Introduzione
Di recente, ho visto un collega fisico delle particelle parlare di un calcolo che aveva spinto a un nuovo livello di precisione. Il suo strumento? Un programma per computer degli anni '1980 chiamato FORM.
I fisici delle particelle usano alcune delle equazioni più lunghe di tutta la scienza. Per cercare segni di nuove particelle elementari nelle collisioni al Large Hadron Collider, ad esempio, disegnano migliaia di immagini chiamate diagrammi di Feynman che descrivono i possibili esiti delle collisioni, ciascuna delle quali codifica una formula complicata che può essere lunga milioni di termini. Sommare formule come queste con carta e penna è impossibile; anche aggiungerli con i computer è una sfida. Le regole di algebra che impariamo a scuola sono abbastanza veloci per i compiti, ma per la fisica delle particelle sono terribilmente inefficienti.
I programmi chiamati sistemi di computer algebra si sforzano di gestire questi compiti. E se vuoi risolvere le più grandi equazioni del mondo, da 33 anni un programma si distingue: FORM.
Sviluppato dal fisico delle particelle olandese Jos Vermaseren, FORM è una parte fondamentale dell'infrastruttura della fisica delle particelle, necessaria per i calcoli più difficili. Tuttavia, come sorprendentemente per molti elementi essenziali dell'infrastruttura digitale, la manutenzione di FORM dipende in gran parte da una sola persona: lo stesso Vermaseren. E a 73 anni, Vermaseren ha iniziato a fare un passo indietro rispetto allo sviluppo di FORM. A causa della struttura di incentivi del mondo accademico, che premia gli articoli pubblicati, non gli strumenti software, non è emerso alcun successore. Se la situazione non cambia, la fisica delle particelle potrebbe essere costretta a rallentare drasticamente.
FORM ha avuto inizio a metà degli anni '1980, quando il ruolo dei computer stava cambiando rapidamente. Il suo predecessore, un programma chiamato Schoonschip creato da Martinus Veltman, è stato rilasciato come un chip specializzato che hai inserito nel lato di un computer Atari. Vermaseren voleva creare un programma più accessibile che potesse essere scaricato dalle università di tutto il mondo. Ha iniziato a programmarlo nel linguaggio informatico FORTRAN, che sta per Formula Translation. Il nome FORM era un riff su questo. (In seguito è passato a un linguaggio di programmazione chiamato C.) Vermaseren ha rilasciato il suo software nel 1989. All'inizio degli anni '90, oltre 200 istituzioni in tutto il mondo lo avevano scaricato e il numero continuava a salire.
Dal 2000, un documento di fisica delle particelle che cita FORM è stato pubblicato in media ogni pochi giorni. "La maggior parte dei risultati [di alta precisione] che il nostro gruppo ha ottenuto negli ultimi 20 anni erano fortemente basati sul codice FORM", ha affermato Tommaso Gehrmann, professore all'Università di Zurigo.
Parte della popolarità di FORM è derivata da algoritmi specializzati che sono stati sviluppati nel corso degli anni, come un trucco per moltiplicare rapidamente alcuni pezzi di un diagramma di Feynman e una procedura per riorganizzare le equazioni per avere il minor numero possibile di moltiplicazioni e addizioni. Ma il vantaggio più antico e potente di FORM è il modo in cui gestisce la memoria.
Proprio come gli esseri umani hanno due tipi di memoria, a breve ea lungo termine, i computer ne hanno due: principale ed esterna. La memoria principale, la RAM del tuo computer, è di facile accesso al volo ma di dimensioni limitate. I dispositivi di memoria esterni come i dischi rigidi e le unità a stato solido contengono molte più informazioni ma sono più lenti. Per risolvere una lunga equazione, devi salvarla nella memoria principale in modo da poterci lavorare facilmente.
Negli anni '80 entrambi i tipi di memoria erano limitati. "FORM è stato costruito in un'epoca in cui non c'era quasi memoria, e nemmeno spazio su disco - praticamente non c'era niente", ha detto Ben Ruijl, un ex studente di Vermaseren e sviluppatore FORM che ora è ricercatore post-dottorato presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo. Ciò rappresentava una sfida: le equazioni erano troppo lunghe per essere gestite dalla memoria principale. Per calcolarne uno, il tuo sistema operativo doveva trattare il tuo disco rigido come se fosse anche la memoria principale. Il sistema operativo, non sapendo quanto grande dovrebbe essere la tua equazione, memorizzerebbe i dati in una raccolta di "pagine" sul disco rigido, passando frequentemente da una all'altra quando erano necessari pezzi diversi: un processo inefficiente chiamato scambio.
