Πώς ένας συνταξιούχος εφευρέτης και μια ομάδα φοιτητών μόλις έσωσαν 2.000 χρόνια χαμένης ιστορίας

Τα απανθρακωμένα λείψανα της βιβλιοθήκης στο Herculaneum (Ηράκλειο) μοιάζουν με κομμάτια κάρβουνου που βρέθηκαν στον πάτο μιας αυλής με φωτιά. Για αιώνες, αυτοί οι πάπυροι αποτελούσαν το απόλυτο ιστορικό αίνιγμα. Γνωρίζαμε ότι περιείχαν τις χαμένες σκέψεις Επικούρειων φιλοσόφων, ωστόσο το άγγιγμά τους προκαλούσε τη μετατροπή τους σε σκόνη. Επιβίωσαν από την έκρηξη του Βεζούβιου το 79 μ.Χ. επειδή «τηγανίστηκαν» ακαριαία από ηφαιστειακά αέρια, τα οποία μετέτρεψαν τον πάπυρο σε καθαρό άνθρακα. Αυτή η διατήρηση είναι ένα δίκοπο μαχαίρι. Για να διαβάσουμε το μελάνι, συνήθως χρειαζόμαστε ακτίνες Χ για να δούμε μέσα από το υλικό. Αλλά επειδή το μελάνι βασίζεται επίσης στον άνθρακα, η ακτίνα Χ βλέπει άνθρακα πάνω σε άνθρακα. Είναι σαν να προσπαθείς να διαβάσεις έναν μαύρο μαρκαδόρο σε μαύρο χαρτόνι σε ένα σκοτεινό δωμάτιο.

Μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο PLoS ONE αποκαλύπτει μια σημαντική ανακάλυψη που αλλάζει αυτή τη δυναμική. Μια ποικιλόμορφη ομάδα ερευνητών, υπό την καθοδήγηση ενός συνταξιούχου εφευρέτη και με τη συμμετοχή μαθητών λυκείου, ανέπτυξε μια μέθοδο για τον εντοπισμό των παπύρων που περιέχουν μεταλλικό μελάνι. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει έναν οδικό χάρτη για το Vesuvius Challenge, έναν παγκόσμιο διαγωνισμό για την ανάγνωση των παπύρων με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης. Χρησιμοποιώντας εξοπλισμό που βρίσκεται σε εργαστήρια βιομηχανικής επιθεώρησης, η ομάδα βρήκε έναν τρόπο να δώσει προτεραιότητα στα πιο ευανάγνωστα έγγραφα, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην ανάκτηση μιας χαμένης βιβλιοθήκης του αρχαίου κόσμου.

Η χημεία ενός προβλήματος 2.000 ετών

Οι αρχαίοι γραφείς χρησιμοποιούσαν συνήθως μελάνι από αιθάλη (φούμο), το οποίο είναι ουσιαστικά καπνιά αναμεμειγμένη με νερό και κόμμι. Αυτό είναι το πρόβλημα «άνθρακα σε άνθρακα» που έχει σταματήσει την πρόοδο για δεκαετίες. Ωστόσο, προέκυψε μια θεωρία ότι ορισμένοι μεταγενέστεροι πάπυροι μπορεί να χρησιμοποιούσαν μελάνι που περιείχε μόλυβδο. Εάν υπάρχει μόλυβδος, τα γράμματα θα εμφανίζονταν φωτεινά κάτω από μια σάρωση ακτίνων Χ, όπως ακριβώς τα οστά φαίνονται φωτεινά έναντι των μαλακών ιστών. Η πρόκληση ήταν να αποδειχθεί ότι ο μόλυβδος ήταν εκεί χωρίς να ξετυλιχθεί ο εύθραυστος πάπυρος.

Ο Douglas Seiler, ένας συνταξιούχος εφευρέτης, προσέγγισε το πρόβλημα με ένα ρεαλιστικό φίλτρο. Συγκέντρωσε μια ομάδα που περιλάμβανε χημικούς, αρχαιολόγους και φυσικούς για να ελέγξουν πώς αντιδρά το μελάνι με βάση τον μόλυβδο στη σύγχρονη σάρωση. Η ομάδα έπρεπε να γνωρίζει εάν ένας τυπικός φορητός σαρωτής θα μπορούσε να ανιχνεύσει αυτά τα ίχνη μέσα από στρώματα απανθρακωμένου υλικού. Για να το πετύχουν αυτό, έπρεπε να αναπαράγουν την αρχαία καταστροφή σε εργαστηριακές συνθήκες.

