Introducere
Recent, am văzut un coleg în fizica particulelor vorbind despre un calcul pe care îl împinsese la o nouă culme de precizie. Instrumentul lui? Un program de calculator din epoca anilor 1980 numit FORM.
Fizicienii particulelor folosesc unele dintre cele mai lungi ecuații din toată știința. Pentru a căuta semne de noi particule elementare în ciocnirile de la Large Hadron Collider, de exemplu, ei desenează mii de imagini numite diagrame Feynman care descriu posibilele rezultate ale coliziunilor, fiecare codând o formulă complicată care poate avea o lungime de milioane de termeni. Însumarea unor formule ca acestea cu pix și hârtie este imposibil; chiar și adăugarea lor cu computere este o provocare. Regulile de algebră pe care le învățăm la școală sunt suficient de rapide pentru teme, dar pentru fizica particulelor sunt teribil de ineficiente.
Programele numite sisteme de algebră computerizată se străduiesc să gestioneze aceste sarcini. Și dacă vrei să rezolvi cele mai mari ecuații din lume, de 33 de ani s-a remarcat un program: FORM.
Dezvoltat de fizicianul olandez al particulelor Jos Vermaseren, FORM este o parte cheie a infrastructurii fizicii particulelor, necesară pentru cele mai grele calcule. Cu toate acestea, la fel ca în mod surprinzător de multe piese esențiale ale infrastructurii digitale, întreținerea FORM se bazează în mare parte pe o singură persoană: Vermaseren însuși. Și la 73 de ani, Vermaseren a început să se retragă de la dezvoltarea FORM. Datorită structurii de stimulente a mediului academic, care premiază lucrările publicate, nu instrumentele software, nu a apărut niciun succesor. Dacă situația nu se schimbă, fizica particulelor poate fi forțată să încetinească dramatic.
FORM a început la mijlocul anilor 1980, când rolul computerelor se schimba rapid. Predecesorul său, un program numit Schoonschip creat de Martinus Veltman, a fost lansat ca un cip specializat pe care îl conectați în partea laterală a unui computer Atari. Vermaseren a vrut să facă un program mai accesibil, care să poată fi descărcat de universitățile din întreaga lume. A început să-l programeze în limbajul de calculator FORTRAN, care înseamnă Formula Translation. Numele FORM a fost un riff pe asta. (El a trecut mai târziu la un limbaj de programare numit C.) Vermaseren și-a lansat software-ul în 1989. Până la începutul anilor '90, peste 200 de instituții din întreaga lume îl descărcaseră, iar numărul a continuat să crească.
Din 2000, o lucrare de fizica a particulelor care citează FORM a fost publicată la fiecare câteva zile, în medie. „Majoritatea rezultatelor [de înaltă precizie] pe care le-a obținut grupul nostru în ultimii 20 de ani s-au bazat în mare parte pe codul FORM”, a spus Thomas Gehrmann, profesor la Universitatea din Zurich.
O parte din popularitatea FORM a venit de la algoritmi specializați care au fost construiți de-a lungul anilor, cum ar fi un truc pentru înmulțirea rapidă a anumitor părți dintr-o diagramă Feynman și o procedură de rearanjare a ecuațiilor pentru a avea cât mai puține înmulțiri și adunări posibil. Dar cel mai vechi și mai puternic avantaj al FORM este modul în care gestionează memoria.
Așa cum oamenii au două tipuri de memorie, pe termen scurt și pe termen lung, computerele au două tipuri: principală și externă. Memoria principală - RAM-ul computerului dvs. - este ușor de accesat din mers, dar este limitată ca dimensiune. Dispozitivele de memorie externă, cum ar fi hard disk-urile și unitățile SSD, dețin mult mai multe informații, dar sunt mai lente. Pentru a rezolva o ecuație lungă, trebuie să o stocați în memoria principală, astfel încât să puteți lucra cu ușurință cu ea.
În anii '80, ambele tipuri de memorie erau limitate. „FORM a fost construit într-o perioadă în care aproape nu exista memorie și, de asemenea, spațiu pe disc – practic nu era nimic”, a spus Ben Ruijl, fost student al lui Vermaseren și dezvoltator FORM, care este acum cercetător postdoctoral la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich. Aceasta a reprezentat o provocare: ecuațiile erau prea lungi pentru ca memoria principală să le poată gestiona. Pentru a calcula unul, sistemul dvs. de operare trebuia să vă trateze hard disk-ul ca și cum ar fi fost memoria principală. Sistemul de operare, neștiind cât de mare să se aștepte să fie ecuația ta, ar stoca datele într-o colecție de „pagini” de pe hard disk, comutând frecvent între ele, deoarece erau necesare diferite piese - un proces ineficient numit schimb.
