برنامج حاسوبي حاسم لفيزياء الجسيمات في خطر التقادم

مؤخرًا ، شاهدت زميلًا في فيزياء الجسيمات يتحدث عن حساب دفعه إلى مستوى جديد من الدقة. أداته؟ برنامج كمبيوتر من حقبة الثمانينيات يسمى FORM.

يستخدم علماء فيزياء الجسيمات بعضًا من أطول المعادلات في العلوم. للبحث عن إشارات لجسيمات أولية جديدة في تصادمات في مصادم الهادرونات الكبير ، على سبيل المثال ، يرسمون آلاف الصور المسماة مخططات فاينمان التي تصور نتائج الاصطدام المحتملة ، كل واحدة ترميز صيغة معقدة يمكن أن تكون بملايين الحدود. من المستحيل تجميع صيغ مثل هذه باستخدام القلم والورق ؛ حتى إضافتها بأجهزة الكمبيوتر يمثل تحديًا. قواعد الجبر التي نتعلمها في المدرسة سريعة بما يكفي لأداء الواجبات المنزلية ، لكن بالنسبة لفيزياء الجسيمات فهي غير فعالة على الإطلاق.

تسعى برامج تسمى أنظمة جبر الكمبيوتر للتعامل مع هذه المهام. وإذا كنت ترغب في حل أكبر المعادلات في العالم ، فقد تميز برنامج واحد لمدة 33 عامًا: FORM.

طوره عالم فيزياء الجسيمات الهولندي جوس فيرماسيرين، FORM هو جزء أساسي من البنية التحتية لفيزياء الجسيمات ، وهو ضروري لأصعب الحسابات. ومع ذلك ، كما هو الحال مع العديد من الأجزاء الأساسية للبنية التحتية الرقمية ، فإن صيانة FORM تعتمد إلى حد كبير على شخص واحد: Vermaseren نفسه. وفي سن 73 ، بدأ Vermaseren في التراجع عن تطوير FORM. بسبب هيكل الحوافز في الأوساط الأكاديمية ، التي تمنح الأوراق المنشورة ، وليس أدوات البرمجيات ، لم يظهر خليفة. إذا لم يتغير الوضع ، فقد تضطر فيزياء الجسيمات إلى التباطؤ بشكل كبير.

بدأ FORM بدايته في منتصف الثمانينيات ، عندما كان دور أجهزة الكمبيوتر يتغير بسرعة. سابقتها ، برنامج يسمى Schoonschip تم إنشاؤه بواسطة Martinus Veltman ، تم إصداره كشريحة متخصصة قمت بتوصيلها بجانب كمبيوتر Atari. أراد Vermaseren جعل برنامج يسهل الوصول إليه يمكن تنزيله من قبل الجامعات حول العالم. بدأ برمجته بلغة الكمبيوتر FORTRAN ، والتي تعني ترجمة الصيغة. كان اسم FORM عبارة عن ضجيج في ذلك. (تحول لاحقًا إلى لغة برمجة تسمى C.) أصدر Vermaseren برنامجه في عام 1980. وبحلول أوائل التسعينيات ، قامت أكثر من 1989 مؤسسة حول العالم بتنزيله ، واستمر العدد في الارتفاع.

منذ عام 2000 ، تم نشر ورقة بحثية في فيزياء الجسيمات تستشهد بـ FORM كل بضعة أيام ، في المتوسط. "معظم النتائج [عالية الدقة] التي حصلت عليها مجموعتنا في العشرين عامًا الماضية كانت تعتمد بشكل كبير على رمز FORM ،" توماس جيرمان، أستاذ في جامعة زيورخ.

جاءت بعض شعبية FORM من الخوارزميات المتخصصة التي تم إنشاؤها على مر السنين ، مثل خدعة لمضاعفة أجزاء معينة من مخطط Feynman بسرعة ، وإجراء لإعادة ترتيب المعادلات للحصول على أقل عدد ممكن من عمليات الضرب والإضافات. لكن أقدم وأقوى ميزة لـ FORM هي كيفية تعامله مع الذاكرة.

مثلما يمتلك البشر نوعان من الذاكرة ، الذاكرة قصيرة المدى وطويلة المدى ، فإن أجهزة الكمبيوتر لها نوعان: رئيسية وذاكرة خارجية. من السهل الوصول إلى الذاكرة الرئيسية - ذاكرة الوصول العشوائي للكمبيوتر الخاص بك - أثناء التنقل ولكنها محدودة الحجم. تحتوي أجهزة الذاكرة الخارجية مثل الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة على معلومات أكثر بكثير ولكنها أبطأ. لحل معادلة طويلة ، تحتاج إلى تخزينها في الذاكرة الرئيسية حتى تتمكن من التعامل معها بسهولة.

في الثمانينيات ، كان كلا النوعين من الذاكرة محدودًا. قال "تم إنشاء FORM في وقت لم تكن فيه ذاكرة تقريبًا ، وأيضًا لا توجد مساحة على القرص - لم يكن هناك شيء في الأساس" بن رويجل، طالب سابق لمطور Vermaseren's و FORM وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ. شكل هذا تحديًا: كانت المعادلات طويلة جدًا بحيث يتعذر على الذاكرة الرئيسية التعامل معها. لحساب واحد ، يحتاج نظام التشغيل الخاص بك إلى التعامل مع القرص الثابت كما لو كان ذاكرة رئيسية أيضًا. نظام التشغيل ، الذي لا يعرف حجم المعادلة التي تتوقعها ، يقوم بتخزين البيانات في مجموعة من "الصفحات" على القرص الصلب ، ويتم التبديل بينها بشكل متكرر حيث كانت هناك حاجة إلى قطع مختلفة - وهي عملية غير فعالة تسمى المبادلة.

