ソファから立ち上がったあとも、クッションのへこみがしばらく戻らずに残っていることがあります。
こうした「さっきの名残」は、目に見えないほど小さな世界にもあります。
物理学には「マクスウェルの悪魔」と呼ばれる思考実験があります。
150年以上前に考え出され、情報とエネルギーの関係についての理解を大きく形づくってきた存在です。
ところが現実の悪魔には、周りの液体の中に隠れた情報までは見えません。
では、その隠れた情報、いわば液体の「記憶」を、エネルギーのもとに変えることはできるのでしょうか？
独コンスタンツ大学らにより、この問いに実験で迫った研究成果が発表されました。
研究の詳細は、独コンスタンツ大学らにより、2026年10月16日付で学術誌『Nature Physics』に掲載されました。
目次
- 悪魔の手が届かない「見えない網目」
- 時間をあけて2回測ると、粒に何が起きたのか？
- 網目の記憶は、取り出せるエネルギーを増やした
悪魔の手が届かない「見えない網目」
マクスウェルの悪魔は、ミクロの世界にいる想像上の門番です。
気体の分子が入った2つの部屋が、小さな扉でつながっている場面を思い浮かべてください。
悪魔は分子の動きを1個ずつ見張り、速い分子は一方へ、遅い分子は反対側へ通るように扉を開け閉めします。
やがて片方の部屋は熱く、もう片方は冷たくなり、この温度差で機械を動かせるようになります。
大事なのは、悪魔が自分でエネルギーを足すのではなく、分子の動きの情報だけでこの差を作っている点です。
一見すると熱の基本法則に反するため、この悪魔は当初、論争を呼びました。
今では、情報そのものが仕事(使えるエネルギー)に変えられる物理的な資源だと考えることで、この矛盾は解かれています。
ここから、温度差ではなく情報で動く小さな機械(情報エンジン)への関心が高まってきました。
ただし現実の悪魔は、完全な情報を持てません。
しかも小さな機械が働く場としては、高分子の溶液や生き物の体液のような、中に細かな構造を持つ液体も期待されています。
こうした液体の中の構造は悪魔から直接見えず、関係する情報の一部が隠れたままになって、機械の効率を下げてしまいます。
それでも、これまでの情報エンジンの実験の多くは、周りとやり取りした情報はすぐ失われると暗に仮定してきました。
研究チームはまず、粒子の位置を1回測るだけでは、液体の記憶に関わる役立つ情報に原理的に届かないことを示しました。
記憶は「ある時と別の時のつながり」の中に現れるため、一瞬を切り取る1回の観測には写らないのです。
記憶を使うには、時間をずらして何度か測る必要があるということです。
時間をあけて2回測ると、粒に何が起きたのか？
そこでチームが使ったのは、直径2.7マイクロメートル、1ミリの約370分の1という、シリカ(ガラスの原料になる物質)でできた小さな粒です。
この粒を、界面活性剤(かいめんかっせいざい、せっけんや洗剤の仲間の物質)を溶かした液体に浮かべました。
この液体の中では、界面活性剤がスパゲッティのような網目を作り、たえず組み替わっています。
網目がゆがんでから落ち着いていく速さの目安(緩和時間)は、約6秒です。
粒が動くと網目がゆがみ、ゆがんだ網目が粒を押し返して、その後の動きを左右します。
つまり網目は、粒の過去の動きを覚えている「隠れた記憶」の役目を果たしているのです。
チームは、強くしぼったレーザー光(光ピンセット)で、粒をおわんの底のようなくぼみに閉じ込めました。
粒の位置は、1秒に100回の速さで記録しました。
位置の空間分解能はプラスマイナス5ナノメートルで、粒の直径の約540分の1という細かさです。
一方で、網目そのものの動きは、この実験では直接は見えません。
そこでチームは、時間をあけて粒の位置を2回測り、結果の組み合わせごとに、その後の粒のエネルギーの変化を追いました。
測るといっても、粒の位置を細かく読むのではなく、決めた線より左にいるか右にいるかを見分けるだけの簡単なものです。
まず、2回の測定の間を1秒あけた場合です。
2回目の結果が同じでも、1回目の結果しだいで、その後のエネルギーの落ち着き方が大きく変わりました。
2回測れば、網目の記憶をとらえられることを示す結果です。
なかでも目を引いたのは、ある決まった結果の組み合わせになった粒です。
