Εισαγωγή
Πρόσφατα, παρακολούθησα έναν συνάδελφο σωματιδιακό φυσικό να μιλά για έναν υπολογισμό που είχε ωθήσει σε ένα νέο ύψος ακρίβειας. Το εργαλείο του; Ένα πρόγραμμα υπολογιστή της δεκαετίας του 1980 που ονομάζεται FORM.
Οι φυσικοί των σωματιδίων χρησιμοποιούν μερικές από τις μεγαλύτερες εξισώσεις σε όλη την επιστήμη. Για να αναζητήσουν σημάδια νέων στοιχειωδών σωματιδίων σε συγκρούσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, για παράδειγμα, σχεδιάζουν χιλιάδες εικόνες που ονομάζονται διαγράμματα Feynman που απεικονίζουν πιθανά αποτελέσματα σύγκρουσης, καθεμία από τις οποίες κωδικοποιεί έναν περίπλοκο τύπο που μπορεί να έχει εκατομμύρια όρους. Η άθροιση τύπων όπως αυτές με στυλό και χαρτί είναι αδύνατη. Ακόμη και η προσθήκη τους με υπολογιστές είναι μια πρόκληση. Οι κανόνες της άλγεβρας που μαθαίνουμε στο σχολείο είναι αρκετά γρήγοροι για την εργασία στο σπίτι, αλλά για τη σωματιδιακή φυσική είναι θλιβερά αναποτελεσματικοί.
Τα προγράμματα που ονομάζονται συστήματα άλγεβρας υπολογιστών προσπαθούν να χειριστούν αυτές τις εργασίες. Και αν θέλετε να λύσετε τις μεγαλύτερες εξισώσεις στον κόσμο, εδώ και 33 χρόνια ένα πρόγραμμα έχει ξεχωρίσει: ΜΟΡΦΗ.
Αναπτύχθηκε από τον Ολλανδό σωματιδιακό φυσικό Jos Vermaseren, Η ΜΟΡΦΗ είναι ένα βασικό μέρος της υποδομής της σωματιδιακής φυσικής, απαραίτητο για τους πιο δύσκολους υπολογισμούς. Ωστόσο, όπως και με εκπληκτικά πολλά βασικά κομμάτια ψηφιακής υποδομής, η συντήρηση του FORM βασίζεται σε μεγάλο βαθμό σε ένα άτομο: τον ίδιο τον Vermaseren. Και στα 73, ο Vermaseren έχει αρχίσει να αποχωρεί από την ανάπτυξη της FORM. Λόγω της δομής κινήτρων του ακαδημαϊκού χώρου, που βραβεύει δημοσιευμένες εργασίες και όχι εργαλεία λογισμικού, δεν έχει προκύψει διάδοχος. Εάν η κατάσταση δεν αλλάξει, η σωματιδιακή φυσική μπορεί να αναγκαστεί να επιβραδυνθεί δραματικά.
Το FORM ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 1980, όταν ο ρόλος των υπολογιστών άλλαζε ραγδαία. Ο προκάτοχός του, ένα πρόγραμμα που ονομάζεται Schoonschip που δημιουργήθηκε από τον Martinus Veltman, κυκλοφόρησε ως ένα εξειδικευμένο τσιπ που συνδέσατε στο πλάι ενός υπολογιστή Atari. Ο Vermaseren ήθελε να φτιάξει ένα πιο προσιτό πρόγραμμα που θα μπορούσε να το κατεβάσουν πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο. Άρχισε να το προγραμματίζει στη γλώσσα υπολογιστή FORTRAN, που σημαίνει Formula Translation. Το όνομα FORM ήταν ένα riff σε αυτό. (Αργότερα άλλαξε σε μια γλώσσα προγραμματισμού που ονομάζεται C.) Ο Vermaseren κυκλοφόρησε το λογισμικό του το 1989. Στις αρχές της δεκαετίας του '90, περισσότερα από 200 ιδρύματα σε όλο τον κόσμο το είχαν κατεβάσει και ο αριθμός συνεχώς ανέβαινε.
Από το 2000, μια εργασία φυσικής σωματιδίων που αναφέρει το FORM δημοσιεύεται κάθε λίγες μέρες, κατά μέσο όρο. «Τα περισσότερα από τα αποτελέσματα [υψηλής ακρίβειας] που έλαβε η ομάδα μας τα τελευταία 20 χρόνια βασίστηκαν σε μεγάλο βαθμό στον κώδικα FORM», είπε. Τόμας Γκέρμαν, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης.
