คนส่วนใหญ่รับรู้ถึงการเคลื่อนตัวของดินบนเนินเขาเมื่อจู่ๆ ดินสูญเสียความแข็งแกร่ง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าผลผลิต "สมมติว่าคุณมีดินอยู่บนเนินเขา ถ้าเกิดแผ่นดินไหวหรือฝนตก วัตถุที่ดูเหมือนแข็งนี้จะกลายเป็นของเหลว" นักวิจัยหลัก ดักลาส เจโรลแมคแห่งเพนน์กล่าว "กรอบการทำงานที่มีอยู่ปฏิบัติกับความล้มเหลวนี้ราวกับว่ามันเป็นรอยแตกร้าว สาเหตุที่เป็นปัญหาก็เพราะคุณกำลังสร้างแบบจำลองวัสดุโดยใช้เกณฑ์ทางกลที่มั่นคง แต่คุณกำลังสร้างแบบจำลองเมื่อถึงจุดที่มันกลายเป็นของเหลว ดังนั้นจึงมี ความขัดแย้งโดยเนื้อแท้"

แบบจำลองดังกล่าวบอกเป็นนัยว่า ดินที่มีผลผลิตต่ำกว่านั้นเป็นของแข็ง ดังนั้นจึงไม่ควรไหล แต่ดินจะ "ไหล" อย่างช้าๆ และต่อเนื่องใต้จุดครากในกระบวนการที่เรียกว่าการคืบคลาน คำอธิบายทางธรณีวิทยาที่แพร่หลายสำหรับคืบคลานของดินคือ เกิดจากการรบกวนทางกายภาพหรือทางชีวภาพ เช่น วงจรการแช่แข็ง-ละลาย ต้นไม้ที่ล้ม หรือสัตว์ที่กำลังขุดดิน ซึ่งทำหน้าที่เคลื่อนดิน

ในการศึกษาครั้งนี้ ผู้เขียนนำและ Penn Ph.D. ผู้สมัคร Nakul S. Deshpande มีความสนใจในการสังเกตอนุภาคทรายแต่ละชิ้นที่อยู่นิ่งซึ่งตามทฤษฎีที่มีอยู่ควรจะเคลื่อนที่ไม่ได้ทั้งหมด "นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองโดยสันนิษฐานถึงพฤติกรรมบางอย่างของเมล็ดในดินที่คืบคลาน แต่ไม่มีใครสังเกตเห็นได้โดยตรงว่าเมล็ดพืชทำอะไร" Deshpande กล่าว

ในการทำเช่นนี้ Deshpande ได้จัดทำชุดการทดลองที่ดูเหมือนง่าย โดยสร้างกองทรายในกล่องลูกแก้วขนาดเล็กที่ด้านบนของโต๊ะแยกการสั่นสะเทือน จากนั้นเขาก็ใช้เทคนิคการกระเจิงของแสงเลเซอร์ที่เรียกว่า diffusing-wave spectroscopy ซึ่งไวต่อการเคลื่อนที่ของเกรนที่มีขนาดเล็กมาก "การทดลองมีความท้าทายทางเทคนิค" Deshpande กล่าวถึงงานนี้ "การผลักดันเทคนิคไปสู่ความละเอียดนี้ยังไม่ใช่เรื่องปกติในฟิสิกส์ และวิธีการนี้ไม่มีแบบอย่างในธรณีศาสตร์หรือธรณีสัณฐานวิทยา"

Deshpande และ Jerolmack ยังทำงานร่วมกับ Paulo Arratia ผู้ทำงานร่วมกันมาเป็นเวลานานซึ่งดูแล Penn Complex Fluids Lab เพื่อเชื่อมโยงข้อมูลกับเฟรมเวิร์กจากฟิสิกส์ วัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมเพื่อค้นหาระบบและทฤษฎีที่คล้ายคลึงกันที่สามารถช่วยอธิบายผลลัพธ์ได้ David Furbish แห่ง Vanderbilt ซึ่งใช้ฟิสิกส์สถิติเพื่อศึกษาว่าการเคลื่อนที่ของอนุภาคมีอิทธิพลต่อการเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์ในวงกว้างอย่างไร ได้ให้คำอธิบายว่าเหตุใดแบบจำลองก่อนหน้านี้จึงมีร่างกายไม่เพียงพอและไม่สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิจัยพบ

การทดลองครั้งแรกดูเหมือนง่าย: เทกองทรายลงในกล่อง ปล่อยให้มันนั่ง และดูด้วยเลเซอร์ แต่นักวิจัยพบว่าแม้สัญชาตญาณและทฤษฎีที่แพร่หลายกล่าวว่ากองทรายที่ไม่ถูกรบกวนควรเป็นแบบคงที่ แต่ในความเป็นจริงกองเม็ดทรายเป็นมวลของการเคลื่อนไหวคงที่และทำตัวเหมือนแก้ว

"ในทุกวิถีทางที่เราสามารถวัดทรายได้ มันผ่อนคลายเหมือนกระจกระบายความร้อน" Deshpande กล่าว "ถ้าคุณจะเอาขวดและละลายมัน แล้วแช่แข็งอีกครั้ง พฤติกรรมของโมเลกุลเหล่านั้นในแก้วทำความเย็นนั้น ในทุกวิถีทางที่เราสามารถวัดได้ เช่นเดียวกับทราย"

