अप्रचलन के जोखिम पर कण भौतिकी के लिए महत्वपूर्ण कंप्यूटर प्रोग्राम

हाल ही में, मैंने एक साथी कण भौतिक विज्ञानी को एक गणना के बारे में बात करते हुए देखा, जिसे उन्होंने सटीकता की एक नई ऊंचाई तक पहुँचाया था। उसका उपकरण? 1980 के दशक का कंप्यूटर प्रोग्राम जिसे FORM कहा जाता है।

कण भौतिक विज्ञानी पूरे विज्ञान में कुछ सबसे लंबे समीकरणों का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में टकराव में नए प्राथमिक कणों के संकेतों को देखने के लिए, वे फेनमैन आरेख नामक हजारों चित्र बनाते हैं जो संभावित टकराव के परिणामों को दर्शाते हैं, प्रत्येक एक जटिल सूत्र को कूटबद्ध करता है जो लाखों शब्दों का हो सकता है। पेन और पेपर के साथ इस तरह के फॉर्मूले को समेटना असंभव है; उन्हें कंप्यूटर से जोड़ना भी एक चुनौती है। बीजगणित के जो नियम हम स्कूल में सीखते हैं, वे गृहकार्य के लिए काफी तेज़ हैं, लेकिन कण भौतिकी के लिए वे दयनीय रूप से अक्षम हैं।

कंप्यूटर बीजगणित प्रणाली नामक प्रोग्राम इन कार्यों को संभालने का प्रयास करते हैं। और अगर आप दुनिया के सबसे बड़े समीकरणों को हल करना चाहते हैं, तो 33 साल के लिए एक कार्यक्रम सामने आया है: फॉर्म।

डच कण भौतिक विज्ञानी द्वारा विकसित जोस वर्मासेरेन, FORM कण भौतिकी के बुनियादी ढांचे का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है, जो सबसे कठिन गणनाओं के लिए आवश्यक है। हालाँकि, आश्चर्यजनक रूप से डिजिटल बुनियादी ढांचे के कई आवश्यक टुकड़ों के साथ, FORM का रखरखाव काफी हद तक एक व्यक्ति पर निर्भर करता है: स्वयं वर्मासेरेन। और 73 साल की उम्र में, वर्मासेरेन ने फॉर्म के विकास से पीछे हटना शुरू कर दिया है। एकेडेमिया की प्रोत्साहन संरचना के कारण, जो प्रकाशित पत्रों को पुरस्कृत करता है, सॉफ्टवेयर टूल्स को नहीं, कोई उत्तराधिकारी सामने नहीं आया है। यदि स्थिति नहीं बदलती है, तो कण भौतिकी को नाटकीय रूप से धीमा करने के लिए मजबूर किया जा सकता है।

FORM की शुरुआत 1980 के दशक के मध्य में हुई, जब कंप्यूटर की भूमिका तेजी से बदल रही थी। इसके पूर्ववर्ती, मार्टिनस वेल्टमैन द्वारा बनाए गए स्कून्सचिप नामक एक प्रोग्राम को एक विशेष चिप के रूप में जारी किया गया था जिसे आपने अटारी कंप्यूटर के साइड में प्लग किया था। वर्मासेरेन एक अधिक सुलभ कार्यक्रम बनाना चाहते थे जिसे दुनिया भर के विश्वविद्यालयों द्वारा डाउनलोड किया जा सके। उन्होंने इसे कंप्यूटर भाषा फोरट्रान में प्रोग्राम करना शुरू किया, जो फॉर्मूला ट्रांसलेशन के लिए है। फॉर्म नाम उस पर एक दरार था। (उन्होंने बाद में सी नामक एक प्रोग्रामिंग भाषा पर स्विच किया।) वर्मासेरेन ने 1989 में अपना सॉफ्टवेयर जारी किया।

2000 के बाद से, एक कण भौतिकी पेपर जो फॉर्म का हवाला देता है, हर कुछ दिनों में औसतन प्रकाशित किया गया है। "ज्यादातर [उच्च-परिशुद्धता] परिणाम जो हमारे समूह ने पिछले 20 वर्षों में प्राप्त किए थे, वे भारी रूप से फॉर्म कोड पर आधारित थे," कहा थॉमस गेहरमन, ज्यूरिख विश्वविद्यालय में प्रोफेसर।

