Сложенный лист бумаги сохраняет след сгиба. Даже если вы его расправите, эта история останется. Это базовый пример материальной памяти. Микроструктуры удерживают информацию о том, как их сжимали, растягивали или перемешивали.
Это не просто физический курьёз. Понимание того, как формируются такие «следы», может изменить подход к созданию материалов, реагирующих на окружающую среду. Также это может служить физической моделью для нейробиологии. Как кратковременная память вытесняет долгосрочную? Суспензия частиц в вязкой жидкости кажется буквальным ответом на этот вопрос.
Исследователи из Пенсильванского университета обнаружили, что в простых суспензиях могут сосуществовать две конкурирующие памяти. Они борются друг с другом, влияют друг на друга и иногда одна полностью уничтожает другую.
Когда памяти сталкиваются
В центре внимания исследования находятся небрауновские суспензии. Представьте себе шоколадный сироп или влажный бетон. Крупные частицы плавают в вязкой жидкости. Они слишком тяжелы для броуновского движения — того самого дрожания, вызванного тепловой энергией. Вместо этого их движение определяется внешними силами: перемешиванием или встряхиванием.
Ранее было показано, что эти смеси сохраняют определенную информацию. Перемешивание оставляет направленный след памяти. Покачивание взад-вперед фиксирует амплитуду, то есть силу этого движения. До сих пор каждую из этих «памятей» изучали изолированно.
Сурендра Падомата, ведущий аспирант проекта, выразил это прямо: «Когда вы сохраняете файл на компьютере, новые данные не влияют на другие файлы, которые там уже есть. Но в нейробиологии мы знаем, что долгосрочная память может меняться со временем».
Возьмем книгу, прочитанную в подростковом возрасте. Тогда она кажется простой. Но если прочитать её спустя десятилетия, когда жизнь усложнила ваш взгляд на мир, слои смысла изменятся. Новые кратковременные переживания переписывают интерпретацию старых данных.
Команда хотела узнать, ведет ли себя материя так же. Может ли материал помнить и то, куда его толкали, и то, как сильно? И что происходит, когда эти воспоминания конфликтуют?
Стирание прошлого
Ответ кроется в интенсивности воздействия.
В экспериментах, результаты которых опубликованы в Physical Review Letters (и отмечены как рекомендация редакторов), исследователи сначала перемешали суспензию. Это зафиксировало направленный след. Затем они начали встряхивать смесь с различной интенсивностью.
Легкое покачивание позволяло обеим «памятям» выжить. Суспензия помнила начальное перемешивание и слабые колебания.
Но если усилить движение? Буквально.
По мере усиления покачивания направленная память начала угасать. Она не просто ослабевала, она исчезала. При определенном пороге новое движение полностью стирало предыдущий след, возвращая суспензию в идеально симметричное, пустое состояние.
«За этим порогом само покачивание начинает записывать новую направленную память», — отметил Падомата. Старый след исчезал, новый брал верх.
Почему возникает конкуренция
Почему одна память стирает другую? Команда предлагает простое механическое объяснение: частота контактов.
При слабом покачивании частицы сталкиваются друг с другом не так часто, чтобы нарушить существующую структуру. Обе памяти сохраняются.
Но сильное покачивание заставляет частицы сталкиваться часто и жестоко. Частицы слишком быстро перемешивают конфигурацию, чтобы старая направленная история могла удержаться. Система сбрасывается.
Это ограничение емкости памяти может быть универсальным. Оно проявляется не только в жидкостях. Натан Кейм, доцент и руководитель группы, отмечает, что похожие направленные и амплитудные «памяти» обнаруживаются в мягких стеклах и гранулярных средах. Эти материалы имеют совершенно разную микроскопическую физику. Тем не менее, они разделяют это ограничение.
Неупорядоченная материя, похоже, имеет ограниченную «картотеку». Она не может сортировать бесконечное количество конкурирующих входных данных.
За пределами лаборатории
Последствия этих открытий выходят далеко за рамки физических журналов.
Кейм предполагает, что эти выводы могут моделировать биологическую память. Или, возможно, геофизику. Представьте себе горные породы, которые хранят «память» о прошлых колебаниях температуры или вибрациях. Могут ли эти внутренние следы прогнозировать риск землетрясений? Обвалы воронковых карстов?
Если камни помнят, возможно, мы сможем стереть эту опасную память. Мы можем найти способ снять напряжение, снизив геологический риск или создав более точные прогнозные модели для районов, подверженных стихийным бедствиям.
Программу Frontier Science of the Human Frontier funding спонсировала это исследование упрямства материи. Результаты суровы. Память в материи — это не статичный архив. Это поле битвы.
И иногда побеждает самый громкий голос.