ในทางฟิสิกส์ อนุภาคแก้วและดินเป็นตัวอย่างคลาสสิกของระบบที่ "ไม่เป็นระเบียบ" ซึ่งอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบถูกจัดเรียงแบบสุ่มแทนที่จะอยู่ในโครงสร้างที่เป็นผลึกและกำหนดไว้อย่างชัดเจน ในขณะที่วัสดุที่ไม่เป็นระเบียบ ซึ่งเป็นจุดสนใจหลักของศูนย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมการวิจัยด้านวัสดุของเพนน์ มีพฤติกรรมทั่วไปบางประการในแง่ของการเสียรูปเมื่อถูกกดดัน มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างแก้วกับกองทราย โมเลกุลที่ประกอบเป็นแก้วมักจะเคลื่อนที่แบบสุ่มในอัตราที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ แต่เม็ดทรายมีขนาดใหญ่เกินไปที่จะทำอย่างนั้น ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์จึงคาดหวังว่ากองทรายจะ "ติดขัด" และไม่เคลื่อนไหว แต่การค้นพบล่าสุดเหล่านี้นำเสนอวิธีคิดใหม่เกี่ยวกับดินสำหรับนักวิจัยทั้งในด้านฟิสิกส์และธรณีวิทยา

ผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจอีกประการหนึ่งคือสามารถควบคุมอัตราการคืบคลานของดินได้ตามประเภทของการรบกวนที่ใช้ ในขณะที่กองทรายที่ไม่ถูกรบกวนยังคงคืบคลานต่อไปตราบเท่าที่นักวิจัยตั้งข้อสังเกต อัตราการเคลื่อนที่ของอนุภาคก็ช้าลงเมื่อเวลาผ่านไปในกระบวนการที่เรียกว่าการเสื่อมสภาพ เมื่ออนุภาคทรายถูกทำให้ร้อน การเสื่อมสภาพนี้กลับคืนมาเพื่อให้อัตราการคืบคลานเพิ่มขึ้นกลับไปเป็นค่าเริ่มต้น ในทางตรงกันข้ามการแตะกองเร่งอายุ

“เรามักจะนึกถึงสิ่งที่ผลักดันดินไปสู่ผลผลิต เช่น การสั่นไหวจากแผ่นดินไหวที่ทำให้เกิดดินถล่ม แต่การรบกวนอื่นๆ ในธรรมชาติอาจทำให้ดินห่างจากผลผลิตมากขึ้น หรือทำให้ดินถล่มเกิดขึ้นได้ยากขึ้น” เจโรลแมคกล่าว “ความสามารถของนากุลในการปรับแต่งมันให้มากขึ้นหรือใกล้เพื่อให้ได้ผล เปรียบเสมือนระเบิดที่ระเบิดใส่เรา และนี่คือพื้นที่ใหม่ทั้งหมด”

ในระยะเวลาอันใกล้นี้ นักวิจัยกำลังทำงานในการทดลองติดตามผลเพื่อสร้างผลกระทบของการรบกวนที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นโดยใช้หัววัดแม่เหล็กเพื่อทำความเข้าใจว่าการรบกวนอาจทำให้ระบบอยู่ห่างจากหรือเข้าใกล้ผลผลิตมากขึ้นได้อย่างไร พวกเขายังดูข้อมูลจากการสำรวจภาคสนาม ตั้งแต่การเคลื่อนตัวของดินตามธรรมชาติไปจนถึงเหตุการณ์ดินถล่มที่ร้ายแรง เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถเชื่อมโยงการทดลองในห้องแล็บกับสิ่งที่ผู้สังเกตการณ์เห็นในสนามได้หรือไม่ ซึ่งอาจช่วยให้มีวิธีใหม่ในการตรวจจับความล้มเหลวของภูมิประเทศที่เป็นภัยพิบัติก่อนที่จะเกิดขึ้น

นักวิจัยหวังว่างานของพวกเขาจะเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการปรับแต่งทฤษฎีที่มีอยู่ซึ่งอาศัยกระบวนทัศน์ที่เหมือนกับเนินเขาที่อนุภาคของดินเปลี่ยนไปตามกาลเวลา จะไม่รับน้ำหนักอีกต่อไป “เมื่อคุณสังเกตเห็นบางสิ่งที่ขัดกับสัญชาตญาณและเป็นสิ่งใหม่จริงๆ มันจะใช้เวลานานก่อนที่จะกลายเป็นแบบจำลองที่จะใช้” Jerolmack กล่าว "ฉันหวังว่าในด้านธรณีศาสตร์ว่าผู้ที่มีเครื่องมือและเทคนิคที่ซับซ้อนและประสบการณ์จะรับรู้ว่าเราสิ้นสุดที่ไหนและพูดว่า "ฉันมีแนวคิดใหม่ในการแสวงหาลายเซ็นนี้ในสาขาที่คุณคิดไม่ถึง" - - การส่งต่อระดับความสามารถและความสนใจตามธรรมชาตินั้น"บาคาร่า สมัครบาคาร่า