Kako človeška pristranskost vpliva na zgodovinska razkritja? Da bi pomagali rešiti znanstveno razpravo o tem, ali je dinozavre in večino drugih vrst pred 66 milijoni let izbrisal ogromen asteroid ali vulkanski izbruh, so raziskovalci iz Dartmoutha poskusili z novim pristopom – znanstvenike so odstranili iz razprave in pustili računalnikom, da odločijo.

O izumrtju so odločali računalniki

Raziskovalci v reviji Science poročajo o novi metodi modeliranja, ki jo poganjajo medsebojno povezani procesorji, ki lahko delajo s kopicami geoloških in podnebnih podatkov brez človeškega vnosa. Zadolžili so skoraj 130 procesorjev za analizo fosilnih zapisov v obratni smeri, da bi natančno določili dogodke in razmere, ki so pripeljale do izumrtja v obdobju krede in paleogena (K-Pg), ki je odprlo pot za vzpon sesalcev, vključno s primati, ki bi pripeljali do zgodnjega ljudi.

»Del naše motivacije je bil oceniti to vprašanje brez vnaprej določene hipoteze ali pristranskosti,« je povedal Alex Cox, prvi avtor študije in podiplomski študent na Dartmouthovem oddelku za znanosti o Zemlji. »Večina modelov se premika v smeri naprej. Prilagodili smo model ogljikovega cikla, da deluje v drugo smer, pri čemer smo uporabili učinek za iskanje vzroka s pomočjo statistike, pri čemer smo mu dali le minimalne predhodne informacije, ko je deloval v smeri določenega rezultata. Na koncu ni pomembno, kaj mislimo ali kaj smo mislili prej – model nam pokaže, kako smo prišli do tega, kar vidimo v geološkem zapisu,« je dejal.

Več kot 300 tisoč možnih scenarijev

Model je preučil več kot 300.000 možnih scenarijev emisij ogljikovega dioksida, proizvodnje žveplovega dioksida in biološke produktivnosti v enem milijonu let pred in po izumrtju K-Pg.

S pomočjo vrste strojnega učenja, znanega kot Markov Chain Monte Carlo – kar ni podobno temu, kako pametni telefon predvidi, kaj uporabnik naslednjič vnese – so procesorji neodvisno sodelovali, da bi primerjali, revidirali in preračunavali svoje zaključke, dokler niso dosegli scenarija, se ujema z rezultatom, ohranjenim v fosilnem zapisu.

Geokemični in organski ostanki v fosilnih zapisih jasno prikazujejo katastrofalne razmere med izumrtjem K-Pg, tako imenovanim po geoloških obdobjih na obeh straneh tisočletja dolge kataklizme. Živali in rastline po vsem svetu so utrpele obsežno odmiranje, ko so se prehranjevalni spleti zrušili pod nestabilnim ozračjem, ki je – obremenjeno z žveplom, ki bledi od sonca, minerali v zraku in ogljikovim dioksidom, ki lovijo toploto – divje nihalo iz hladnih v žgoče razmere.

Vzrok izumrtja ni razrešen

Medtem ko je učinek jasen, vzrok izumrtja ni razrešen. Zgodnje teorije, ki so dogodek pripisovale vulkanskim izbruhom, so bile zasenčene z odkritjem udarnega kraterja v Mehiki, znanega kot Chicxulub, ki ga je povzročil kilometre širok asteroid, za katerega zdaj velja, da je odgovoren za izumrtje.

Teorije pa so se začele zbliževati, saj fosilni dokazi kažejo na udarec enega ali dva, kakršnega ni bilo v Zemljini zgodovini: asteroid je morda treščil v planet, ki ga že ovirajo ogromni, izjemno siloviti izbruhi vulkanov v zahodnih indijskih pasteh Deccan.

Toda znanstveniki še vedno ne vedo – niti se ne strinjajo – v kolikšni meri je posamezen dogodek prispeval k množičnemu izumrtju. Tako sta se Cox in njegov svetovalec Brenhin Keller, docent za vede o Zemlji iz Dartmoutha in soavtor študije, odločila, da bosta »videla, kaj bi dobila, če bi pustila kodi odločati«.

Njihov model je nakazal, da bi že samo izlivanje plinov, ki spreminjajo podnebje, iz Deccan Traps v Indiji lahko zadostovalo za sprožitev globalnega izumrtja. Traps je izbruhnil približno 300.000 let pred asteroidom Chicxulub. Ocenjuje se, da so med svojimi skoraj milijon let trajajočimi izbruhi Deccan Traps v ozračje izčrpali do 10,4 bilijona ton ogljikovega dioksida in 9,3 bilijona ton žvepla.

»Zgodovinsko smo vedeli, da lahko vulkani povzročijo množično izumrtje, vendar je to prva neodvisna ocena hlapnih emisij, vzeta iz dokazov o njihovih vplivih na okolje,« je dejal Keller.

