Giới thiệu
Gần đây, tôi đã xem một nhà vật lý hạt đồng nghiệp nói về một phép tính mà anh ấy đã đẩy lên một tầm cao mới về độ chính xác. Công cụ của anh ấy? Một chương trình máy tính từ những năm 1980 có tên là FORM.
Các nhà vật lý hạt sử dụng một số phương trình dài nhất trong tất cả các ngành khoa học. Chẳng hạn, để tìm kiếm dấu hiệu của các hạt cơ bản mới trong các vụ va chạm tại Máy Va chạm Hadron Lớn, họ vẽ hàng nghìn bức tranh gọi là sơ đồ Feynman mô tả các kết quả va chạm có thể xảy ra, mỗi bức tranh mã hóa một công thức phức tạp có thể dài hàng triệu thuật ngữ. Tổng hợp các công thức như thế này bằng bút và giấy là không thể; thậm chí thêm chúng bằng máy tính là một thách thức. Các quy tắc đại số chúng ta học ở trường đủ nhanh để làm bài tập về nhà, nhưng đối với vật lý hạt thì chúng kém hiệu quả một cách đáng tiếc.
Các chương trình được gọi là hệ thống đại số máy tính cố gắng xử lý các tác vụ này. Và nếu bạn muốn giải các phương trình lớn nhất trên thế giới, trong 33 năm qua, một chương trình đã nổi bật: FORM.
Được phát triển bởi nhà vật lý hạt người Hà Lan Jos Vermaseren, DẠNG là một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng của vật lý hạt, cần thiết cho các phép tính khó nhất. Tuy nhiên, cũng như nhiều phần thiết yếu của cơ sở hạ tầng kỹ thuật số, công việc bảo trì của FORM phần lớn phụ thuộc vào một người: chính Vermaseren. Và ở tuổi 73, Vermaseren đã bắt đầu lùi bước phát triển FORM. Do cấu trúc khuyến khích của giới hàn lâm, nơi trao giải cho các bài báo đã xuất bản, chứ không phải công cụ phần mềm, không có người kế vị nào xuất hiện. Nếu tình hình không thay đổi, vật lý hạt có thể buộc phải chậm lại một cách đáng kể.
FORM bắt đầu vào giữa những năm 1980, khi vai trò của máy tính đang thay đổi nhanh chóng. Tiền thân của nó, một chương trình có tên Schoonschip do Martinus Veltman tạo ra, được phát hành dưới dạng một con chip chuyên dụng mà bạn cắm vào mặt bên của máy tính Atari. Vermaseren muốn tạo ra một chương trình dễ tiếp cận hơn để các trường đại học trên khắp thế giới có thể tải xuống. Anh ấy bắt đầu lập trình nó bằng ngôn ngữ máy tính FORTRAN, viết tắt của Dịch công thức. Tên MẪU là một riff về điều đó. (Sau đó, anh ấy chuyển sang một ngôn ngữ lập trình có tên là C.) Vermaseren đã phát hành phần mềm của mình vào năm 1989. Đến đầu những năm 90, hơn 200 tổ chức trên khắp thế giới đã tải xuống phần mềm này và con số này vẫn tiếp tục tăng lên.
Kể từ năm 2000, trung bình cứ vài ngày lại có một bài báo vật lý hạt trích dẫn FORM được xuất bản. “Hầu hết các kết quả [độ chính xác cao] mà nhóm của chúng tôi thu được trong 20 năm qua chủ yếu dựa trên mã FORM,” cho biết Thomas Gehrmann, một giáo sư tại Đại học Zurich.
Một số tính phổ biến của FORM đến từ các thuật toán chuyên biệt đã được xây dựng trong nhiều năm, chẳng hạn như thủ thuật nhân nhanh các phần nhất định của biểu đồ Feynman và quy trình sắp xếp lại các phương trình để có càng ít phép nhân và phép cộng càng tốt. Nhưng lợi thế lâu đời nhất và mạnh mẽ nhất của FORM là cách nó xử lý bộ nhớ.
Cũng như con người có hai loại trí nhớ ngắn hạn và dài hạn, máy tính cũng có hai loại: chính và ngoài. Bộ nhớ chính — RAM của máy tính — dễ truy cập nhanh chóng nhưng bị giới hạn về kích thước. Các thiết bị bộ nhớ ngoài như đĩa cứng và ổ đĩa thể rắn chứa nhiều thông tin hơn nhưng chậm hơn. Để giải một phương trình dài, bạn cần lưu nó vào bộ nhớ chính để có thể dễ dàng làm việc với nó.
Vào những năm 80, cả hai loại bộ nhớ đều bị hạn chế. “FORM được xây dựng vào thời điểm hầu như không có bộ nhớ và cũng không có dung lượng ổ đĩa — về cơ bản là không có gì cả,” cho biết Ben Ruijl, cựu sinh viên của Vermaseren và nhà phát triển FORM, hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich. Điều này đặt ra một thách thức: Các phương trình quá dài để bộ nhớ chính xử lý. Để tính toán một, hệ điều hành của bạn cần coi đĩa cứng của bạn như thể nó cũng là bộ nhớ chính. Hệ điều hành, không biết phương trình của bạn lớn đến mức nào, sẽ lưu trữ dữ liệu trong một tập hợp các “trang” trên đĩa cứng, thường xuyên chuyển đổi giữa chúng khi cần các phần khác nhau — một quy trình không hiệu quả được gọi là hoán đổi.
MẪU bỏ qua hoán đổi và sử dụng kỹ thuật riêng của mình. Khi bạn làm việc với một phương trình ở DẠNG, chương trình sẽ gán cho mỗi số hạng một lượng không gian cố định trên đĩa cứng. Kỹ thuật này cho phép phần mềm dễ dàng theo dõi vị trí của các phần của phương trình. Nó cũng giúp bạn dễ dàng đưa các phần đó trở lại bộ nhớ chính khi cần mà không cần truy cập vào phần còn lại.
Bộ nhớ đã tăng lên kể từ những ngày đầu của FORM, từ 128 kilobyte RAM trong Atari 130XE năm 1985 lên 128 gigabyte RAM trong máy tính để bàn cải tiến của tôi — một cải tiến gấp triệu lần. Nhưng những mánh khóe mà Vermaseren phát triển vẫn rất quan trọng. Khi các nhà vật lý hạt nghiền ngẫm hàng petabyte dữ liệu từ Máy Va chạm Hadron Lớn để tìm kiếm bằng chứng về các hạt mới, nhu cầu của họ về độ chính xác và do đó độ dài của các phương trình của họ ngày càng dài hơn.
Ruijl cho biết: “Những thứ này sẽ mãi mãi có liên quan, cho dù bộ nhớ có lớn đến đâu, bởi vì luôn có một vấn đề vật lý có thể đẩy nó vượt quá kích thước của bộ nhớ,” Ruijl nói.
Khả năng của máy tính đã phát triển gần như theo cấp số nhân, tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Nhưng có những hình thức tăng trưởng nhanh hơn tăng trưởng theo cấp số nhân. Hãy xem xét nhiệm vụ viết ba chữ cái — a, b và c — theo tất cả các thứ tự có thể. Có ba lựa chọn cho chữ cái đầu tiên (a, b hoặc c), hai lựa chọn cho chữ cái thứ hai và một cho chữ cái thứ ba. Vấn đề quy mô như một giai thừa, một mối quan hệ toán học phát triển nhanh hơn tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân. Giai thừa xuất hiện thường xuyên khi bạn cố gắng đếm các tổ hợp có thể có của các sự vật, chẳng hạn như tất cả các biểu đồ Feynman khác nhau mà bạn có thể vẽ cho một tập hợp các hạt đang va chạm. Tốc độ tăng trưởng giai thừa của các tính toán vật lý hạt này vượt xa tốc độ tăng trưởng theo cấp số nhân của sức mạnh tính toán.
Phần mềm quan trọng như FORM dành cho vật lý, nỗ lực phát triển nó thường bị đánh giá thấp. Vermaseren may mắn là ông có một vị trí cố định tại Viện Vật lý Hạ nguyên tử Quốc gia ở Hà Lan, và một ông chủ đánh giá cao dự án. Nhưng may mắn như vậy là khó đến. Stefano Laporta, một nhà vật lý người Ý đã phát triển một thuật toán đơn giản hóa quan trọng cho lĩnh vực này, đã dành phần lớn sự nghiệp của mình mà không có tài trợ cho sinh viên hoặc thiết bị. Các trường đại học có xu hướng theo dõi hồ sơ công bố của các nhà khoa học, điều đó có nghĩa là những người làm việc trong cơ sở hạ tầng quan trọng thường bị bỏ qua trong việc tuyển dụng hoặc bổ nhiệm.
Vermaseren nói: “Trong nhiều năm qua, tôi đã chứng kiến một cách nhất quán rằng những người dành nhiều thời gian cho máy tính không có được một công việc lâu dài trong ngành vật lý.
Ruijl nói: “Có lẽ, việc thực sự tạo ra các kết quả vật lý sẽ uy tín hơn là làm việc trên các công cụ.
Trong khi một số nhà vật lý trẻ như Ruijl làm việc trên FORM một cách rời rạc, vì lợi ích nghề nghiệp, họ cần dành phần lớn thời gian cho các nghiên cứu khác. Điều này để lại phần lớn trách nhiệm phát triển FORM cho Vermaseren, người hiện đã nghỉ hưu.
Nếu không có sự phát triển liên tục, FORM sẽ ngày càng ít sử dụng hơn — chỉ có thể tương tác với mã máy tính cũ hơn và không phù hợp với cách học sinh ngày nay học lập trình. Những người dùng có kinh nghiệm sẽ gắn bó với nó, nhưng các nhà nghiên cứu trẻ hơn sẽ áp dụng các chương trình đại số máy tính thay thế như Mathicala thân thiện với người dùng hơn nhưng tốc độ chậm hơn. Trên thực tế, nhiều nhà vật lý trong số này sẽ quyết định rằng một số vấn đề nhất định là vượt quá giới hạn — quá khó để xử lý. Vì vậy, vật lý hạt sẽ bị đình trệ, chỉ có một số người có thể thực hiện các phép tính khó nhất.
Vào tháng XNUMX, Vermaseren sẽ tổ chức một hội nghị người dùng MẪU để lên kế hoạch cho tương lai. Họ sẽ thảo luận về cách duy trì FORM: cách duy trì và mở rộng nó cũng như cách cho thế hệ học sinh mới thấy nó có thể làm được bao nhiêu. Nếu may mắn, làm việc chăm chỉ và tài trợ, họ có thể bảo tồn một trong những công cụ mạnh nhất trong vật lý.
