Introduktion
For nylig så jeg en kollega partikelfysiker fortælle om en beregning, han havde skubbet til en ny højde af præcision. Hans værktøj? Et computerprogram fra 1980'erne kaldet FORM.
Partikelfysikere bruger nogle af de længste ligninger i hele videnskaben. For at lede efter tegn på nye elementarpartikler i kollisioner ved Large Hadron Collider, for eksempel, tegner de tusindvis af billeder kaldet Feynman-diagrammer, der afbilder mulige kollisionsudfald, hver af dem koder for en kompliceret formel, der kan være millioner af termer lange. At summere formler som disse med pen og papir er umuligt; selv at tilføje dem med computere er en udfordring. De algebraregler, vi lærer i skolen, er hurtige nok til lektier, men for partikelfysik er de sørgeligt ineffektive.
Programmer kaldet computeralgebrasystemer stræber efter at håndtere disse opgaver. Og hvis du vil løse de største ligninger i verden, har ét program skilt sig ud i 33 år: FORM.
Udviklet af den hollandske partikelfysiker Jos Vermaseren, FORM er en central del af partikelfysikkens infrastruktur, nødvendig for de sværeste beregninger. Men som med overraskende mange væsentlige dele af digital infrastruktur, hviler FORMs vedligeholdelse i høj grad på én person: Vermaseren selv. Og som 73-årig er Vermaseren begyndt at træde tilbage fra FORM-udviklingen. På grund af den akademiske incitamentsstruktur, som præmierer offentliggjorte artikler, ikke softwareværktøjer, er der ikke opstået nogen efterfølger. Hvis situationen ikke ændrer sig, kan partikelfysikken blive tvunget til at bremse dramatisk.
FORM fik sin start i midten af 1980'erne, hvor computernes rolle ændrede sig hurtigt. Dens forgænger, et program kaldet Schoonschip skabt af Martinus Veltman, blev udgivet som en specialiseret chip, som du tilsluttede siden af en Atari-computer. Vermaseren ønskede at lave et mere tilgængeligt program, som kunne downloades af universiteter rundt om i verden. Han begyndte at programmere det på computersproget FORTRAN, som står for formeloversættelse. Navnet FORM var et riff på det. (Han skiftede senere til et programmeringssprog kaldet C.) Vermaseren udgav sin software i 1989. I begyndelsen af 90'erne havde over 200 institutioner rundt om i verden downloadet den, og antallet blev ved med at stige.
Siden 2000 er der i gennemsnit udgivet et partikelfysikpapir, der citerer FORM med få dages mellemrum. "De fleste af de [højpræcisions] resultater, som vores gruppe opnåede i de sidste 20 år, var stærkt baseret på FORM-kode," sagde Thomas Gehrmann, professor ved universitetet i Zürich.
Nogle af FORMs popularitet kom fra specialiserede algoritmer, der blev bygget op gennem årene, såsom et trick til hurtigt at multiplicere visse stykker af et Feynman-diagram og en procedure til at omarrangere ligninger for at have så få multiplikationer og additioner som muligt. Men FORMs ældste og mest kraftfulde fordel er, hvordan den håndterer hukommelsen.
Ligesom mennesker har to typer hukommelse, kortsigtet og langsigtet, har computere to typer: hoved og ekstern. Hovedhukommelsen - din computers RAM - er nem at få adgang til, men begrænset i størrelse. Eksterne hukommelsesenheder som harddiske og solid-state-drev indeholder meget mere information, men er langsommere. For at løse en lang ligning skal du gemme den i hovedhukommelsen, så du nemt kan arbejde med den.
I 80'erne var begge typer hukommelse begrænset. "FORM blev bygget i en tid, hvor der næsten ingen hukommelse var, og heller ingen diskplads - dybest set var der ingenting," sagde Ben Ruijl, en tidligere elev af Vermaseren's og FORM-udvikler, som nu er postdoc-forsker ved det schweiziske føderale institut for teknologi i Zürich. Dette udgjorde en udfordring: Ligninger var for lange til at hovedhukommelsen kunne håndtere. For at beregne en, skulle dit operativsystem behandle din harddisk, som om det også var hovedhukommelsen. Operativsystemet, der ikke vidste, hvor stor det skulle forvente, at din ligning ville være, ville gemme dataene i en samling af "sider" på harddisken, og skifte ofte mellem dem, da forskellige dele var nødvendige - en ineffektiv proces kaldet swapping.
