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「マクスウェルの悪魔」は、19世紀の物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが考えた思考実験です。分子の動きを見分けられる小さな悪魔が、速い分子と遅い分子を仕切りで選り分ければ、何もしないのに温度差ができて、熱力学の法則を破れるのではないか。この問いは1世紀以上かけて「情報を得ることには代償がある」という答えに落ち着き、いまでは「測って得た情報は、仕事（エネルギー）に変えられる」という研究分野になっています。ドイツ・コンスタンツ大学の Lokesh Muruga さんと Clemens Bechinger さんらは、この悪魔に新しい芸を仕込みました。目の前の粒子ではなく、粒子を取り巻く液体の「記憶」から仕事を取り出したのです。論文は2026年10月16日、Nature Physics に掲載されました。
これまでの「情報エンジン」は、記憶のない世界を前提にしていた
測定で得た情報を仕事に変える装置は「情報エンジン」と呼ばれます。典型的なのは、水の中の小さな粒子をレーザーの光ピンセットで捕まえ、粒子が熱でふらつく（ブラウン運動する）のを見張って、都合のよい位置に来た瞬間にトラップを動かし、粒子からエネルギーを引き出す仕組みです。得られる仕事の上限は、測定で得た情報の量で決まります。
これまでの実験の多くには、暗黙の前提がありました。粒子を取り巻く環境（熱浴）は、粒子とやりとりした情報をすぐに忘れる、という前提です。ふつうの水の中なら、粒子が動いた痕跡は一瞬で散ってしまうので、これで問題ありません。ところが、生き物の細胞の中や、高分子が絡み合った液体のように、環境のほうに「記憶」が残る系はたくさんあります。粒子が過去にどう動いたかが、周りの構造に刻まれ、次の動きに影響する。こうした「見えない自由度」に残った情報は、エンジンに使えるのか。それが研究チームの問いでした。
絡み合ったミセルの網の中で
研究チームは、直径2.7マイクロメートルのシリカの粒子を、光ピンセットで捕まえました。ただし、入れたのはふつうの水ではありません。塩化セチルピリジニウムとサリチル酸ナトリウムを8ミリモルずつ溶かした液体で、この中では界面活性剤の分子が長いひも状のミセルを作り、ひもどうしが絡み合って網になります。粒子はこの網の中でふらつき、網は粒子に押された形をしばらく覚えています。網の形がほぐれるまでの時間（構造緩和時間）はおよそ6秒です。この網そのものは、実験では直接見えません。
見えるのは粒子の位置だけです。研究チームは粒子の位置を1秒に100回、5ナノメートルの精度で記録しました。そして次のような手順を組みました。まず、ある時刻に粒子の位置が基準の70ナノメートルより上か下かを測る（結果は0か1）。一定の時間を置いて、もう一度同じことを測る。この2回の結果の組み合わせ（たとえば「上、下」なら「10」）を見てから、トラップを3秒かけて一定の速さで動かし、粒子から仕事を引き出します。
肝心なのは、2回の測定のあいだの時間です。短すぎると、2回目は1回目とほとんど同じことを言っているだけで、新しい情報がありません。長すぎると、網が粒子の過去を忘れてしまい、2回目の測定は1回目とは無関係になります。そのあいだのちょうどよい時間なら、2回の測定の組み合わせから「網がいまどう押されているか」を推し量ることができる。つまり、見えない網の情報が、粒子の位置という見える窓を通して「逆流」してくるのです。
見える自由度の上限の、3倍
結果ははっきりしていました。2回の測定の間隔を変えながら、情報の逆流の大きさと取り出せる仕事を測ると、どちらも間隔が約1秒のときに最大になりました。これは網の構造緩和時間（約6秒）より短く、網がまだ粒子の過去を覚えている時間帯にあたります。逆に間隔を200秒まで延ばすと、粒子のその後の動きは2回目の測定結果だけで決まり、1回目の情報は何の役にも立ちませんでした。記憶が消えた、記憶のない系と同じ振る舞いです。
そして、最初の測定で「上」、2回目で「下」だった場合（状態「10」）、取り出せた仕事は、記憶のない環境を仮定したときの理論上の上限の最大3倍に達しました。粒子自身に蓄えられている（見える）エネルギーだけでは説明がつかない量で、差のぶんは、粒子を押し戻そうとする網の弾性、つまり見えない自由度に蓄えられたエネルギーから来ています。研究チームは、情報の逆流を初期状態の違いと切り分けて定量する指標も作り、この量が仕事の増加とよく対応することを示しました。
念のため書いておくと、これは熱力学の法則を破る話ではありません。網にエネルギーを蓄えたのは、もともと粒子の熱運動であり、測定と操作にも代償がかかります。新しいのは、「環境の記憶は、測定の仕方を工夫すれば、情報エンジンの資源として実際に使える」ことを実験で示した点です。
複雑な液体の中で働く小さな機械へ
この実験は、2.7マイクロメートルの粒子ひとつを相手にした、文字どおりの基礎研究です。装置としてすぐに役立つものではありません。研究チームが見据えているのは、環境に記憶がある場所で働く微小な機械です。細胞の中の液体、高分子の溶液、生体の組織はどれも粘弾性があり、過去の変形を覚えています。そこで動く分子モーターや人工の微小機械にとって、環境の記憶は邪魔な雑音ではなく、うまく読み出せば使える資源かもしれない。論文は、記憶のある環境で情報エンジンの性能を上げる道筋を、系統的に探れるようになったと結んでいます。
マクスウェルの悪魔は、もともと「見えるものを選り分ける」悪魔でした。今回の悪魔は、見えないものの記憶を、見えるものの動きから読み取ります。思考実験から160年ほどたって、悪魔はまた少し賢くなったようです。
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出典
- Muruga, L., Ginot, F., Loos, S. A. M. & Bechinger, C. (2026) “The extraction of work from hidden degrees of freedom” Nature Physics（2026年10月16日、オープンアクセス）https://doi.org/10.1038/s41567-026-03442-w
- 同論文のプレプリント（arXiv:2603.06160、2026年3月6日投稿、全文無料）https://arxiv.org/abs/2603.06160
- ScienceAlert “Maxwell’s Demon Can Extract Energy From Hidden Memories, Study Finds”（Michelle Starr、2026年10月28日）https://www.sciencealert.com/maxwells-demon-can-extract-3-times-more-energy-by-exploiting-hidden-memories-physicists-discover
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