Chương Trình Máy Tính Quan Trọng Trong Vật Lý Hạt Nhân Đối Mặt Nguy Cơ Lạc Hậu

Hồi gần đây, tôi nghe một đồng nghiệp vật lý hạt nhân nói về một phép toán mà anh ta đã đưa lên một độ chính xác mới. Công cụ của anh ấy? Một chương trình máy tính từ những năm 1980 có tên là FORM.

Những phương trình dài nhất trong toàn bộ lĩnh vực khoa học là của các nhà vật lý hạt nhân. Chẳng hạn, để tìm kiếm dấu hiệu của các hạt cơ bản mới trong các va chạm tại Trạm Nguồn Lớn, họ vẽ hàng ngàn hình ảnh gọi là biểu đồ Feynman mô tả các kết quả va chạm có thể xảy ra, mỗi cái mã hóa một công thức phức tạp có thể dài đến hàng triệu hạng tử. Tổng hợp các công thức như thế này với bút và giấy là không thể; thậm chí là thách thức khi thực hiện với máy tính. Những quy tắc đại số chúng ta học trong trường là đủ nhanh cho bài tập về nhà, nhưng đối với vật lý hạt nhân, chúng quá kém hiệu suất.

Các chương trình được gọi là hệ thống đại số máy tính đang cố gắng xử lý những nhiệm vụ này. Và nếu bạn muốn giải những phương trình lớn nhất trên thế giới, trong 33 năm, một chương trình đã nổi bật: FORM.

Được phát triển bởi nhà vật lý hạt Jos Vermaseren người Hà Lan, FORM là một phần quan trọng của cơ sở hạ tầng vật lý hạt, cần thiết cho những phép toán khó nhất. Tuy nhiên, giống như nhiều phần quan trọng khác của cơ sở hạ tầng kỹ thuật số, việc bảo dưỡng FORM phụ thuộc chủ yếu vào một người: chính Vermaseren. Và ở tuổi 73, ông đã bắt đầu rút lui khỏi việc phát triển FORM. Do cấu trúc động viên của giới học thuật, nơi giá trị được đặt vào bài báo được công bố, không phải vào các công cụ phần mềm, không có người kế nhiệm nào xuất hiện. Nếu tình hình không thay đổi, vật lý hạt có thể phải giảm tốc độ đáng kể.

FORM bắt đầu từ giữa những năm 1980, khi vai trò của máy tính đang thay đổi nhanh chóng. Chương trình tiền nhiệm của nó, một chương trình có tên là Schoonschip, được tạo ra bởi Martinus Veltman, được phát hành dưới dạng một con chip chuyên biệt mà bạn cắm vào bên cạnh máy tính Atari. Vermaseren muốn tạo ra một chương trình có thể tiếp cận được hơn có thể được tải về bởi các trường đại học trên khắp thế giới. Anh bắt đầu lập trình nó bằng ngôn ngữ máy tính FORTRAN, viết tắt của Formula Translation. Tên FORM là một sáng tạo từ đó. (Sau đó, anh chuyển sang một ngôn ngữ lập trình gọi là C.) Vermaseren phát hành phần mềm của mình vào năm 1989. Đến đầu những năm 90, hơn 200 cơ sở giáo dục trên khắp thế giới đã tải về nó, và con số đó không ngừng tăng.

Từ năm 2000, mỗi vài ngày trôi qua, trung bình một bài báo vật lý hạt trích dẫn FORM đã được xuất bản. 'Hầu hết những kết quả [chính xác cao] mà nhóm của chúng tôi đạt được trong 20 năm qua chủ yếu dựa trên mã nguồn của FORM,' nói Thomas Gehrmann, một giáo sư tại Đại học Zurich.

Một số lý do khiến FORM trở nên phổ biến là các thuật toán chuyên sâu được xây dựng qua nhiều năm, như một thủ thuật để nhân nhanh một số phần của biểu đồ Feynman và một quy trình để sắp xếp lại phương trình sao cho có ít nhất số lần nhân và cộng. Nhưng ưu điểm cổ điển và mạnh mẽ nhất của FORM là cách nó xử lý bộ nhớ.

Giống như con người có hai loại bộ nhớ, ngắn hạn và dài hạn, máy tính cũng có hai loại: bộ nhớ chính và ngoại vi. Bộ nhớ chính - RAM của máy tính của bạn - dễ truy cập nhưng có kích thước hạn chế. Thiết bị bộ nhớ ngoại vi như ổ cứng và ổ đĩa SSD chứa nhiều thông tin hơn nhưng lại chậm hơn. Để giải một phương trình dài, bạn cần lưu trữ nó trong bộ nhớ chính để dễ dàng làm việc.

Vào những năm 80, cả hai loại bộ nhớ đều bị hạn chế. 'FORM được xây dựng vào một thời điểm khi gần như không có bộ nhớ, và cũng không có không gian đĩa - nói chung là không có gì,' nói Ben Ruijl, một cựu sinh viên của Vermaseren và nhà phát triển FORM, hiện là nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Viện Công nghệ Federal Thụy Sĩ Zurich. Điều này đặt ra một thách thức: Phương trình quá dài để bộ nhớ chính xử lý. Để tính toán một phương trình, hệ điều hành của bạn cần xem xét ổ đĩa cứng của bạn như là bộ nhớ chính. Hệ điều hành, không biết phương trình của bạn sẽ lớn đến mức nào, sẽ lưu trữ dữ liệu trong một tập hợp các 'trang' trên ổ đĩa cứng, thường xuyên chuyển đổi giữa chúng khi cần các phần khác nhau - một quá trình không hiệu quả gọi là tráo đổi.