»Naš model je obdelal podatke neodvisno in brez človeške pristranskosti, da bi določil količino ogljikovega dioksida in žveplovega dioksida, ki je potrebna za ustvarjanje podnebja in motenj ogljikovega cikla, ki jih vidimo v geološkem zapisu. Izkazalo se je, da so te količine skladne s tem, kar pričakujemo videti v emisijah iz dekanskih pasti,« je dejal Keller, ki je veliko delal na preučevanju povezave med dekanskim vulkanizmom in izumrtjem K-Pg.

Strm padec kopičenja organskega ogljika

Model je razkril strm padec kopičenja organskega ogljika v globokem oceanu v času trka Chicxuluba, kar je verjetno posledica asteroida, ki je povzročil smrt številnih živalskih in rastlinskih vrst. Zapis vsebuje sledi znižanja temperature približno ob istem času, ki bi ga povzročila velika količina žvepla –  kratkotrajnega hladilnega sredstva – mamutski meteorit bi izvrgel v zrak, ko bi trčil v žveplo bogato površino na tem območju planeta.

Trk asteroida bi prav tako verjetno izpustil ogljikov in žveplov dioksid. Vendar je model ugotovil, da v tem času ni bilo skoka v emisijah nobenega plina, kar nakazuje, da prispevek asteroida k izumrtju ni odvisen od emisij plinov.

V sodobnem kontekstu, je dejal Cox, je izgorevanje fosilnih goriv od leta 2000 do 2023 v ozračje črpalo približno 16 milijard ton ogljikovega dioksida na leto. To je 100-krat več od najvišje letne stopnje emisij, ki jo znanstveniki načrtujejo iz Deccan Traps. Čeprav je samo po sebi zaskrbljujoče, bi še vedno trajalo nekaj tisoč let, da bi trenutne emisije ogljikovega dioksida ustrezale skupni količini, ki so jo izbruhali starodavni vulkani, je dejal Cox.

»Najbolj razveseljivo je, da so rezultati, ki smo jih dosegli, na splošno fizično verodostojni, kar je impresivno glede na to, da bi lahko model tehnično deloval popolnoma divje brez močnejših predhodnih omejitev,« je dejal Cox.

Povezovanje procesorjev je skrajšalo čas

Medsebojno povezovanje procesorjev je skrajšalo čas, potreben za analizo tako velikega nabora podatkov, z mesecev ali let na ure, je povedal Cox. Njegovo in Kellerjevo metodo je mogoče uporabiti za invertiranje drugih modelov zemeljskih sistemov – kot so tisti za podnebje ali ogljikov cikel – za ovrednotenje geoloških dogodkov, za katere so rezultati dobro znani, ne pa tudi dejavnikov, ki so do njih pripeljali.

»Ta vrsta vzporedne inverzije še ni bila izvedena v modelih znanosti o Zemlji. Našo metodo je mogoče razširiti tako, da vključuje na tisoče procesorjev, kar nam daje veliko širši prostor rešitev za raziskovanje in je precej odporna na človeško pristranskost,« Cox rekel.

»Doslej so bili ljudje na našem področju bolj fascinirani nad novostjo metode kot nad zaključkom, do katerega smo prišli,« se je zasmejal. »Vsak zemeljski sistem, za katerega poznamo učinek, ne pa tudi vzroka, je zrel za inverzijo. Bolje kot poznamo izhod, bolje lahko označimo vnos, ki ga je povzročil.«

V edinstvenem laboratorijskem poskusu so raziskovalci opazovali pot navzdol, ki jo uberejo posamezni atomi antivodika, in tako zagotovili dokončen odgovor: antimaterija pade. Pri potrditvi, da se antimaterija in običajna snov gravitacijsko privlačita, ugotovitev tudi izključuje gravitacijsko odbojnost kot razlog, zakaj antimaterija večinoma manjka v opazljivem vesolju.

Raziskovalci iz mednarodne kolaboracije Antivodikov laserski fizikalni aparat (ALPHA) v CERN-u v Švici so objavili svoje ugotovitve v reviji Nature. Prizadevanje, ki ga podpira več kot ducat držav in zasebnih ustanov, vključno z ZDA prek skupne Nacionalne znanstvene fundacije/oddelka ZDA programa Energy Partnership in Basic Plasma Science and Engineering.

»Uspeh sodelovanja ALPHA je dokaz pomena timskega dela med celinami in znanstvenimi skupnostmi,« pravi Vyacheslav Slava Lukin, programski direktor v oddelku za fiziko NSF. »Razumevanje narave antimaterije nam lahko pomaga ne samo razumeti, kako je naše vesolje nastalo, ampak lahko omogoči nove inovacije, ki se doslej še nikoli niso zdele možne – kot so skeniranja s pozitronsko emisijsko tomografijo (PET), ki so rešila mnoga življenja z uporabo našega znanja o antimateriji za odkrivanje rakavih tumorjev v telesu.«

Se antimaterija obnaša enako kot materija?