この粒のエネルギーは、素直に一方向へ変わっていくのではなく、途中で向きを変える(非単調な)動きを見せました。
隠れた網目から粒へエネルギーが戻ってきたことを示す、直接の実験的な証拠です。
では、間を200秒、つまり3分以上あけるとどうなるでしょうか。
このときは1回目の結果に関係なく、2回目の結果だけでその後の動きが決まりました。
間をあけるうちに網目が落ち着ききり、前の状態をもう覚えていなかったためです。
エネルギーは寄り道をせず、上からも下からも平均の値へまっすぐ近づいていきました。
1回だけ測った場合の動きも、この200秒あけた場合とほぼ同じでした。
1回だけ測るのは2回の間隔をゼロにしたのにあたり、間隔は長すぎても短すぎても記憶の効果は消えてしまいます。
記憶が読めるのは、網目がまだ粒のことを覚えている間に2回目を測ったときだけなのです。
網目の記憶は、取り出せるエネルギーを増やした
ただし、ここにはひとつ落とし穴があります。
2回測った粒の集団と、2回目と同じ結果を1回だけ測って得た粒の集団は、測り終えた時点で、すでに位置の散らばり方が違っています。
これでは、その後の違いが記憶によるものなのか、出発点の違いによるものなのか区別できません。
そこでチームは、1回だけ測った粒の中から、出発時の位置の散らばりがそっくりになるように粒を選び出しました。
こうして作ったのが、出発点は同じでも過去を知らない「対照の集団」です。
記憶のない液体なら、この対照の集団と2回測った集団は、まったく同じように動くはずです。
両者に違いが出れば、それは網目に蓄えられていた情報が粒へ戻ってきた分(情報の逆流)だと言えます。
チームはこの違いを1つの指標にまとめ、記憶がなければほぼゼロ、記憶が効いていればゼロから離れるようにしました。
そして、2回の測定の間隔を変えながら、この指標を調べていきました。
結果の組み合わせごとに指標の変わり方は大きく違ったものの、1つを除くすべてで、効果がもっとも大きく現れたのは間隔が約1秒のときでした。
この約1秒は、網目の記憶が薄れる速さと、粒がくぼみの中で落ち着く速さの兼ね合いで決まっていました。
コンピューターによる計算でも、この振る舞いはよく再現されました。
さらに、指標がゼロから離れる場面は、網目から粒へエネルギーが一時的に戻ってくる場面と重なっていました。
「情報が戻ること」と「エネルギーが戻ること」は、直接つながっていたのです。
そして、この記憶をうまく使うと、粒から取り出せる仕事(使えるエネルギー)が増えることが確かめられました。
左か右かを2回見分けるだけの簡単な仕組みでも、記憶を取り出して仕事に変えるには足りたのです。
取り出せた仕事も、結果の組み合わせごとに、指標とよく似た形で変わっていました。
そのためチームは、この指標が、隠れた記憶から仕事を引き出す効率を前もって示す目安になると見ています。
さらに条件によっては、取り出せた仕事が、目に見える粒の動きだけに蓄えられたエネルギーを上回りました。
粒だけを見ていては説明のつかない分が、見えない網目の側から引き出されたと考えられます。
もっとも、今回確かめたのは、光で閉じ込めた粒と、決まった組成の1つの液体という組み合わせです。
高分子の溶液や体液など、ほかの複雑な液体でも同じように役立つかは、この実験ではまだ確かめられていません。
それでも、小さな機械の効率を下げる原因とされてきた「隠れた情報」が、実験で扱える資源になることが示されました。
チームは、時間のつながりを持つ環境で働く情報エンジンの性能を、こうした記憶で高める道筋が見えてきたとしています。
網目がまだ粒の動きを覚えているうちに、ちょうどよい間隔(この実験では約1秒)をあけて2回目を測れば、悪魔は見えない網目からも力を借りられるのです。
ここからは、マクスウェルの悪魔をもっと知りたい人へ
マクスウェルの悪魔とは、熱の基本法則にすき間がないかを試すために考えられた、空想の中の小さな門番です
マクスウェルの悪魔は、19世紀の物理学者マクスウェルが考え出した、空想の中だけにいる小さな存在です。
この悪魔が初めて書かれたのは、1867年にマクスウェルがテイトへ送った手紙だろうとされています。
その手紙でマクスウェルは、すべての分子の通り道と速さをひと目で見抜けるのに、仕切りの穴を開け閉めすることしかできない「有限の存在」(何でもできるわけではない存在)を思い描くように書いています。
