Datorseende läser antika böcker förkolnade av Vesuvius

När Vesuvius fick ett utbrott år 79 e.Kr. gjorde det något ovanligt med kuststaden Herculaneum. Medan Pompeji begravdes under ett snöfall av pimpsten, tog Herculaneum emot den fulla kraften av en överhettad våg av vulkanisk gas och aska. Inne i en vidsträckt privat villa, som en gång ägdes av Julius Caesars svärfar, bakades ett personligt bibliotek med klassiska grekiska och romerska texter snabbt vid hundratals grader i en syrefattig miljö.

Rullarna brann inte upp till aska. De förkolnades. De förvandlades till solida, spröda cylindrar av rent kol.

I århundraden utgjorde dessa rullar ett grymt arkeologiskt problem. Det enda bevarade intakta biblioteket från den klassiska världen låg rakt i våra händer, men att försöka rulla ut en enda rulle fick den att smulas sönder till värdelöst svart sot. Tidiga försök att skära eller skala upp dem förstörde yttre lager och lämnade efter sig osammanhängande fragment.

Nu gör en blandning av partikelfysik, 3D-skanning och maskininlärning det som mänskliga händer aldrig kunde: att rulla ut och läsa intakta antika böcker utan att röra dem.

Problemet med svart-på-svart-avbildning

Att röntga en antik papyrusrulle låter enkelt, men vanliga sjukhus-CT-skannrar stöter omedelbart på en fysisk gräns.

Medicinska röntgenbilder fungerar eftersom ben och mjukvävnad har väldigt olika atomtätheter; kalcium blockerar röntgenstrålar, medan muskler låter dem passera. Senare medeltida manuskript är lika lätta att skanna eftersom skrivare använde järngallsbläck, som innehåller tungmetallsalter som lyser upp under en röntgenstråle som neon.

Skrivarna i Herculaneum hade inget järn i sitt bläck. De skrev med en enkel blandning av sot, gummi och vatten. När vulkanutbrottet bakade biblioteket, förvandlades den växtbaserade papyrusen till rent kol – och det sotbaserade bläcket var rent kol från början.

För en standardscanner ser rullarna helt enhetliga ut: svart bläck tryckt på svart papper.

För att se igenom denna kolförklädnad transporterade forskare de ömtåliga rullarna till Diamond Light Source, en partikelaccelerator i Oxfordshire, England. Genom att accelerera elektroner nära ljusets hastighet genererar synkrotronen röntgenstrålar som är miljarder gånger ljusare än sjukhusutrustning.

Avgörande är att denna uppställning använder faskontrasttomografi. Istället för att bara mäta hur många röntgenstrålar som passerar genom ett objekt, mäter den den mikroskopiska avböjningen av röntgenvågor när de snuddar vid olika material. Den upplösningen är tillräckligt fin för att fånga den rullade arkets fysiska topografi, ända ner till enskilda papyrusväxtfibrer.

Spåra en skrynklig 3D-pannkaka

Att få en ultrahögupplöst 3D-skanning av en rulle är bara det första steget. Det svårare beräkningsproblemet är att rullarna inte är prydliga, koncentriska spiraler.

När vulkanutbrottet träffade villan krossades, vreds och veks rullarna ihop som papier-maché som tappats från ett fönster på andra våningen. Om du digitalt skär igenom 3D-röntgenvolymen ser du inte rena sidor; du ser tusentals slingrande, frakturerade linjer som löper genom en tät cylinder.

Datavetare var tvungna att uppfinna en helt ny bearbetningspipeline kallad virtuell upprullning. Först kryper algoritmer genom gigabyterna av volymetriska skanningsdata för att identifiera och segmentera den kontinuerliga 3D-ytan av ett enda inlindat lager av papyrus.

När programvaran spårar det slingrande, förvridna arket genom rullens inre, kör den en geometrisk beräkning för att virtuellt platta ut det till en 2D digital bild. Att göra detta för hand skulle ta årtionden av klickande, så ingenjörer byggde automatiserade segmenteringsverktyg som behandlar de inlindade lagren som ett topologiskt nät, och spårar kurvorna runt frakturer och tomrum.

Upptäcka sot på sot med kod

När en digital sida är utplattad återkommer den ursprungliga utmaningen: bläcket är fortfarande nästan osynligt för det mänskliga ögat.

Det är här Vesuvius Challenge – en öppen vetenskaplig tävling som lanserades för att knäcka rullarna – vände sig till maskininlärning. Tävlande insåg att även om kolbläcket inte kastar en mörk skugga på röntgenbilden, lämnade den fysiska handlingen att skriva efter sig en fysisk signatur.

När en skrivare tryckte en vasspenna mot papyrusen, låg bläcket på ytan, sög in i de mikroskopiska växtfibrerna och torkade till en svag, upphöjd film. Neurala nätverk tränade på små, verifierade fragment av upprullad papyrus lärde sig att upptäcka dessa subtila ytvariationer – små höjdförändringar, mikroskopiska tomrum i fibernätet och subtila täthetsförändringar.

När modellerna skannar de virtuellt utplattade arken, markerar de kluster av pixlar som matchar den fysiska profilen av torkat bläck, och återger grekiska bokstäver ur vad som ser ut som statiskt brus.

Antikens förlorade röster stiger ur askan

Belöningen kom när forskare meddelade att en hel rullad skriftrulle – katalogiserad som PHerc. 1667 – hade kartlagts, rullats ut och lästs från början till slut utan att öppna rullen.

Den virtuellt återställda texten sträcker sig över ungefär 1,4 meter papyrus och innehåller över tjugo kolumner av antik grekiska. Papyrologer som läste den digitala transkriptionen identifierade den som en förlorad avhandling om stoisk etik från 100-talet f.Kr., som diskuterar mänsklig natur, visdom och dygd.

Hundratals av dessa förkolnade cylindrar förvaras i arkiv i Neapel, Oxford och Paris, orörda eftersom alla visste att att öppna dem innebar att förstöra dem. Utöver de rullar som redan finns i museivalv, tror arkeologer att själva villan endast delvis har grävts ut, med ett helt nedre biblioteksgolv som potentiellt fortfarande ligger begravt under tonvis av vulkanisk sten.

I två tusen år höll Vesuvius vulkanaska ett bibliotek dolt genom att förvandla det till sten. Nu när kod kan se genom kol, kommer den förlorade litteraturen från det antika Medelhavet äntligen tillbaka in i ljuset.