»Einsteinova teorija splošne relativnosti pravi, da bi se morala antimaterija obnašati popolnoma enako kot materija,« je povedal Jonathan Wurtele, plazemski fizik Univerze v Kaliforniji, Berkeley in član kolaboracije ALPHA. »Številne posredne meritve kažejo, da gravitacija medsebojno deluje z antimaterijo, kot je bilo pričakovano,« je dodal, »toda do današnjega rezultata nihče ni izvedel neposrednega opazovanja, ki bi lahko izključilo, na primer, premikanje antivodika navzgor v nasprotju z navzdol v gravitacijskem polju.«

Naša telesa, Zemlja in večina vsega, kar poznajo znanstveniki v vesolju, je v veliki večini sestavljeno iz običajne snovi, ki jo sestavljajo protoni, nevtroni in elektroni, kot so atomi kisika, ogljika, železa in drugi elementi periodnega sistema.

Antimaterija je po drugi strani dvojček navadne snovi, čeprav z nekaterimi nasprotnimi lastnostmi. Na primer, antiprotoni imajo negativen naboj, medtem ko imajo protoni pozitiven naboj. Antielektroni so pozitivni, elektroni pa negativni.

Vendar pa je morda največji izziv za eksperimentatorje: »Takoj ko se antimaterija dotakne materije, eksplodira,« je dejal član kolaboracije ALPHA in plazemski fizik Univerze v Kaliforniji, Berkeley Joel Fajans.

Skupna masa snovi in ​​antimaterije se v celoti spremeni v energijo v tako močni reakciji, da jo znanstveniki imenujejo anihilacija.

»Za dano maso so takšne anihilacije najgostejša oblika sproščanja energije, kar jih poznamo,« je dodal Fajans. Toda količina antimaterije, uporabljene v eksperimentu ALPHA, je tako majhna, da je energija, ustvarjena z anihilacijo antimaterije/materije, zaznavna samo za občutljive detektorje. »Kljub temu moramo z antimaterijo manipulirati zelo previdno, sicer jo bomo izgubili,« je dejal Fajans.

Spuščanje antimaterije

»Na splošno izdelujemo antimaterijo in izvajamo nekakšen poskus poševnega stolpa v Pisi,« je dejal Wurtele in se skliceval na preprostejšega intelektualnega prednika njihovega eksperimenta, morda apokrifnega Galilejevega eksperimenta iz 16. stoletja, ki je pokazal enak gravitacijski pospešek dveh istočasno padlih predmetov podobne prostornine, vendar različne mase. »Pustimo antimaterijo in vidimo, ali gre gor ali dol.«

Za eksperiment ALPHA je bil antivodik vsebovan v visoki cilindrični vakuumski komori s spremenljivo magnetno pastjo, imenovano ALPHA-g. Znanstveniki so zmanjšali moč zgornjega in spodnjega magnetnega polja pasti, dokler atomi antivodika niso mogli pobegniti in ni postal očiten relativno šibek vpliv gravitacije.

Ko je vsak atom antivodika pobegnil iz magnetne pasti, se je dotaknil sten komore nad ali pod pastjo in se uničil, kar so znanstveniki lahko zaznali in prešteli.

Raziskovalci so poskus ponovili več kot dvanajstkrat in spreminjali jakost magnetnega polja na vrhu in na dnu pasti, da bi izključili morebitne napake. Opazili so, da ko so bila oslabljena magnetna polja natančno uravnotežena na vrhu in na dnu, je približno 80 odstotkov antivodikovih atomov izničilo pod pastjo – rezultat, ki je skladen s tem, kako bi se oblak navadnega vodika obnašal pod enakimi pogoji.

Tako je gravitacija povzročila padec antivodika.

Skrivnost materije in antimaterije

Kljub nekaterim skromnim virom antimaterije – kot so pozitroni, ki nastanejo pri razpadu kalija, celo v banani – je znanstveniki v vesolju ne vidijo veliko. Vendar zakoni fizike predvidevajo, da bi morala antimaterija obstajati v približno enakih količinah kot običajna snov.

Ena od možnih razlag je, da je antimaterijo med velikim pokom gravitacijsko odbijala navadna snov, čeprav nove ugotovitve kažejo, da se teorija ne zdi več verjetna.

»Izključili smo, da bi antimaterijo gravitacijska sila odbijala kot privlačila,« je dejal Wurtele. To ne pomeni, da ni razlike v gravitacijski sili na antimaterijo, dodaja. Le bolj natančna meritev bo povedala.

Raziskovalci iz kolaboracije ALPHA bodo še naprej raziskovali naravo antivodika. Poleg izpopolnjevanja njihovega merjenja učinka gravitacije preučujejo tudi interakcijo antivodika z elektromagnetnim sevanjem s spektroskopijo.

»Če bi bil antivodik nekako drugačen od vodika, bi bila to revolucionarna stvar, ker fizikalni zakoni, tako v kvantni mehaniki kot gravitaciji, pravijo, da bi moralo biti obnašanje enako,« je dejal Wurtele. »Vendar pa človek ne ve, dokler ne izvede poskusa.«