FORM يتجاوز المبادلة ويستخدم أسلوبه الخاص. عند العمل باستخدام معادلة في FORM ، يخصص البرنامج لكل مصطلح مقدارًا ثابتًا من المساحة على القرص الثابت. تتيح هذه التقنية للبرنامج تتبع مكان أجزاء المعادلة بسهولة أكبر. كما أنه يجعل من السهل إعادة تلك القطع إلى الذاكرة الرئيسية عند الحاجة إليها دون الوصول إلى الباقي.

نمت الذاكرة منذ الأيام الأولى لـ FORM ، من 128 كيلو بايت من ذاكرة الوصول العشوائي في Atari 130XE في عام 1985 إلى 128 جيجا بايت من ذاكرة الوصول العشوائي في سطح المكتب الذي تم تحسينه - وهو تحسن بمليون ضعف. لكن الحيل التي طورها Vermaseren لا تزال حاسمة. نظرًا لأن علماء فيزياء الجسيمات يتعمقون في بيانات بيتابايت من مصادم الهادرونات الكبير للبحث عن دليل على جسيمات جديدة ، فإن حاجتهم إلى الدقة ، وبالتالي طول معادلاتهم ، تزداد.

قال رويجل: "ستبقى هذه الأشياء ذات صلة إلى الأبد ، مهما كبرت الذاكرة ، لأن هناك دائمًا مشكلة فيزيائية يمكن أن تدفعها إلى ما هو أبعد من حجم الذاكرة".

نمت قدرات الكمبيوتر بشكل كبير تقريبًا ، حيث تضاعفت كل عامين تقريبًا. لكن هناك أشكال نمو أسرع من النمو المتسارع. ضع في اعتبارك مهمة كتابة ثلاثة أحرف - أ ، ب ، ج - في جميع الطلبات الممكنة. هناك ثلاثة اختيارات للحرف الأول (أ أو ب أو ج) ، واثنان للحرف الثاني ، وواحد للثالث. يتم قياس المشكلة على أنها عاملي ، وهي علاقة رياضية تنمو بشكل أسرع من النمو الأسي. تظهر العوامل في كثير من الأحيان عندما تحاول حساب التوليفات المحتملة للأشياء ، مثل جميع مخططات فاينمان المختلفة التي يمكنك رسمها لمجموعة من الجسيمات المتصادمة. إن النمو الضريبي لحسابات فيزياء الجسيمات هذه يفوق النمو الأسي لقوة الحوسبة.

على الرغم من أهمية البرمجيات مثل FORM بالنسبة للفيزياء ، فإن الجهود المبذولة لتطويرها غالبًا ما تكون أقل من قيمتها الحقيقية. كان Vermaseren محظوظًا لأنه شغل منصبًا دائمًا في المعهد الوطني للفيزياء دون الذرية في هولندا ، ورئيسًا أعرب عن تقديره للمشروع. لكن مثل هذا الحظ يصعب الحصول عليه. ستيفانو لابورتا ، عالم فيزياء إيطالي تطور خوارزمية تبسيط حاسمة للميدان ، أمضى معظم حياته المهنية دون تمويل للطلاب أو المعدات. تميل الجامعات إلى تتبع سجلات منشورات العلماء ، مما يعني أن أولئك الذين يعملون في البنية التحتية الحيوية غالبًا ما يتم تجاوزهم للتعيين أو التثبيت.

قال Vermaseren: "لقد رأيت على مر السنين ، باستمرار ، أن الأشخاص الذين يقضون الكثير من الوقت على أجهزة الكمبيوتر لا يحصلون على وظيفة ثابتة في الفيزياء".

قال رويجل: "ربما يكون إنتاج نتائج مادية حقًا أكثر شهرة من العمل على الأدوات".

بينما يعمل عدد قليل من الفيزيائيين الأصغر سنًا مثل Ruijl على FORM بشكل متقطع ، من أجل حياتهم المهنية يحتاجون إلى قضاء معظم وقتهم في أبحاث أخرى. هذا يترك الكثير من المسؤولية لتطوير FORM في أيدي Vermaseren ، الذي هو الآن متقاعد في الغالب.

بدون التطوير المستمر ، سيصبح FORM أقل قابلية للاستخدام - فقط قادر على التفاعل مع كود الكمبيوتر القديم ، وغير متوافق مع كيفية تعلم طلاب اليوم البرمجة. سوف يلتزم المستخدمون المتمرسون بها ، لكن الباحثين الأصغر سنًا سيتبنون برامج جبر الكمبيوتر البديلة مثل Mathematica التي تكون أكثر سهولة في الاستخدام ولكنها أبطأ من حيث الحجم. في الممارسة العملية ، سيقرر العديد من هؤلاء الفيزيائيين أن بعض المشكلات محظورة - يصعب التعامل معها. لذا فإن فيزياء الجسيمات ستتوقف ، ولن يتمكن سوى عدد قليل من الناس من العمل على أصعب الحسابات.

في أبريل ، تعقد Vermaseren قمة لمستخدمي FORM للتخطيط للمستقبل. سيناقشون كيفية إبقاء FORM على قيد الحياة: كيفية الحفاظ عليه وتوسيعه ، وكيفية إظهار مقدار ما يمكن أن يفعله لجيل جديد من الطلاب. مع الحظ والعمل الجاد والتمويل ، قد يحافظون على واحدة من أقوى الأدوات في الفيزياء.