مخاطر تقادم برنامج حاسوبي في فيزياء الجسيمات الحاسمة

مؤخرا ، شاهدت تحدث زميل في فيزياء الجسيمات عن حساب دفعه إلى مستوى جديد من الدقة. أداته؟ برنامج كمبيوتر من حقبة الثمانينيات يسمى FORM.

يستخدم علماء فيزياء الجسيمات بعضًا من أطول المعادلات في العلوم. للبحث عن إشارات لجسيمات أولية جديدة في تصادمات في مصادم الهادرونات الكبير ، على سبيل المثال ، يرسمون آلاف الصور المسماة مخططات فاينمان التي تصور نتائج الاصطدام المحتملة ، كل واحدة ترميز صيغة معقدة يمكن أن تكون بملايين الحدود. من المستحيل تجميع صيغ مثل هذه باستخدام القلم والورق ؛ حتى إضافتها بأجهزة الكمبيوتر يمثل تحديًا. قواعد الجبر التي نتعلمها في المدرسة سريعة بما يكفي لأداء الواجبات المنزلية ، لكن بالنسبة لفيزياء الجسيمات فهي غير فعالة على الإطلاق.

تسعى برامج تسمى أنظمة جبر الكمبيوتر للتعامل مع هذه المهام. وإذا كنت ترغب في حل أكبر المعادلات في العالم ، فقد تميز برنامج واحد لمدة 33 عامًا: FORM.

تم تطوير FORM بواسطة عالم فيزياء الجسيمات الهولندي Jos Vermaseren ، وهو جزء أساسي من البنية التحتية لفيزياء الجسيمات ، وهو ضروري لأصعب الحسابات. ومع ذلك ، كما هو الحال مع العديد من الأجزاء الأساسية للبنية التحتية الرقمية ، فإن صيانة FORM تعتمد إلى حد كبير على شخص واحد: Vermaseren نفسه. وفي سن 73 ، بدأ في التراجع عن تطوير FORM. بسبب هيكل الحوافز في الأوساط الأكاديمية ، حيث نشرت الجوائز أوراقًا ، وليس أدوات برمجية ، لم يظهر خليفة. إذا لم يتغير الوضع ، فقد تضطر فيزياء الجسيمات إلى التباطؤ بشكل كبير.

بدأ FORM بدايته في منتصف الثمانينيات ، عندما كان دور أجهزة الكمبيوتر يتغير بسرعة. سابقتها ، برنامج يسمى Schoonschip ، تم إنشاؤه بواسطة Martinus Veltman ، تم إصداره كشريحة متخصصة قمت بتوصيلها بجانب كمبيوتر Atari. أراد Vermaseren جعل برنامج يسهل الوصول إليه يمكن تنزيله من قبل الجامعات حول العالم. بدأ برمجته بلغة الكمبيوتر FORTRAN ، والتي تعني ترجمة الصيغة. كان اسم FORM عبارة عن ضجيج في ذلك. (تحول لاحقًا إلى لغة برمجة تسمى C.) أصدر Vermaseren برنامجه في عام 1989. وبحلول أوائل التسعينيات ، قامت أكثر من 200 مؤسسة حول العالم بتنزيله ، واستمر العدد في الارتفاع.

منذ عام 2000 ، تم نشر ورقة بحثية في فيزياء الجسيمات تستشهد بـ FORM كل بضعة أيام ، في المتوسط. أكثر من [high-precision] قال توماس غيرمان ، الأستاذ في جامعة زيورخ ، إن النتائج التي حصلت عليها مجموعتنا في العشرين عامًا الماضية كانت تستند إلى حد كبير على كود FORM.

جاءت بعض شعبية FORM من الخوارزميات المتخصصة التي تم إنشاؤها على مر السنين ، مثل خدعة لمضاعفة أجزاء معينة من مخطط Feynman بسرعة ، وإجراء لإعادة ترتيب المعادلات للحصول على أقل عدد ممكن من عمليات الضرب والإضافات. لكن أقدم وأقوى ميزة لـ FORM هي كيفية تعامله مع الذاكرة.

مثلما يمتلك البشر نوعان من الذاكرة ، الذاكرة قصيرة المدى وطويلة المدى ، فإن أجهزة الكمبيوتر لها نوعان: رئيسية وذاكرة خارجية. من السهل الوصول إلى الذاكرة الرئيسية – ذاكرة الوصول العشوائي للكمبيوتر الخاص بك – أثناء التنقل ولكنها محدودة الحجم. تحتوي أجهزة الذاكرة الخارجية مثل الأقراص الثابتة ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة على معلومات أكثر بكثير ولكنها أبطأ. لحل معادلة طويلة ، تحتاج إلى تخزينها في الذاكرة الرئيسية حتى تتمكن من التعامل معها بسهولة.

في الثمانينيات ، كان كلا النوعين من الذاكرة محدودًا. قال بن رويجل ، الطالب السابق في مطور Vermaseren و FORM وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في المعهد الفيدرالي السويسري لـ تكنولوجيا زيورخ. شكل هذا تحديًا: كانت المعادلات طويلة جدًا بحيث يتعذر على الذاكرة الرئيسية التعامل معها. لحساب واحد ، يحتاج نظام التشغيل الخاص بك إلى التعامل مع القرص الثابت الخاص بك كما لو كان أيضًا الذاكرة الرئيسية. نظام التشغيل ، الذي لا يعرف حجم المعادلة التي تتوقعها ، يقوم بتخزين البيانات في مجموعة من “الصفحات” على القرص الصلب ، ويتم التبديل بينها بشكل متكرر حيث كانت هناك حاجة إلى قطع مختلفة – وهي عملية غير فعالة تسمى المبادلة.

FORM يتجاوز المبادلة ويستخدم أسلوبه الخاص. عند العمل باستخدام معادلة في FORM ، يخصص البرنامج لكل مصطلح مقدارًا ثابتًا من المساحة على القرص الثابت. تتيح هذه التقنية للبرنامج تتبع مكان أجزاء المعادلة بسهولة أكبر. كما أنه يجعل من السهل إعادة تلك القطع إلى الذاكرة الرئيسية عند الحاجة إليها دون الوصول إلى الباقي.

نمت الذاكرة منذ الأيام الأولى لـ FORM ، من 128 كيلو بايت من ذاكرة الوصول العشوائي في Atari 130XE في عام 1985 إلى 128 جيجا بايت من ذاكرة الوصول العشوائي في سطح المكتب الذي تم تحسينه – وهو تحسن بمقدار مليون ضعف. لكن الحيل التي طورها Vermaseren لا تزال حاسمة. نظرًا لأن علماء فيزياء الجسيمات يتنقلون من خلال بيتابايت من البيانات من مصادم الهادرونات الكبير للبحث عن أدلة على جسيمات جديدة ، فإن حاجتهم إلى الدقة ، وبالتالي طول معادلاتهم ، تزداد.