FORM omgår bytte og bruger sin egen teknik. Når du arbejder med en ligning i FORM, tildeler programmet hvert led en fast mængde plads på harddisken. Denne teknik lader softwaren nemmere holde styr på, hvor dele af en ligning er. Det gør det også nemt at bringe disse stykker tilbage til hovedhukommelsen, når de er nødvendige uden at få adgang til resten.
Hukommelsen er vokset siden FORM's tidlige dage, fra 128 kilobyte RAM i Atari 130XE i 1985 til 128 gigabyte RAM på min opsummerede desktop - en millionfold forbedring. Men de tricks, som Vermaseren udviklede, er stadig afgørende. Efterhånden som partikelfysikere porerer gennem petabytes af data fra Large Hadron Collider for at søge efter beviser for nye partikler, bliver deres behov for præcision, og dermed længden af deres ligninger, længere.
"Disse ting vil for altid forblive relevante, uanset hvor stor hukommelsen vokser, fordi der altid er et fysikproblem, der kan skubbe det ud over størrelsen af hukommelsen," sagde Ruijl.
Computerkapaciteten er vokset nogenlunde eksponentielt og fordobles omkring hvert andet år. Men der er hurtigere former for vækst end eksponentiel vækst. Overvej opgaven med at skrive tre bogstaver - a, b og c - i alle mulige rækkefølger. Der er tre valgmuligheder for det første bogstav (a, b eller c), to for det andet og et for det tredje. Problemet skaleres som en faktoriel, en matematisk sammenhæng, der vokser endnu hurtigere end eksponentiel vækst. Faktorer dukker ofte op, når du forsøger at tælle mulige kombinationer af ting, såsom alle de forskellige Feynman-diagrammer, du kan tegne for et sæt kolliderende partikler. Den faktorielle vækst af disse partikelfysiske beregninger overstiger den eksponentielle vækst af computerkraft.
Lige så afgørende software som FORM er for fysik, er indsatsen for at udvikle den ofte undervurderet. Vermaseren var heldig, idet han havde en fast stilling ved National Institute for Subatomic Physics i Holland, og en chef, der satte pris på projektet. Men sådan et held er svært at opnå. Stefano Laporta, en italiensk fysiker, der udviklede en afgørende forenklingsalgoritme for området, har brugt det meste af sin karriere uden finansiering til studerende eller udstyr. Universiteter har en tendens til at spore videnskabsmænds publikationsregistreringer, hvilket betyder, at dem, der arbejder på kritisk infrastruktur, ofte bliver forbigået til ansættelse eller ansættelse.
"Jeg har konsekvent set gennem årene, at folk, der bruger meget tid på computere, ikke får et fastansættelsesjob i fysik," sagde Vermaseren.
"Det er måske mere prestigefyldt rent faktisk at producere fysiske resultater end at arbejde på værktøjer," sagde Ruijl.
Mens nogle få yngre fysikere som Ruijl arbejder sporadisk på FORM, skal de for deres karrieres skyld bruge det meste af deres tid på anden forskning. Det overlader en stor del af ansvaret for at udvikle FORM i hænderne på Vermaseren, som nu for det meste er pensioneret.
Uden løbende udvikling vil FORM blive mindre og mindre brugbar - kun i stand til at interagere med ældre computerkode og ikke tilpasset, hvordan nutidens elever lærer at programmere. Erfarne brugere vil holde fast i det, men yngre forskere vil tage alternative computeralgebraprogrammer som Mathematica, der er mere brugervenlige, men størrelsesordener langsommere. I praksis vil mange af disse fysikere beslutte, at visse problemer er off-limits - for svære at håndtere. Så partikelfysikken vil gå i stå, med kun få mennesker i stand til at arbejde på de sværeste beregninger.
I april afholder Vermaseren et topmøde for FORM-brugere for at planlægge fremtiden. De vil diskutere, hvordan man holder FORM i live: hvordan man vedligeholder og udvider den, og hvordan man viser en ny generation af elever, hvor meget den kan. Med held, hårdt arbejde og finansiering kan de bevare et af de mest kraftfulde værktøjer inden for fysik.