FORM vượt qua việc tráo đổi và sử dụng kỹ thuật riêng của mình. Khi bạn làm việc với một phương trình trong FORM, chương trình gán mỗi thuật ngữ một lượng không gian cố định trên ổ đĩa cứng. Kỹ thuật này giúp phần mềm dễ dàng theo dõi nơi các phần của một phương trình đang ở. Nó cũng giúp dễ dàng đưa những phần đó trở lại bộ nhớ chính khi chúng cần thiết mà không cần truy cập vào phần còn lại.

Bộ nhớ đã phát triển kể từ những ngày đầu của FORM, từ 128 kilobytes RAM trong Atari 130XE vào năm 1985 lên đến 128 gigabytes RAM trong máy tính để bàn của tôi hiện đại - cải thiện hàng triệu lần. Nhưng những mẹo mà Vermaseren phát triển vẫn quan trọng. Khi các nhà vật lý hạt xem xét petabyte dữ liệu từ Trình kích thước hạt lớn để tìm kiếm bằng chứng về các hạt mới, nhu cầu của họ về độ chính xác, và do đó độ dài của phương trình, ngày càng tăng lên.

“Những thứ này sẽ mãi mãi duy trì tính liên quan, bất kể bộ nhớ lớn đến đâu, vì luôn có một vấn đề vật lý có thể đẩy nó vượt qua kích thước của bộ nhớ,” nói Ruijl.

Khả năng của máy tính đã tăng gấp đôi một cách xấp xỉ mỗi hai năm. Nhưng có những hình thức tăng trưởng nhanh hơn so với tăng trưởng mũ. 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 cho thứ hai và một cho thứ ba. Vấn đề này tăng theo cấp số giai thừa, một mối quan hệ toán học tăng trưởng thậm chí nhanh hơn cả tăng trưởng mũ. Giai thừa thường xuất hiện khi bạn cố gắng đếm các kết hợp có thể của mọi thứ, như tất cả các biểu đồ Feynman khác nhau bạn có thể vẽ cho một bộ hạt va chạm. Tăng trưởng giai thừa của những tính toán vật lý hạt này vượt xa tăng trưởng mũ của sức mạnh máy tính.

Quan trọng như là phần mềm như FORM đối với vật lý, nỗ lực phát triển nó thường được đánh giá thấp. Vermaseren may mắn khi có một vị trí cố định tại Viện Vật lý Hạt phụ thuộc Quốc gia ở Hà Lan và một sếp hiểu biết dự án. Nhưng sự may mắn như vậy khó có được. Stefano Laporta, một nhà vật lý người Ý đã phát triển một thuật toán quan trọng cho lĩnh vực này, đã dành phần lớn sự nghiệp mà không có nguồn tài trợ cho sinh viên hoặc trang thiết bị. Các trường đại học thường theo dõi hồ sơ xuất bản của các nhà khoa học, điều này có nghĩa là những người làm việc trên cơ sở hạ tầng quan trọng thường bị bỏ qua khi tuyển dụng hoặc cấp bậc.

“Tôi đã thấy qua nhiều năm, liên tục, rằng những người dành nhiều thời gian trên máy tính không có được công việc ổn định trong lĩnh vực vật lý,” Vermaseren nói.

“Có lẽ, việc sản xuất kết quả vật lý thực sự hơn là làm việc trên các công cụ,” Ruijl nói.

Trong khi một số nhà vật lý trẻ như Ruijl làm việc trên FORM đôi khi, vì lợi ích nghề nghiệp họ cần phải dành phần lớn thời gian cho các nghiên cứu khác. Điều này đặt nhiều trách nhiệm phát triển FORM vào tay Vermaseren, người hiện đang hầu như đã nghỉ hưu.

Mà không có sự phát triển liên tục, FORM sẽ trở nên ít hữu ích hơn và hữu ích ít hơn - chỉ có thể tương tác với mã máy tính cũ hơn, và không phù hợp với cách mà sinh viên ngày nay học cách lập trình. Người dùng có kinh nghiệm sẽ tiếp tục sử dụng nó, nhưng những nhà nghiên cứu trẻ hơn sẽ chuyển sang các chương trình đại số máy tính thay thế như Mathematica, dễ sử dụng hơn nhưng chậm hơn một cách đáng kể. Trong thực tế, nhiều nhà vật lý sẽ quyết định rằng một số vấn đề là không thể - quá khó khăn để xử lý. Do đó, vật lý hạt sẽ bị trì trệ, chỉ có một số người có khả năng làm việc trên những phép tính khó nhất.

Trong tháng 4, Vermaseren sẽ tổ chức một cuộc họp cộng đồng người dùng FORM để lập kế hoạch cho tương lai. Họ sẽ thảo luận về cách duy trì FORM: làm thế nào để bảo trì và mở rộng nó, và làm thế nào để cho thế hệ sinh viên mới thấy được sức mạnh của nó. Với sự may mắn, làm việc chăm chỉ và có nguồn tài trợ, họ có thể bảo tồn một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong vật lý.

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép của Quanta Magazine, một tờ báo độc lập biên tập của Quỹ Simons với nhiệm vụ là nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách đưa tin về phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.