Κάποια από τη δημοτικότητα του FORM προήλθε από εξειδικευμένους αλγόριθμους που δημιουργήθηκαν με τα χρόνια, όπως ένα τέχνασμα για τον γρήγορο πολλαπλασιασμό ορισμένων τμημάτων ενός διαγράμματος Feynman και μια διαδικασία για την αναδιάταξη των εξισώσεων ώστε να έχουν όσο το δυνατόν λιγότερους πολλαπλασιασμούς και προσθήκες. Αλλά το παλαιότερο και ισχυρότερο πλεονέκτημα του FORM είναι ο τρόπος με τον οποίο χειρίζεται τη μνήμη.
Όπως οι άνθρωποι έχουν δύο τύπους μνήμης, βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη, οι υπολογιστές έχουν δύο τύπους: κύρια και εξωτερική. Η κύρια μνήμη — η μνήμη RAM του υπολογιστή σας — είναι εύκολη στην πρόσβαση, αλλά περιορισμένο σε μέγεθος. Οι εξωτερικές συσκευές μνήμης, όπως οι σκληροί δίσκοι και οι μονάδες στερεάς κατάστασης, περιέχουν πολύ περισσότερες πληροφορίες, αλλά είναι πιο αργές. Για να λύσετε μια μεγάλη εξίσωση, πρέπει να την αποθηκεύσετε στην κύρια μνήμη, ώστε να μπορείτε να εργαστείτε εύκολα μαζί της.
Στη δεκαετία του '80 και οι δύο τύποι μνήμης ήταν περιορισμένοι. «Το FORM κατασκευάστηκε σε μια εποχή που δεν υπήρχε σχεδόν καθόλου μνήμη, ούτε χώρος στο δίσκο — βασικά δεν υπήρχε τίποτα», είπε. Ben Ruijl, πρώην μαθητής του Vermaseren και του προγραμματιστή FORM, ο οποίος τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης. Αυτό έθετε μια πρόκληση: Οι εξισώσεις ήταν πολύ μεγάλες για να χειριστεί η κύρια μνήμη. Για να υπολογίσετε ένα, το λειτουργικό σας σύστημα έπρεπε να χειριστεί τον σκληρό σας δίσκο σαν να ήταν και η κύρια μνήμη. Το λειτουργικό σύστημα, μη γνωρίζοντας πόσο μεγάλο να περιμένει κανείς να είναι η εξίσωσή σας, θα αποθηκεύει τα δεδομένα σε μια συλλογή «σελίδων» στον σκληρό δίσκο, συχνά εναλλάσσοντάς τους καθώς χρειάζονται διαφορετικά κομμάτια — μια αναποτελεσματική διαδικασία που ονομάζεται εναλλαγή.
Η FORM παρακάμπτει την ανταλλαγή και χρησιμοποιεί τη δική της τεχνική. Όταν εργάζεστε με μια εξίσωση σε ΜΟΡΦΗ, το πρόγραμμα εκχωρεί σε κάθε όρο ένα σταθερό χώρο στο σκληρό δίσκο. Αυτή η τεχνική επιτρέπει στο λογισμικό να παρακολουθεί πιο εύκολα πού βρίσκονται τα κομμάτια μιας εξίσωσης. Επίσης, διευκολύνει την επαναφορά αυτών των κομματιών στην κύρια μνήμη όταν χρειάζονται χωρίς πρόσβαση στα υπόλοιπα.
Η μνήμη έχει αυξηθεί από τις πρώτες μέρες του FORM, από 128 kilobyte μνήμης RAM στο Atari 130XE το 1985 σε 128 gigabytes RAM στον ανεπτυγμένο επιτραπέζιο υπολογιστή μου — μια εκατομμυριοπλάσια βελτίωση. Αλλά τα κόλπα που ανέπτυξε ο Vermaseren παραμένουν κρίσιμα. Καθώς οι φυσικοί των σωματιδίων διατρέχουν πεταμπάιτ δεδομένων από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων για να αναζητήσουν στοιχεία για νέα σωματίδια, η ανάγκη τους για ακρίβεια, και επομένως το μήκος των εξισώσεών τους, μεγαλώνει.
«Αυτά τα πράγματα θα παραμείνουν για πάντα σχετικά, όσο μεγάλη κι αν μεγαλώσει η μνήμη, γιατί υπάρχει πάντα ένα πρόβλημα φυσικής που μπορεί να το ωθήσει πέρα από το μέγεθος της μνήμης», είπε ο Ruijl.