Κατασκευάζοντας ένα σύγχρονο αντίγραφο μιας αρχαίας καταστροφής

Η ομάδα αγόρασε σύγχρονο αιγυπτιακό πάπυρο, ο οποίος εξακολουθεί να κατασκευάζεται με τεχνικές παρόμοιες με εκείνες της ρωμαϊκής εποχής. Προμηθεύτηκαν επίσης παραδοσιακό μελάνι αιθάλης από την Ιαπωνία. Για να δημιουργήσουν ένα ελεγχόμενο πείραμα, πρόσθεσαν συγκεκριμένες ποσότητες νιτρικού μολύβδου στο μελάνι. Στη συνέχεια, στρατολόγησαν μαθητές λυκείου για να γράψουν στον πάπυρο χρησιμοποιώντας καλάμινες γραφίδες. Περιέργως, οι μαθητές δεν έγραψαν αρχαία φιλοσοφία. Χάραξαν στους παπύρους αποσπάσματα από το Star Wars, τη Βίβλο και τηλεοπτικές εκπομπές της δεκαετίας του 1960.

Μόλις η γραφή στέγνωσε, οι ερευνητές τοποθέτησαν τους παπύρους σε έναν κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας. Αυτή η διαδικασία απανθράκωσε τον πάπυρο και το μελάνι, μιμούμενη την ηφαιστειακή θερμότητα του Herculaneum. Το αποτέλεσμα ήταν μια συλλογή σύγχρονων τεχνουργημάτων που ήταν χημικά και φυσικά σχεδόν πανομοιότυπα με τους παπύρους ηλικίας 2.000 ετών. Αυτή η βάση τους επέτρεψε να δοκιμάσουν τον εξοπλισμό σάρωσης χωρίς να ρισκάρουν ούτε ένα ανεκτίμητο πρωτότυπο έγγραφο. Κοιτάζοντας τη μεγάλη εικόνα, αυτό επέτρεψε στην ομάδα να επαληθεύσει ακριβώς πόσος μόλυβδος χρειάζεται για να γίνει ένα γράμμα ορατό σε ένα μηχάνημα.

Χρησιμοποιώντας λογισμικό μπαταριών για την ανάγνωση φιλοσοφίας

Στο εσωτερικό της, η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για να δει κανείς μέσα από αυτά τα απανθρακωμένα αντίγραφα είναι εντυπωσιακά παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιούν οι μηχανικοί για την επιθεώρηση υλικού (hardware). Η ομάδα χρησιμοποίησε τη μικρο-υπολογιστική τομογραφία, μια μη επεμβατική τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά στην απεικόνιση του καρκίνου και στον βιομηχανικό ποιοτικό έλεγχο. Ένας από τους ερευνητές, ο Michael Cyrus Daugherty, προσάρμοσε ένα πρόγραμμα λογισμικού που είχε αρχικά σχεδιαστεί για την επιθεώρηση των «jelly rolls» στο εσωτερικό των μπαταριών ιόντων λιθίου.

Σε μια μπαταρία, το λογισμικό αναζητά ελαττώματα στα σφιχτά τυλιγμένα στρώματα μετάλλου και χημικών. Σε αυτό το έργο, το λογισμικό αντιμετώπισε τον απανθρακωμένο πάπυρο ως μια κατεστραμμένη μπαταρία. «Ξετύλιξε» εικονικά τα στρώματα, εξομαλύνοντας την τρισδιάστατη σάρωση σε μια δισδιάστατη εικόνα που μπορεί να διαβάσει ένας άνθρωπος. Όταν οι σαρώσεις χτυπούσαν το μελάνι με βάση τον μόλυβδο, τα γράμματα εμφανίζονταν με υψηλή αντίθεση. Αυτό επιβεβαίωσε ότι εάν ένας πάπυρος έχει έστω και μια μικρή ποσότητα μολύβδου, το σύγχρονο λογισμικό μπορεί να ανασύρει το κείμενο από τον ψηφιακό θόρυβο. Η Τεχνητή Νοημοσύνη λειτουργεί ως ένας ακούραστος ασκούμενος, σκανάροντας χιλιάδες εικονικές τομές για να βρει την ακριβή στιγμή που ένα γράμμα γίνεται ευανάγνωστο.

Γιατί οι φορητοί σαρωτές αλλάζουν το παιχνίδι

Ένα από τα πιο πρακτικά αποτελέσματα αυτής της έρευνας είναι η χρήση φορητών σαρωτών φθορισμού ακτίνων Χ (XRF). Αυτές οι συσκευές είναι κοινές σε μάντρες παλαιών μετάλλων και εργαστήρια περιβαλλοντικών δοκιμών. Είναι φορητές και σχετικά εύκολες στη χρήση. Η ομάδα απέδειξε ότι ένας τεχνικός μπορεί απλώς να στρέψει έναν σαρωτή XRF σε έναν απανθρακωμένο πάπυρο για να προσδιορίσει εάν περιέχει μόλυβδο. Πρόκειται για μια συστημική αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο προσεγγίζουμε την αρχαιολογία.