FORM ocolește schimbarea și folosește propria sa tehnică. Când lucrați cu o ecuație în FORM, programul atribuie fiecărui termen o cantitate fixă de spațiu pe hard disk. Această tehnică permite software-ului să țină evidența mai ușor unde se află părțile unei ecuații. De asemenea, facilitează aducerea acelor piese înapoi în memoria principală atunci când sunt necesare, fără a accesa restul.
Memoria a crescut încă de la începuturile lui FORM, de la 128 de kilobiți de RAM în Atari 130XE în 1985 la 128 de gigabiți de memorie RAM pe desktop-ul meu complet - o îmbunătățire de un milion de ori. Dar trucurile dezvoltate de Vermaseren rămân cruciale. Pe măsură ce fizicienii particulelor analizează petaocteți de date de la Large Hadron Collider pentru a căuta dovezi ale unor noi particule, nevoia lor de precizie și, prin urmare, lungimea ecuațiilor lor, crește.
„Aceste lucruri vor rămâne pentru totdeauna relevante, oricât de mare ar crește memoria, pentru că există întotdeauna o problemă de fizică care o poate împinge dincolo de dimensiunea memoriei”, a spus Ruijl.
Capacitățile computerelor au crescut aproximativ exponențial, dublându-se la fiecare doi ani. Dar există forme mai rapide de creștere decât creșterea exponențială. Luați în considerare sarcina de a scrie trei litere - a, b și c - în toate ordinele posibile. Există trei opțiuni pentru prima literă (a, b sau c), două pentru a doua și una pentru a treia. Problema se extinde ca un factorial, o relație matematică care crește chiar mai repede decât creșterea exponențială. Factorialele apar adesea atunci când încercați să numărați combinații posibile de lucruri, cum ar fi toate diagramele Feynman diferite pe care le puteți desena pentru un set de particule care se ciocnesc. Creșterea factorială a acestor calcule de fizică a particulelor depășește creșterea exponențială a puterii de calcul.
Oricât de crucial este pentru fizică un software precum FORM, efortul de a-l dezvolta este adesea subevaluat. Vermaseren a avut noroc prin faptul că a avut un post permanent la Institutul Național de Fizică Subatomică din Țările de Jos și un șef care a apreciat proiectul. Dar un asemenea noroc este greu de găsit. Stefano Laporta, un fizician italian care s-a dezvoltat un algoritm de simplificare crucial pentru domeniu, și-a petrecut cea mai mare parte a carierei fără finanțare pentru studenți sau echipamente. Universitățile tind să urmărească înregistrările de publicare ale oamenilor de știință, ceea ce înseamnă că cei care lucrează la infrastructura critică sunt adesea ignorați pentru angajare sau titularizare.
„De-a lungul anilor, am văzut în mod constant că oamenii care petrec mult timp pe computere nu obțin un loc de muncă permanent în fizică”, a spus Vermaseren.
„Este mai prestigios, poate, să produci rezultate fizice decât să lucrezi la unelte”, a spus Ruijl.
În timp ce câțiva fizicieni mai tineri precum Ruijl lucrează sporadic la FORM, de dragul carierei lor trebuie să-și petreacă cea mai mare parte a timpului în alte cercetări. Acest lucru lasă o mare parte din responsabilitatea dezvoltării FORM în mâinile lui Vermaseren, care acum este în mare parte pensionat.
Fără o dezvoltare continuă, FORM va deveni din ce în ce mai puțin utilizabil - va putea interacționa doar cu codul computerului mai vechi și nu va fi aliniat cu modul în care studenții de astăzi învață să programeze. Utilizatorii experimentați vor rămâne cu el, dar cercetătorii mai tineri vor adopta programe alternative de algebră computerizată, cum ar fi Mathematica, care sunt mai ușor de utilizat, dar ordine de mărime mai lente. În practică, mulți dintre acești fizicieni vor decide că anumite probleme sunt interzise - prea greu de gestionat. Deci, fizica particulelor se va bloca, doar câțiva oameni pot lucra la cele mai grele calcule.
În aprilie, Vermaseren organizează un summit al utilizatorilor FORM pentru a planifica viitorul. Ei vor discuta despre cum să menținem FORM în viață: cum să-l menținem și să-l extindă și cum să arate unei noi generații de studenți cât de mult poate face. Cu noroc, muncă grea și finanțare, ei pot păstra unul dintre cele mai puternice instrumente din fizică.
