sin embargo, un entorno sin memoria, como el agua, que «olvida» al instante cada empujón. Los físicos lo llaman entorno markoviano, en honor al matemático ruso Andréi Márkov. Sin embargo, los entornos markovianos se parecen mucho a las vacas esféricas imaginarias del chiste, ya que muchos materiales reales no lo son: los polímeros, los geles, los fluidos biológicos o los materiales desordenados en general conservan durante un tiempo las huellas de lo ocurrido, y su dinámica se llama no markoviana. Por otra parte, ese entorno es invisible para quien observa: son los llamados grados de libertad ocultos. Es como un demonio con una venda en los ojos. La pregunta es si esa memoria escondida puede aprovecharse.

Una bolita en una red de espaguetis

Los investigadores atraparon con un láser una bolita de sílice de 2,7 micras de diámetro, algo menos de tres milésimas de milímetro, dentro de una disolución de tensioactivos, sustancias de la familia de la que contienen los detergentes. Estas moléculas se ensamblan en micelas alargadas, enredadas como un plato de espaguetis microscópicos. Es un fluido viscoelástico: fluye como un líquido, pero también recupera parcialmente su forma, como un sólido elástico. Cuando la bolita se mueve, deforma la red, y la red tarda unos seis segundos en recomponerse.

La luz que sujeta la partícula forma unas pinzas ópticas, tecnología que valió a Arthur Ashkin la mitad del Nobel de Física de 2018. Funcionan como un cuenco de luz: la agitación térmica mueve la bolita sin cesar alrededor del centro, pero no puede salir del cuenco que forma la luz. Una cámara registra su posición cien veces por segundo, con una precisión de unos cinco nanómetros. De la red de micelas, en cambio, no se ve nada. Todo el sistema está a la misma temperatura, 25 °C, así que no hay diferencias térmicas que aprovechar.

Dos instantáneas

Con una sola medición no basta. Los autores demuestran que una única observación de la posición no revela nada útil sobre el estado oculto de la red, porque la memoria se manifiesta en correlaciones a lo largo del tiempo y una foto fija no las contiene.

Por eso miden dos veces, separadas por un intervalo controlado. En cada ocasión se limitan a comprobar si la partícula está a un lado u otro de una línea de referencia, situada a cierta distancia del centro de la trampa. Eso da cuatro itinerarios posibles. Uno de ellos es especialmente revelador: la partícula aparece lejos del centro en la primera medición y de vuelta hacia él en la segunda.

La red de micelas se comporta como una goma elástica atada a la partícula. Cuando esta se aleja, estira la goma, que tarda en relajarse. Si un segundo después la encontramos de regreso hacia el centro, la goma sigue estirada y tira de ella otra vez hacia fuera. Los datos lo reflejan: en ese itinerario, la energía potencial de la partícula primero sube y solo después baja, señal de que la energía llega del entorno. Los autores usan esta idea como modelo mínimo, con una partícula ficticia unida por un muelle a la real, y reproduce bien los datos. La red verdadera es, por supuesto, mucho más compleja.

Para estar seguros de que el efecto es memoria y no una consecuencia de dónde está la partícula, construyeron un grupo de control: trayectorias de una sola medición, elegidas para tener exactamente la misma distribución inicial de posiciones, pero sin historia previa. Las diferencias entre ambos grupos solo pueden proceder de la información guardada en la red. Es lo que se llama reflujo de información: información sobre la partícula que el entorno devuelve. Con un intervalo de unos 200 segundos, mucho mayor que los seis de relajación, el efecto desaparece, porque la red ha olvidado. Con un intervalo prácticamente nulo, la segunda medición no añade nada a la primera. El efecto máximo aparece en torno a un segundo.

De la memoria al trabajo

Tras la segunda medición, el equipo desplazaba la trampa de luz a velocidad constante durante tres segundos, de modo que la energía que la partícula tenía acumulada por estar desplazada se transformaba en trabajo aprovechable. Como referencia calcularon el máximo que se podría lograr con esta maniobra si el líquido no tuviera memoria y solo contara lo visible de la partícula.

En el itinerario revelador, el trabajo llegó a ser hasta unas tres veces ese máximo. La mayor parte de la energía no estaba en lo observable, sino en la red. No todos los resultados rinden igual: otro itinerario proporciona más trabajo en términos absolutos, aunque sin superar la referencia; otro rinde bastante menos, y en el cuarto el balance es sistemáticamente negativo. La memoria no es una fuente gratuita, sino un recurso que hay que saber localizar y usar en el momento adecuado. Los promedios proceden de unos cien intentos por caso, y las cantidades de energía son minúsculas, del orden de la que la partícula tiene por simple agitación térmica.

Dentro de la ley

Nada de esto desafía la segunda ley. El límite fundamental lo marca la energía libre total que tiene el sistema, partícula más red, al empezar la extracción, y esta es mayor de lo que parece si solo se mira la partícula.

Los propios autores subrayan que es un montaje muy controlado, con las dos mediciones más sencillas posibles y una única maniobra, desplazar la trampa. Más mediciones o protocolos más flexibles podrían extraer más trabajo. A largo plazo, ven un paso hacia motores de información microscópicos que funcionen sin diferencias de temperatura, algo valioso en escalas donde mantenerlas es difícil, y hacia estrategias de control que tengan en cuenta la memoria del medio.

Solemos describir un sistema por su estado actual y predecir lo que hará. Este experimento muestra que, cuando la materia tiene memoria, el pasado sigue formando parte de la ventaja energética del presente, y que aprender a leerlo, incluso sin verlo, permite obtener más trabajo sin infringir ninguna ley de la naturaleza.

Referencia:

Muruga, L., Ginot, F., Loos, S.A.M. et al. (2026) The extraction of work from hidden degrees of freedom. Nat. Phys. doi: 10.1038/s41567-026-03442-w

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance