برنامه کامپیوتری فیزیک ذرات حیاتی خطر منسوخ شدن را دارد

اخیراً تماشا کردم یک همکار فیزیکدان ذرات در مورد مح،ه ای صحبت می کند که به اوج جدیدی از دقت پیش برده بود. ابزار او؟ یک برنامه کامپیوتری متعلق به دهه 1980 به نام FORM.

فیزیکدانان ذرات از برخی از طول، ترین معادلات در تمام علوم استفاده می کنند. برای مثال، برای جست‌وجوی نشانه‌هایی از ذرات بنیادی جدید در برخورد در برخورددهنده بزرگ هادرون، هزاران تصویر به نام نمودارهای فاینمن را ترسیم می‌کنند که نتایج احتمالی برخورد را نشان می‌دهند و هر کدام فرمول پیچیده‌ای را رمزگذاری می‌کنند که می‌تواند میلیون‌ها عبارت طول، باشد. جمع ، فرمول هایی مانند اینها با قلم و کاغذ غیرممکن است. حتی اضافه ، آنها به رایانه نیز یک چالش است. قو،ن جبری که در مدرسه یاد می گیریم برای تکالیف به اندازه کافی سریع هستند، اما برای فیزیک ذرات به طرز تاسف باری ناکارآمد هستند.

برنامه‌هایی به نام سیستم‌های جبر رایانه‌ای برای انجام این وظایف تلاش می‌کنند. و اگر می خواهید بزرگترین معادلات جهان را حل کنید، برای 33 سال یک برنامه برجسته شده است: FORM.

توسط فیزیکدان ذرات هلندی ساخته شده است جاش ورماسرنFORM بخش کلیدی زیرساخت فیزیک ذرات است که برای سخت ترین مح،ات ضروری است. با این حال، مانند بسیاری از قطعات ضروری زیرساخت دیجیتال، تعمیر و نگهداری FORM عمدتاً بر عهده یک شخص است: خود ورماسرن. و در 73 سالگی، او شروع به عقب نشینی از توسعه FORM کرده است. به دلیل ساختار انگیزشی دانشگاه، که مقالات منتشر شده را جوایز می کند، نه ابزارهای نرم افزاری، هیچ جانشینی پیدا نشد. اگر وضعیت تغییر نکند، فیزیک ذرات ممکن است مجبور شود به طور چشمگیری کند شود.

FORM در اواسط دهه 1980 شروع شد، زم، که نقش کامپیوترها به سرعت در حال تغییر بود. سلف آن، برنامه‌ای به نام Sc،onchip که توسط Martinus Veltman ساخته شده بود، به ،وان یک تراشه تخصصی منتشر شد که شما آن را به کنار کامپیوتر آتاری وصل می‌کردید. Vermaseren می خواست برنامه ای در دسترس تر بسازد که بتواند توسط دانشگاه های سراسر جهان دانلود شود. او شروع به برنامه نویسی آن به زبان کامپیوتری FORTRAN کرد که مخفف Formula Translation است. نام FORM یک ریف روی آن بود. (او بعداً به یک زبان برنامه نویسی به نام C روی آورد.) Vermaseren نرم افزار خود را در سال 1989 منتشر کرد. در اوایل دهه 90، بیش از 200 موسسه در سراسر جهان آن را دانلود کرده بودند و تعداد آنها مدام افزایش می یافت.

از سال 2000، به طور متوسط ​​هر چند روز یک بار یک مقاله فیزیک ذرات با استناد به FORM منتشر می شود. “بیشتر [high-precision] نتایجی که گروه ما در 20 سال گذشته به دست آورد، به شدت بر اساس کد FORM بود توماس گیرمن، استاد دانشگاه زوریخ.

برخی از محبوبیت FORM ناشی از الگوریتم‌های تخصصی است که در طول سال‌ها ساخته شده‌اند، مانند ترفندی برای ضرب سریع قطعات معینی از نمودار فاینمن، و روشی برای تنظیم مجدد معادلات به‌منظور داشتن کمترین ضرب و جمع. اما قدیمی ترین و قدرتمندترین مزیت FORM نحوه مدیریت حافظه است.

همانطور که انسان ها دو نوع حافظه کوتاه مدت و بلند مدت دارند، کامپیوترها نیز دو نوع اصلی و خارجی دارند. دسترسی به حافظه اصلی – رم رایانه شما – در لحظه آسان است اما اندازه آن محدود است. دستگاه‌های حافظه خارجی مانند دیسک‌های سخت و درایوهای حالت جامد اطلاعات بسیار بیشتری را نگه می‌دارند اما کندتر هستند. برای حل یک معا، طول،، باید آن را در حافظه اصلی ذخیره کنید تا بتو،د به راحتی با آن کار کنید.

در دهه 80، هر دو نوع حافظه محدود بود. “FORM در زم، ساخته شد که تقریباً هیچ حافظه ای وجود نداشت و همچنین فضای دیسک وجود نداشت – اساساً چیزی وجود نداشت.” بن روئیل، دانشجوی سابق Vermaseren’s و توسعه دهنده FORM که اکنون محقق فوق دکتری در موسسه فدرال فناوری سوئیس زوریخ است. این یک چالش ایجاد کرد: معادلات برای حافظه اصلی بسیار طول، بودند. برای مح،ه یک، سیستم عامل شما باید با هارد دیسک شما طوری رفتار کند که انگار حافظه اصلی نیز هست. سیستم عامل، بدون اینکه بداند معا، شما چقدر بزرگ باشد، داده ها را در مجموعه ای از “صفحات” روی هارد دیسک ذخیره می کند و به طور مکرر در صورت نیاز به قطعات مختلف بین آنها سوئیچ می کند – فرآیندی ناکارآمد به نام تعویض.

FORM مبا، را دور می زند و از تکنیک خاص خود استفاده می کند. وقتی با یک معا، در FORM کار می کنید، برنامه به هر عبارت مقدار ثابتی از فضای روی هارد دیسک اختصاص می دهد. این تکنیک به نرم افزار اجازه می دهد تا به راحتی مکان قطعات یک معا، را پیگیری کند. همچنین بازگرداندن آن قطعات به حافظه اصلی را در صورت نیاز بدون دسترسی به بقیه آسان می کند.

حافظه از همان روزهای اولیه FORM رشد کرده است، از 128 کیلوبایت رم در Atari 130XE در سال 1985 به 128 گیگابایت رم در دسکتاپ من که یک میلیون برابر پیشرفت کرده است. اما ترفندهایی که ورماسرن توسعه داد همچنان حیاتی است. همانطور که فیزیکدانان ذرات از طریق پتابایت داده از برخورد دهنده بزرگ هادرون برای جستجوی شواهدی از ذرات جدید منفذ می کنند، نیاز آنها به دقت، و در نتیجه طول معادلاتشان، بیشتر می شود.