اخیراً، من شاهد صحبت یکی از فیزیکدانان ذره‌ای در مورد محاسبه‌ای بودم 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 طولانی 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 طولانی باشد. جمع کردن فرمول هایی مانند اینها با قلم و کاغذ غیرممکن است. حتی اضافه کردن آنها به رایانه نیز یک چالش است. قوانین 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 جوس ورماسرنFORM بخش کلیدی زیرساخت فیزیک ذرات است که برای سخت ترین محاسبات ضروری است. با این حال، مانند بسیاری از قطعات ضروری زیرساخت دیجیتال، تعمیر و نگهداری FORM عمدتاً بر عهده یک شخص است: خود Vermaseren. و در 73 سالگی، ورماسرن 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، زمانی که نقش کامپیوترها به سرعت در حال تغییر بود. سلف آن، برنامه ای به نام Schoonschip که توسط مارتینوس ولتمن ساخته شده بود، به عنوان یک تراشه تخصصی منتشر شد که شما آن را به کنار کامپیوتر آتاری وصل کردید. 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 همچنان 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. گفت: "بیشتر نتایج [با دقت بالا] که گروه ما در 20 سال گذشته به دست آورد، به شدت بر اساس کد FORM بود." توماس گهرمن، 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 کامپیوتر شما - در زمان پرواز 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 معادله طولانی، باید آن را در حافظه اصلی ذخیره کنید تا بتوانید به راحتی با آن کار کنید.

در دهه 80، هر دو نوع حافظه محدود بود. گفت: "FORM در زمانی ساخته شد که تقریباً هیچ حافظه 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 طولانی بودند. برای محاسبه یک، سیستم عامل شما باید با هارد دیسک شما طوری رفتار کند که انگار حافظه اصلی نیز هست. سیستم عامل، بدون اینکه بداند معادله شما چقدر بزرگ باشد، داده ها را در مجموعه ای از "صفحات" روی هارد دیسک ذخیره می کند، و اغلب در صورت نیاز به قطعات مختلف، بین آنها جابه جا می شود - فرآیندی ناکارآمد به نام تعویض.

FORM مبادله را دور می زند و از تکنیک خاص خود استفاده می کند. وقتی با یک معادله 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 معادله را پیگیری کند. همچنین بازگرداندن آن قطعات به حافظه اصلی را در صورت نیاز بدون دسترسی به بقیه آسان می کند.

حافظه از روزهای اولیه FORM افزایش یافته است، از 128 کیلوبایت رم در آتاری 130XE در سال 1985 به 128 گیگابایت رم در دسکتاپ سوپ آپ من - پیشرفتی میلیون برابری. 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.

Ruijl گفت: «این چیزها برای همیشه مرتبط خواهند ماند، هر چقدر هم که حافظه بزرگ شود، زیرا همیشه یک مشکل فیزیک وجود دارد که می تواند آن را فراتر از اندازه حافظه سوق دهد.

قابلیت های کامپیوتر تقریباً به طور تصاعدی افزایش یافته است و تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر می شود. اما اشکال رشد سریع تری نسبت به رشد نمایی وجود دارد. وظیفه نوشتن سه حرف - a، b و c - را در تمام ترتیب‌های ممکن در نظر بگیرید. سه انتخاب برای حرف اول (a، b یا c)، دو گزینه برای حرف دوم و یکی برای حرف سوم وجود دارد. مسئله به صورت فاکتوریل مقیاس می شود، یک رابطه ریاضی که حتی سریعتر از رشد نمایی رشد می کند. زمانی که سعی می کنید ترکیبات احتمالی چیزها را بشمارید، فاکتوریل ها ظاهر می شوند، مانند تمام نمودارهای فاینمن مختلف که می توانید برای مجموعه ای از ذرات در حال برخورد ترسیم کنید. رشد فاکتوریل این محاسبات فیزیک ذرات از رشد تصاعدی قدرت محاسباتی پیشی می گیرد.

همانطور که نرم افزاری مانند FORM برای فیزیک بسیار مهم است، تلاش برای توسعه آن اغلب کم ارزش است. ورماسرن خوش شانس بود که در موسسه ملی فیزیک زیراتمی هلند یک موقعیت دائمی داشت و رئیسی که از این پروژه قدردانی می کرد. اما چنین شانسی سخت است. استفانو لاپورتا، فیزیکدان ایتالیایی که توسعه داد یک الگوریتم ساده سازی حیاتی برای این رشته، بیشتر دوران حرفه ای خود را بدون بودجه برای دانشجویان یا تجهیزات گذرانده است. دانشگاه‌ها تمایل دارند سوابق انتشارات دانشمندان را ردیابی کنند، به این معنی که افرادی که روی زیرساخت‌های حیاتی کار می‌کنند اغلب برای استخدام یا تصدی پست داده می‌شوند.

ورماسرن می‌گوید: «در طول سال‌ها، به‌طور مداوم دیده‌ام که افرادی که زمان زیادی را روی رایانه می‌گذرانند، شغلی در فیزیک پیدا نمی‌کنند.

Ruijl می‌گوید: «شاید تولید نتایج فیزیکی از کار بر روی ابزارها معتبرتر باشد.

در حالی که چند فیزیکدان جوانتر مانند Ruijl به طور پراکنده روی FORM کار می کنند، به خاطر شغل خود باید بیشتر وقت خود را صرف تحقیقات دیگر کنند. این امر بیشتر مسئولیت توسعه FORM را بر عهده ورماسرن می گذارد که اکنون اکثراً بازنشسته شده است.

بدون توسعه مداوم، FORM کمتر و کمتر قابل استفاده خواهد بود - فقط می تواند با کدهای رایانه قدیمی تر تعامل داشته باشد، و با نحوه یادگیری دانش آموزان امروزی برنامه نویسی هماهنگ نیست. کاربران باتجربه به آن پایبند خواهند بود، اما محققان جوان تر برنامه های جبر رایانه ای جایگزین مانند Mathematica را که کاربرپسندتر هستند اما مرتبه های بزرگی کندتر هستند، اتخاذ خواهند کرد. در عمل، بسیاری از این فیزیکدانان تصمیم خواهند گرفت که برخی از مشکلات غیرمحدود هستند - رسیدگی به آنها بسیار دشوار است. بنابراین فیزیک ذرات متوقف خواهد شد و تنها تعداد کمی از افراد قادر به انجام سخت ترین محاسبات خواهند بود.

در ماه آوریل، Vermaseren اجلاسی از کاربران FORM برای برنامه ریزی برای آینده برگزار می کند. آنها درباره چگونگی زنده نگه داشتن FORM بحث خواهند کرد: چگونه می توان آن را حفظ کرد و گسترش داد، و چگونه به نسل جدیدی از دانش آموزان نشان داد که چقدر می تواند انجام دهد. با شانس، کار سخت و بودجه، آنها ممکن است یکی از قدرتمندترین ابزارهای فیزیک را حفظ کنند.