一百五十多年前，物理学家麦克斯韦设想了一个"小妖精"。

它守在一扇小门旁，只放快分子过去、把慢分子挡住，似乎就能凭空制造温差、获取能量，挑战热力学第二定律。

后来的研究揭示，"妖精"并非免费午餐，它获取和处理信息本身就要付出代价。

物理学家兰道尔等人指出，擦除信息必然消耗能量，这为"妖精悖论"找到了答案。信息与能量之间的这层关系，也成了现代物理学的一个重要课题。

如今，德国康斯坦茨大学克莱门斯·贝辛格领衔的团队发现，这只"妖精"还能借助环境中隐藏的"记忆"，提取多达理论极限三倍的功。研究成果发表在《自然·物理》上。

康斯坦茨大学位于德国南部的博登湖畔，贝辛格的实验室长期研究胶体颗粒和软物质，在微观热力学实验方面颇有建树。

一颗玻璃珠和一张看不见的网

实验的主角是一颗微小的玻璃珠。

研究人员用激光把它"夹"在液体里，形成所谓的光镊。

光镊技术曾获得2018年诺贝尔物理学奖，它能用聚焦的激光束稳稳抓住微米级的颗粒，就像一双看不见的手。

被"夹"住的玻璃珠在液体分子的撞击下仍会不停地随机抖动，这就是著名的布朗运动。

关键在于，这种液体并不普通。

它属于物理学家所说的"黏弹性流体"，既像液体一样会流动，又像橡皮筋一样带点弹性。它含有胶束，也就是由分子组成的细长链条，这些链条交织成一张网络。

研究人员无法直接看到这张网，但网络受到的扰动会留在玻璃珠的随机运动里，像涟漪一样留下痕迹。

换句话说，玻璃珠的每一次抖动，都在悄悄"转述"液体过去的状态。这种对过去的残留印记，就是论文所说的"环境记忆"。

普通液体几乎没有这种记忆，分子撞完就忘。而胶束网络会在一段时间内"记住"被拉扯的方式，让过去影响现在。

这就好比在水里划一下，水面很快恢复平静；而在一碗黏稠的蜂蜜里划一下，痕迹会停留一阵子。

测两次，选准间隔

团队的策略听上去很简单：在两个时间点测量玻璃珠的位置。

难点在于间隔长短。两次测量离得太近，几乎看不出液体隐藏的动态；离得太远，又会错过网络早先的状态。

测量时机会影响功的提取（左图），其提取量可能超过无记忆系统的理论极限（右图）。

实验表明，约一秒的间隔效果最好。

这个时间尺度与胶束网络自身的"记忆时长"相匹配，正好能捕捉到液体从被扰动到逐渐恢复的关键过程。

研究人员据此推断网络的状态，再把这些信息用来把握调整激光阱的时机。这就像冲浪者读懂了海浪的节奏，在最合适的瞬间发力。

在特定条件下，这种方法提取的功，最高可达不具备隐藏胶束记忆的同类系统理论极限的三倍。

对于一个在微观尺度上与随机热运动"抢能量"的系统来说，这是相当惊人的提升。

这意味着，环境的"记忆"本身可以变成一种资源。研究人员在论文中写道，他们的结果确立了环境记忆是一种可通过实验获取的热力学资源。

麦克斯韦妖长期以来更多是理论物理课堂上的思想实验。近二十年来，随着光镊和微纳测量技术的发展，科学家才得以在实验室里真正"养"出各种版本的小妖精。

贝辛格团队的新意在于，他们不再把环境当成需要克服的噪声，而是把它看作可以利用的信息来源。

这一点颇具启发性。在微观世界里，噪声无处不在，过去的工程思路往往是想方设法压制它。

对于只有几微米大小的机器来说，周围分子的撞击力量足以让它东倒西歪，这正是微型机器设计最头疼的问题之一。

如果环境中的记忆可以被读取和利用，噪声里就可能藏着能量。

研究人员强调，他们尚未造出任何实用装置，目前的工作仍是原理层面的验证。从一颗玻璃珠到一台真正的微型发动机，中间还有很长的工程之路。

但这项研究对微尺度技术可能意义重大，尤其是在生物体液这类复杂环境中。

设想未来在血管中执行任务的微型机器人，若能借助血液本身的黏弹特性"顺势而为"，或许就能减少对外部能源的依赖。细胞内部和血液里充满了高分子和复杂结构，本身就具有类似的记忆特性。

未来，科学家或许可以设计出能"读懂"周围环境的微型机器，把粒子之间的相互作用转化为可用的能量来源。

需要指出的是，这并不意味着热力学定律被打破。三倍的提升是相对于"没有记忆"的系统而言，额外的能量来自环境中储存的信息和结构，而非凭空产生。

从麦克斯韦的思想实验，到康斯坦茨实验室里的一颗玻璃珠，人类对信息、能量与时间关系的理解，又向前迈了一小步。

这项工作也让"信息就是物理量"这一观点有了更直观的实验注脚：知道得更多、更及时，就能从同样的环境里拿到更多能量。

那只传说中的"妖精"，原来不只会开门关门，还懂得倾听环境讲述的过去。