Αντί να στέλνουν κάθε πάπυρο σε έναν τεράστιο επιταχυντή σωματιδίων για ακριβή σάρωση, οι ερευνητές μπορούν τώρα να ελέγχουν τη συλλογή σε ένα υπόγειο. Μπορούν να εντοπίσουν τους πιο υποσχόμενους υποψηφίους για βαθιά ανάλυση σε λίγα λεπτά. Αυτή η απλοποιημένη προσέγγιση εξοικονομεί εκατομμύρια δολάρια και χιλιάδες ώρες υπολογιστικού χρόνου. Για τον μέσο χρήστη, αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός της ανακάλυψης πρόκειται να επιταχυνθεί. Δεν μαντεύουμε πλέον ποια κομμάτια κάρβουνου θα σαρώσουμε· ακολουθούμε έναν χάρτη μεταλλικών υπογραφών.

Ο ευρύτερος αντίκτυπος στη σύγχρονη επιστήμη δεδομένων

Αυτό το έργο είναι κάτι περισσότερο από μια νίκη για τους λάτρεις της ιστορίας. Αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο χειριζόμαστε τα κατεστραμμένα δεδομένα. Σκεφτείτε αυτούς τους παπύρους ως έναν κατεστραμμένο σκληρό δίσκο από τον αρχαίο κόσμο. Οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν εδώ —το ψηφιακό ξετύλιγμα, η εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων και η ανάλυση υλικών— έχουν εφαρμογές σε πεδία πολύ πέρα από την αρχαιολογία.

Στην καθημερινή ζωή, αυτοί οι ίδιοι αλγόριθμοι βοηθούν τους γιατρούς να εντοπίσουν όγκους σε σύνθετες απεικονίσεις ή βοηθούν τους κατασκευαστές να βρουν μικροσκοπικές ρωγμές σε εξαρτήματα αεροπλάνων. Το Vesuvius Challenge έχει εκδημοκρατίσει αυτή την υψηλού επιπέδου επιστήμη καθιστώντας τα δεδομένα δημόσια. Αυτό επιτρέπει σε ανεξάρτητους ερευνητές και χομπίστες να συμβάλουν στη διαδικασία αποκρυπτογράφησης. Το έργο αποδεικνύει ότι όταν συνδυάζουμε βιομηχανικό εξοπλισμό με συλλογική νοημοσύνη (crowdsourced intelligence), μπορούμε να λύσουμε προβλήματα που προηγουμένως θεωρούνταν αδύνατα.

Πρακτική πρόβλεψη για την ψηφιακή εποχή

Καθώς κοιτάζουμε προς το μέλλον, η επιτυχία της ομάδας Seiler υποδηλώνει ότι η κατανόησή μας για την ιστορία είναι ευμετάβλητη και υπόκειται σε ξαφνικές ενημερώσεις. Συχνά υποθέτουμε ότι το παρελθόν είναι ένα σταθερό σύνολο γεγονότων που βρίσκονται στα σχολικά βιβλία. Στην πραγματικότητα, χιλιάδες έγγραφα βρίσκονται αυτή τη στιγμή σε υπόγεια μουσείων, περιμένοντας τον κατάλληλο αισθητήρα για να τα κάνει να μιλήσουν. Η ουσία είναι ότι το εμπόδιο ανάμεσα σε εμάς και τον αρχαίο κόσμο δεν είναι πλέον η φυσική ευθραυστότητα. Είναι πλέον θέμα αναλογίας σήματος προς θόρυβο και επεξεργαστικής ισχύος.

Θα πρέπει να παρατηρήσετε πώς αυτές οι εξελίξεις αλλάζουν τις ψηφιακές μας συνήθειες. Η ίδια μηχανική μάθηση που αναγνωρίζει ένα ελληνικό γράμμα σε απανθρακωμένο πάπυρο είναι η τεχνολογία που οργανώνει τη βιβλιοθήκη φωτογραφιών σας ή προβλέπει την επόμενη αγορά σας. Βλέποντάς την να εφαρμόζεται σε ένα μυστήριο 2.000 ετών, μας υπενθυμίζει ότι αυτά τα εργαλεία είναι ανθεκτικά και ικανά να χειριστούν εξαιρετική πολυπλοκότητα. Είμαστε μάρτυρες της γέννησης ενός ψηφιακού εγκληματολογικού εργαστηρίου για το σύνολο της ανθρώπινης ιστορίας. Αυτή η πρόοδος μας ενθαρρύνει να εκτιμήσουμε τους αόρατους βιομηχανικούς μηχανισμούς που μετατρέπουν τα ακατέργαστα δεδομένα σε σημαντικές ιστορίες.

Sources: NIST, PLoS ONE, University of Kentucky, Vesuvius Challenge Project Reports.