Οι δυνατότητες των υπολογιστών έχουν αυξηθεί κατά προσέγγιση εκθετικά, διπλασιάζοντας περίπου κάθε δύο χρόνια. Υπάρχουν όμως πιο γρήγορες μορφές ανάπτυξης από την εκθετική ανάπτυξη. Εξετάστε το καθήκον να γράψετε τρία γράμματα — a, b και c — σε όλες τις πιθανές διαταγές. Υπάρχουν τρεις επιλογές για το πρώτο γράμμα (a, b ή c), δύο για το δεύτερο και μία για το τρίτο. Το πρόβλημα κλιμακώνεται ως παραγοντική, μια μαθηματική σχέση που αναπτύσσεται ακόμη πιο γρήγορα από την εκθετική ανάπτυξη. Τα παραγοντικά εμφανίζονται συχνά όταν προσπαθείτε να μετρήσετε πιθανούς συνδυασμούς πραγμάτων, όπως όλα τα διαφορετικά διαγράμματα Feynman που μπορείτε να σχεδιάσετε για ένα σύνολο συγκρουόμενων σωματιδίων. Η παραγοντική ανάπτυξη αυτών των υπολογισμών της σωματιδιακής φυσικής ξεπερνά την εκθετική αύξηση της υπολογιστικής ισχύος.
Όσο κρίσιμο κι αν είναι λογισμικό όπως το FORM για τη φυσική, η προσπάθεια ανάπτυξής του συχνά υποτιμάται. Ο Βερμάσερεν ήταν τυχερός καθώς είχε μια μόνιμη θέση στο Εθνικό Ινστιτούτο Υποατομικής Φυσικής στην Ολλανδία και ένα αφεντικό που εκτιμούσε το έργο. Αλλά τέτοια τύχη είναι δύσκολο να έρθει. Στέφανο Λαπόρτα, Ιταλός φυσικός που ανέπτυξε έναν κρίσιμο αλγόριθμο απλοποίησης για τον τομέα, έχει περάσει το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του χωρίς χρηματοδότηση για φοιτητές ή εξοπλισμό. Τα πανεπιστήμια τείνουν να παρακολουθούν τα αρχεία δημοσιεύσεων των επιστημόνων, πράγμα που σημαίνει ότι όσοι εργάζονται σε υποδομές ζωτικής σημασίας συχνά μεταβιβάζονται για πρόσληψη ή θητεία.
«Έχω δει με τα χρόνια, σταθερά, ότι οι άνθρωποι που ξοδεύουν πολύ χρόνο στους υπολογιστές δεν βρίσκουν θητεία στη φυσική», είπε ο Vermaseren.
«Είναι πιο γοητευτικό, ίσως, να παράγεις πραγματικά φυσικά αποτελέσματα παρά να εργάζεσαι σε εργαλεία», είπε ο Ruijl.
Ενώ μερικοί νεότεροι φυσικοί όπως ο Ruijl εργάζονται στο FORM σποραδικά, για χάρη της καριέρας τους πρέπει να αφιερώνουν τον περισσότερο χρόνο τους σε άλλες έρευνες. Αυτό αφήνει μεγάλο μέρος της ευθύνης για την ανάπτυξη του FORM στα χέρια του Vermaseren, ο οποίος είναι πλέον ως επί το πλείστον συνταξιούχος.
Χωρίς συνεχή ανάπτυξη, το FORM θα γίνεται όλο και λιγότερο χρησιμοποιήσιμο — θα μπορεί να αλληλεπιδρά μόνο με παλαιότερο κώδικα υπολογιστή και όχι να ευθυγραμμίζεται με τον τρόπο με τον οποίο οι σημερινοί μαθητές μαθαίνουν να προγραμματίζουν. Οι έμπειροι χρήστες θα μείνουν σε αυτό, αλλά οι νεότεροι ερευνητές θα υιοθετήσουν εναλλακτικά προγράμματα άλγεβρας υπολογιστών, όπως το Mathematica, που είναι πιο φιλικά προς τον χρήστη, αλλά τάξεις μεγέθους πιο αργά. Στην πράξη, πολλοί από αυτούς τους φυσικούς θα αποφασίσουν ότι ορισμένα προβλήματα είναι εκτός ορίων — πολύ δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Έτσι, η σωματιδιακή φυσική θα σταματήσει, με λίγους μόνο ανθρώπους να μπορούν να δουλέψουν στους πιο δύσκολους υπολογισμούς.
Τον Απρίλιο, η Vermaseren διοργανώνει μια σύνοδο κορυφής χρηστών FORM για να σχεδιάσει το μέλλον. Θα συζητήσουν πώς να διατηρήσουν τη FORM ζωντανή: πώς να τη διατηρήσουν και να την επεκτείνουν και πώς να δείξουν σε μια νέα γενιά μαθητών πόσα μπορεί να κάνει. Με τύχη, σκληρή δουλειά και χρηματοδότηση, μπορεί να διατηρήσουν ένα από τα πιο ισχυρά εργαλεία στη φυσική.