FORM ignora lo scambio e utilizza la propria tecnica. Quando si lavora con un'equazione in FORM, il programma assegna a ciascun termine una quantità fissa di spazio sul disco rigido. Questa tecnica consente al software di tenere traccia più facilmente di dove si trovano i pezzi di un'equazione. Rende anche facile riportare quei pezzi nella memoria principale quando sono necessari senza accedere al resto.
La memoria è cresciuta dai primi giorni di FORM, da 128 kilobyte di RAM nell'Atari 130XE nel 1985 a 128 gigabyte di RAM nel mio desktop truccato: un miglioramento di un milione di volte. Ma i trucchi sviluppati da Vermaseren rimangono cruciali. Mentre i fisici delle particelle esaminano petabyte di dati dal Large Hadron Collider per cercare prove di nuove particelle, il loro bisogno di precisione, e quindi la lunghezza delle loro equazioni, cresce più a lungo.
"Queste cose rimarranno per sempre rilevanti, per quanto grande cresca la memoria, perché c'è sempre un problema di fisica che può spingerla oltre la dimensione della memoria", ha detto Ruijl.
Le capacità dei computer sono cresciute all'incirca in modo esponenziale, raddoppiando circa ogni due anni. Ma ci sono forme di crescita più veloci della crescita esponenziale. Considera il compito di scrivere tre lettere - a, b e c - in tutti gli ordini possibili. Sono disponibili tre scelte per la prima lettera (a, b o c), due per la seconda e una per la terza. Il problema scala come fattoriale, una relazione matematica che cresce ancora più velocemente della crescita esponenziale. I fattoriali si presentano spesso quando provi a contare le possibili combinazioni di cose, come tutti i diversi diagrammi di Feynman che puoi disegnare per un insieme di particelle in collisione. La crescita fattoriale di questi calcoli di fisica delle particelle supera la crescita esponenziale della potenza di calcolo.
Per quanto sia cruciale un software come FORM per la fisica, lo sforzo per svilupparlo è spesso sottovalutato. Vermaseren ebbe la fortuna di avere un posto fisso presso l'Istituto Nazionale di Fisica Subatomica nei Paesi Bassi e un capo che apprezzò il progetto. Ma una tale fortuna è difficile da ottenere. Stefano Laporta, un fisico italiano che ha sviluppato un fondamentale algoritmo di semplificazione per il campo, ha trascorso la maggior parte della sua carriera senza fondi per studenti o attrezzature. Le università tendono a tenere traccia dei registri delle pubblicazioni degli scienziati, il che significa che coloro che lavorano su infrastrutture critiche vengono spesso ignorati per l'assunzione o il mandato.
"Ho visto negli anni, costantemente, che le persone che trascorrono molto tempo sui computer non ottengono un lavoro di ruolo in fisica", ha detto Vermaseren.
"È più prestigioso, forse, produrre effettivamente risultati fisici piuttosto che lavorare sugli strumenti", ha affermato Ruijl.
Mentre alcuni fisici più giovani come Ruijl lavorano sporadicamente su FORM, per il bene della loro carriera hanno bisogno di dedicare la maggior parte del loro tempo ad altre ricerche. Ciò lascia gran parte della responsabilità dello sviluppo di FORM nelle mani di Vermaseren, che ora è per lo più in pensione.
Senza uno sviluppo continuo, FORM diventerà sempre meno utilizzabile, in grado di interagire solo con il vecchio codice del computer e non allineato con il modo in cui gli studenti di oggi imparano a programmare. Gli utenti esperti lo seguiranno, ma i ricercatori più giovani adotteranno programmi di algebra informatica alternativi come Mathematica che sono più intuitivi ma più lenti di ordini di grandezza. In pratica, molti di questi fisici decideranno che certi problemi sono vietati, troppo difficili da gestire. Quindi la fisica delle particelle si fermerà, con solo poche persone in grado di lavorare sui calcoli più difficili.
Ad aprile, Vermaseren terrà un vertice degli utenti di FORM per pianificare il futuro. Discuteranno su come mantenere in vita FORM: come mantenerlo ed estenderlo e come mostrare a una nuova generazione di studenti quanto può fare. Con fortuna, duro lavoro e finanziamenti, possono preservare uno degli strumenti più potenti della fisica.