その考えはのちに、マクスウェルの本『熱の理論』で紹介されました。
ところが、この存在を「悪魔」と呼んだのは本人ではなく、ウィリアム・トムソン(ケルヴィン卿)で、1874年に「知的な悪魔」と書いています。
マクスウェルも、日付の分からない手紙に「この名前を付けたのは誰か？ トムソン」と書き、悪魔を「とても小さいが元気な存在」とまとめています。
マクスウェルがこの悪魔を持ち出したのは、熱力学の第二法則(熱の基本法則の1つ)が、たくさんの分子が関わる統計の法則だと示すためで、テイトにはこの法則に「穴をあけたい」と伝えていました。
もし悪魔が本当に働けば、第二法則が否定したはずの「第二種永久機関」(熱をそっくり仕事に変える装置)になり、大気や海から仕事をいくらでも取り出せてしまいます。
この難問がきちんと解かれるまでには115年がかかり、カギになったのは、1961年にランダウアーが示した「情報を消すと、必ずまわりに熱が出る」という決まりでした。
写真で見る悪魔の研究をめぐる人・道具・液体
参考文献
Maxwell's demon learns to turn concealed information into usable energy for microscopic systems (Phys.org)
https://phys.org/news/2026-10-maxwell-demon-concealed-usable-energy.html
マクスウェルの悪魔(コトバンク)
https://kotobank.jp/word/%E3%81%BE%E3%81%8F%E3%81%99%E3%81%86%E3%81%88%E3%82%8B%E3%81%AE%E6%82%AA%E9%AD%94-3219052
中央大と東大、マックスウェルの悪魔を実験で再現(マイナビニュース、2010)
https://news.mynavi.jp/article/20101119-a113/
Maxwell’s demon and impossibility statements(Weinstein、arXiv 2022)
https://ar5iv.labs.arxiv.org/html/2209.00504
Information: From Maxwell’s demon to Landauer’s eraser(Physics Today、2015)
https://physicstoday.aip.org/features/information-from-maxwells-demon-to-landauers-eraser
なぜマクスウェルの悪魔は実現不可能なのか(田口善弘、現代ビジネス 2024)
https://gendai.media/articles/-/131315
マクスウェルの悪魔のパラドックスの解決(田口善弘、現代ビジネス 2024)
https://gendai.media/articles/-/131315?page=2
ラプラスの悪魔(コトバンク)
https://kotobank.jp/word/%E3%82%89%E3%81%B7%E3%82%89%E3%81%99%E3%81%AE%E6%82%AA%E9%AD%94-1997250
第二種永久機関(コトバンク)
https://kotobank.jp/word/%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E7%A8%AE%E6%B0%B8%E4%B9%85%E6%A9%9F%E9%96%A2-91784
元論文
The extraction of work from hidden degrees of freedom
https://doi.org/10.1038/s41567-026-03442-w
ライター
山下 浩介: むずかしい研究を、なるべく分かりやすく伝えたい。専門の言葉はふだんの言葉に置きかえて、身近な例で例える。それで「わかった」「楽しかった」と言ってもらえたら嬉しいです。
好きなのは、通学路や台所や日常の中にある科学。眠っているあいだに記憶が整理される話や、虫の鳴き方に意味がある話のように、読み終わったあとに誰かへ話したくなる研究を探しています。
編集者
ナゾロジー 編集部