FORM की कुछ लोकप्रियता विशेष एल्गोरिदम से आई है जो वर्षों में बनाए गए थे, जैसे कि एक फेनमैन आरेख के कुछ टुकड़ों को जल्दी से गुणा करने की एक ट्रिक, और समीकरणों को पुनर्व्यवस्थित करने की प्रक्रिया के रूप में संभव के रूप में कुछ गुणन और परिवर्धन। लेकिन FORM का सबसे पुराना और सबसे शक्तिशाली फायदा यह है कि यह मेमोरी को कैसे हैंडल करता है।

जैसे मनुष्य के पास दो प्रकार की मेमोरी होती है, शॉर्ट-टर्म और लॉन्ग-टर्म, कंप्यूटर के दो प्रकार होते हैं: मुख्य और बाहरी। मुख्य मेमोरी - आपके कंप्यूटर की रैम - आसानी से एक्सेस की जा सकती है लेकिन आकार में सीमित है। बाहरी मेमोरी डिवाइस जैसे हार्ड डिस्क और सॉलिड-स्टेट ड्राइव में बहुत अधिक जानकारी होती है लेकिन धीमी होती है। एक लंबे समीकरण को हल करने के लिए, आपको इसे मुख्य मेमोरी में संग्रहित करना होगा ताकि आप इसके साथ आसानी से काम कर सकें।

80 के दशक में, दोनों प्रकार की मेमोरी सीमित थी। "फ़ॉर्म ऐसे समय में बनाया गया था जब लगभग कोई मेमोरी नहीं थी, और कोई डिस्क स्थान भी नहीं था - मूल रूप से कुछ भी नहीं था," कहा बेन रुइजलVermaseren's और FORM डेवलपर के पूर्व छात्र, जो अब स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी ज्यूरिख में पोस्टडॉक्टोरल शोधकर्ता हैं। इसने एक चुनौती पेश की: मुख्य स्मृति को संभालने के लिए समीकरण बहुत लंबे थे। एक की गणना करने के लिए, आपके ऑपरेटिंग सिस्टम को आपकी हार्ड डिस्क का इलाज करने की आवश्यकता होती है जैसे कि वह मुख्य मेमोरी भी थी। ऑपरेटिंग सिस्टम, यह नहीं जानता कि आपका समीकरण कितना बड़ा होने की उम्मीद है, डेटा को हार्ड डिस्क पर "पृष्ठों" के संग्रह में संग्रहीत करेगा, अक्सर उनके बीच स्विच करना क्योंकि अलग-अलग टुकड़ों की आवश्यकता होती है - स्वैपिंग नामक एक अक्षम प्रक्रिया।

FORM अदला-बदली को बायपास करता है और अपनी तकनीक का उपयोग करता है। जब आप फॉर्म में एक समीकरण के साथ काम करते हैं, तो प्रोग्राम प्रत्येक शब्द को हार्ड डिस्क पर एक निश्चित मात्रा में स्थान प्रदान करता है। यह तकनीक सॉफ़्टवेयर को अधिक आसानी से ट्रैक करने देती है कि समीकरण के टुकड़े कहाँ हैं। यह उन टुकड़ों को मुख्य मेमोरी में वापस लाना भी आसान बनाता है, जब उनकी आवश्यकता होती है, बाकी को एक्सेस किए बिना।

फॉर्म के शुरुआती दिनों से मेमोरी बढ़ी है, 128 में अटारी 130XE में 1985 किलोबाइट रैम से लेकर मेरे सूप-अप डेस्कटॉप में 128 गीगाबाइट रैम - एक लाख गुना सुधार। लेकिन वर्मासेरेन द्वारा विकसित चालें महत्वपूर्ण बनी हुई हैं। जैसा कि कण भौतिकविदों ने बड़े हैड्रोन कोलाइडर से डेटा के पेटाबाइट्स के माध्यम से नए कणों के साक्ष्य की खोज के लिए खोज की है, उनकी सटीकता की आवश्यकता है, और इस प्रकार उनके समीकरणों की लंबाई लंबी हो जाती है।

रुइजल ने कहा, "ये चीजें हमेशा प्रासंगिक रहेंगी, चाहे स्मृति कितनी भी बड़ी क्यों न हो, क्योंकि हमेशा एक भौतिकी समस्या होती है जो इसे स्मृति के आकार से परे धकेल सकती है।"

