Złożony arkusz papieru zachowuje znak zagięcia. Nawet jeśli to wyprostujesz, ta historia pozostanie. Jest to podstawowy przykład pamięci materialnej. Mikrostruktury przechowują informacje o tym, jak zostały skompresowane, rozciągnięte lub zmieszane.
To nie jest tylko ciekawość fizyczna. Zrozumienie, w jaki sposób powstają te „ślady”, może zmienić sposób, w jaki tworzymy materiały reagujące na środowisko. Może również służyć jako model fizyczny dla neuronauki. W jaki sposób pamięć krótkotrwała zastępuje pamięć długoterminową? Dosłowną odpowiedzią na to pytanie wydaje się zawiesina cząstek w lepkiej cieczy.
Naukowcy z Uniwersytetu w Pensylwanii odkryli, że w prostych zawiesinach mogą współistnieć dwie konkurujące ze sobą wspomnienia. Walczą ze sobą, wpływają na siebie, a czasem jeden drugiego całkowicie niszczy.
Kiedy zderzają się wspomnienia
Badania skupiają się na zawiesinach innych niż Browna. Pomyśl o syropie czekoladowym lub mokrym betonie. Duże cząstki unoszą się w lepkiej cieczy. Są zbyt ciężkie dla ruchu Browna – tych samych wibracji powodowanych przez energię cieplną. Zamiast tego o ich ruchu decydują siły zewnętrzne: mieszanie lub potrząsanie.
Wykazano wcześniej, że mieszaniny te zachowują pewne informacje. Tasowanie pozostawia kierunkowy ślad w pamięci. Kołysanie w przód i w tył ustala amplitudę, czyli siłę tego ruchu. Do tej pory każde z tych „wspomnień” było badane oddzielnie.
Surendra Padomata, główna doktorantka projektu, ujmuje to bez ogródek: “Kiedy zapisujesz plik na swoim komputerze, nowe dane nie mają wpływu na inne pliki, które już tam są. Jednak w neurobiologii wiemy, że pamięć długoterminowa może zmieniać się w czasie.”
Weźmy książkę, którą czytałam jako nastolatka. Wtedy wydaje się to proste. Ale jeśli przeczytasz to kilkadziesiąt lat później, kiedy życie skomplikowało twoje spojrzenie na świat, warstwy znaczeń się zmienią. Nowe, krótkoterminowe doświadczenia zmieniają interpretację starych danych.
Zespół chciał sprawdzić, czy materia zachowuje się w ten sam sposób. Czy materiał może zapamiętać zarówno miejsce, w którym został pchnięty, jak i siłę? A co się stanie, gdy te wspomnienia będą ze sobą sprzeczne?
Wymazywanie przeszłości
Odpowiedź leży w intensywności oddziaływania.
W eksperymentach opublikowanych w Physical Review Letters (i odnotowanych jako zalecenie redakcyjne) badacze najpierw mieszali zawiesinę. To uchwyciło szlak kierunkowy. Następnie zaczęli potrząsać mieszaniną z różną intensywnością.
Lekkie kołysanie pozwoliło przetrwać obydwom „wspomnieniom”. Zawiesina pamiętała początkowe mieszanie i lekkie wibracje.
A co jeśli zintensyfikujemy ruch? Dosłownie.
W miarę jak kołysanie się nasilało, pamięć ukierunkowana zaczęła zanikać. Nie tylko osłabła, ona zniknęła. Na pewnym progu nowy ruch całkowicie zatarł poprzedni ślad, przywracając zawieszenie do idealnie symetrycznego, pustego stanu.
„Powyżej tego progu samo poruszenie zaczyna zapisywać nową pamięć kierunkową” – zauważył Padomata. Stary szlak zniknął, nowy przejął jego miejsce.
Dlaczego powstaje konkurencja
Dlaczego jedno wspomnienie wymazuje drugie? Zespół oferuje proste mechaniczne wyjaśnienie: częstotliwość kontaktów.
Gdy wahania są łagodne, cząstki nie zderzają się ze sobą tak często, aby zaburzyć istniejącą strukturę. Obydwa wspomnienia zostaną zachowane.
Silne potrząsanie powoduje jednak częste i gwałtowne zderzanie się cząstek. Cząsteczki zbyt szybko mieszają konfigurację, aby stara historia kierunkowości mogła się utrzymać. System został zresetowany.
To ograniczenie pojemności pamięci może być uniwersalne. Przejawia się nie tylko w cieczach. Nathan Keim, adiunkt i lider grupy, zauważa, że podobne „pamięci” kierunkowe i amplitudowe można znaleźć w miękkich szkłach i materiałach ziarnistych. Materiały te mają zupełnie inną fizykę mikroskopową. Jednakże podzielają to ograniczenie.
Wydaje się, że nieuporządkowana materia ma ograniczony „indeks kart”. Nie może sortować nieskończonej liczby konkurujących ze sobą danych wejściowych.
Poza laboratorium
Konsekwencje tych odkryć wykraczają daleko poza czasopisma fizyczne.
Keim sugeruje, że te odkrycia mogą modelować pamięć biologiczną. A może geofizyk. Wyobraź sobie skały, które zachowują „pamięć” przeszłych wahań temperatury lub wibracji. Czy te wewnętrzne ślady mogą przewidzieć ryzyko trzęsienia ziemi? Kras krasowy zapada się?
Jeśli kamienie pamiętają, być może uda nam się wymazać to niebezpieczne wspomnienie. Możemy znaleźć sposoby na złagodzenie stresu, zmniejszając ryzyko geologiczne lub tworząc dokładniejsze modele prognostyczne dla obszarów narażonych na katastrofy.
Program finansowania Frontier Science of the Human Frontier sponsorował badania nad uporem materii. Wyniki są surowe. Pamięć w materii nie jest statycznym archiwum. To jest pole bitwy.
A czasami najgłośniejszy głos wygrywa.