कंप्यूटर की क्षमताएं मोटे तौर पर तेजी से बढ़ी हैं, हर दो साल में दोगुनी हो गई हैं। लेकिन घातीय वृद्धि की तुलना में विकास के तेज़ रूप हैं। सभी संभावित क्रमों में तीन अक्षर - ए, बी और सी - लिखने के कार्य पर विचार करें। पहले अक्षर के लिए तीन विकल्प हैं (a, b या c), दूसरे के लिए दो और तीसरे के लिए एक। समस्या एक फैक्टोरियल के रूप में मापती है, एक गणितीय संबंध जो घातीय वृद्धि से भी तेज़ी से बढ़ता है। फैक्टोरियल्स अक्सर दिखाई देते हैं जब आप चीजों के संभावित संयोजनों को गिनने की कोशिश करते हैं, जैसे कि सभी अलग-अलग फेनमैन आरेख जो आप टकराने वाले कणों के एक सेट के लिए बना सकते हैं। इन कण भौतिकी गणनाओं की तथ्यात्मक वृद्धि कंप्यूटिंग शक्ति की घातीय वृद्धि को पीछे छोड़ देती है।

भौतिकी के लिए FORM जैसा सॉफ्टवेयर जितना महत्वपूर्ण है, इसे विकसित करने के प्रयास को अक्सर कम आंका जाता है। वर्मासेरेन भाग्यशाली थे कि उनके पास नीदरलैंड में नेशनल इंस्टीट्यूट फॉर सबएटोमिक फिजिक्स में एक स्थायी पद था, और एक बॉस जिसने परियोजना की सराहना की। लेकिन ऐसा नसीब मुश्किल से मिलता है। स्टेफानो लापोर्टा, एक इतालवी भौतिक विज्ञानी जिन्होंने विकसित किया एक महत्वपूर्ण सरलीकरण एल्गोरिथ्म क्षेत्र के लिए, छात्रों या उपकरणों के लिए धन के बिना अपने करियर का अधिकांश समय व्यतीत किया है। विश्वविद्यालय वैज्ञानिकों के प्रकाशन रिकॉर्ड को ट्रैक करते हैं, जिसका अर्थ है कि जो लोग महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे पर काम करते हैं, उन्हें अक्सर काम पर रखने या कार्यकाल के लिए छोड़ दिया जाता है।

वर्मासेरेन ने कहा, "मैंने वर्षों से लगातार देखा है कि जो लोग कंप्यूटर पर बहुत समय बिताते हैं उन्हें भौतिकी में एक कार्यकाल की नौकरी नहीं मिलती है।"

"यह अधिक प्रतिष्ठित है, हो सकता है, वास्तव में उपकरणों पर काम करने की तुलना में भौतिक परिणाम उत्पन्न करने के लिए," रुइजल ने कहा।

जबकि रुइजल जैसे कुछ युवा भौतिक विज्ञानी फार्म पर छिटपुट रूप से काम करते हैं, अपने करियर के लिए उन्हें अपना अधिकांश समय अन्य शोधों पर खर्च करने की आवश्यकता होती है। इससे फार्म के विकास की अधिकांश जिम्मेदारी वर्मसेरेन के हाथों में रह जाती है, जो अब ज्यादातर सेवानिवृत्त हो चुके हैं।

चल रहे विकास के बिना, फॉर्म कम और कम उपयोग करने योग्य हो जाएगा - केवल पुराने कंप्यूटर कोड के साथ बातचीत करने में सक्षम, और आज के छात्र कैसे प्रोग्राम करना सीखते हैं, इसके साथ गठबंधन नहीं किया गया। अनुभवी उपयोगकर्ता इसके साथ चिपके रहेंगे, लेकिन युवा शोधकर्ता मैथमैटिका जैसे वैकल्पिक कंप्यूटर बीजगणित कार्यक्रमों को अपनाएंगे जो अधिक उपयोगकर्ता के अनुकूल हैं लेकिन परिमाण धीमी गति के आदेश हैं। व्यवहार में, इनमें से कई भौतिक विज्ञानी तय करेंगे कि कुछ समस्याएं ऑफ-लिमिट हैं - संभालना बहुत मुश्किल है। तो कण भौतिकी ठप हो जाएगी, केवल कुछ ही लोग सबसे कठिन गणनाओं पर काम कर पाएंगे।

अप्रैल में, वर्मासेरेन भविष्य की योजना बनाने के लिए फॉर्म उपयोगकर्ताओं का शिखर सम्मेलन आयोजित कर रहा है। वे चर्चा करेंगे कि फॉर्म को कैसे जीवित रखा जाए: इसे कैसे बनाए रखा जाए और बढ़ाया जाए, और छात्रों की एक नई पीढ़ी को कैसे दिखाया जाए कि यह कितना कुछ कर सकता है। भाग्य, कड़ी मेहनत और धन के साथ, वे भौतिकी में सबसे शक्तिशाली उपकरणों में से एक को सुरक्षित रख सकते हैं।