内容 蒂尼·维尔特曼(1931-2021):从汇编语言到诺贝尔奖

蒂尼·维尔特曼(1931-2021):从汇编语言到诺贝尔奖

蒂尼·维尔特曼(1931-2021):从汇编语言到诺贝尔奖

这一切都始于费曼图

在粒子物理学中,任何严肃的计算都需要大量的代数运算。也许它不需要。但是这些方法基于费因曼图就我们目前所知,确实如此。事实上,正是这些计算第一次引导我使用计算机进行符号计算.那是在1976年,现在已经是很久以前的事了。但实际上,用计算机计算费曼图的想法更早。

据我所知,这一切都始于餐厅外面露台上的一次谈话欧洲核子研究中心粒子物理实验室1962年在日内瓦附近。三位物理学家参与其中。在那次谈话中出现了三个早期的代数计算系统。一个是用Fortran.一个是用口齿不清.其中一个是写在汇编语言

我把这个故事讲了好几遍,还经常加上一句:“你认为这些物理学家中有谁后来获得了诺贝尔奖?”“当然,”我解释道,“就是那个用汇编语言编写系统的人!”

物理学家是中国(Tini) Veltman他几周前去世了,我认识他已经几十年了。他的系统被称为SCHOONSCHIP,他在IBM 7000系列汇编语言。几年后,他把它改写了疾病预防控制中心6000系列汇编语言。

重点总是在速度上。多年来,SCHOONSCHIP一直是进行大规模费曼图计算的主要系统——这可能需要花费数月的计算机时间。

早在20世纪60年代初,当SCHOONSCHIP首次问世时,费曼图——以及它们所源自的量子场论——已经过时了。费曼图是在20世纪40年代发明的,用于计算量子电动力学(电子和光子的量子理论),而且进展顺利。但是,人们的注意力转向了使原子核聚集在一起的强相互作用和导致核衰变的弱相互作用,在这两种情况下,费曼图似乎都不是特别有用。

然而,有一种理论弱相互作用这涉及到尚未观测到的“中间矢量玻色子”(即我们现在所说的玻色子的前身)W粒子).1961年,作为他博士论文的一部分,tini Veltman开始研究光子如何与中间矢量玻色子相互作用的问题。为此他需要详细的费曼图计算。

我不确定Tini是否已经知道如何编程,或者他学习它的目的是创建schoonschp -尽管我知道他从小就是一个电子爱好者。

我想我第一次接触SCHOONSCHIP是在1976年,我用它做了一些计算。在我现在的档案中,我只能找到一个运行它的例子:有人为我做的一个计算样本,可能是在1978年,与我写的东西(尽管没有发表):

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以现代标准来看,它看起来有点模糊。但这是一个相当典型的“老式行打印机输出”。在顶部有一个输入版本。然后是中间的诊断。然后结果出现在底部。系统报告说生成这个花了0.12秒。

这个特别的结果是一个非常简单的费曼图,涉及光子和电子的相互作用,只涉及9项。但SCHOONSCHIP也可以处理涉及数百万项的结果(这是允许的QED中的计算要达到8位精度).

1979

完工后数日内我在加州理工学院的理论物理学博士学位1979年11月,我飞往瑞士日内瓦,在欧洲核子研究中心呆了几个星期。正是在那次拜访中,我开始设计SMP(“符号操作程序”)——这一系统将成为……的先驱MathematicaWolfram语言

当我提到我在欧洲核子研究中心的工作时,他们说"你应该去找蒂尼·维尔特曼谈谈"

1979年12月,我飞到阿姆斯特丹,去见蒂尼·维尔特曼。第一件让我震惊的事是“Tini”(读作“teeny”)这个名字显得多么不协调。(当时,我甚至不知道他为什么叫蒂尼;我只看到他的名字叫M。他不知道“Tini”是“Martinus”的缩写。)但蒂尼身材魁梧,留着大胡子——一点也不“小”。他让我想起了欧洲古代学者的照片——出于某种原因,尤其是欧洲学者的照片路德维希玻耳兹曼

当时他48岁;我20岁的时候。他肯定对我所拥护的“新奇的计算机想法”有点好奇。但总的来说,他承担了一位年长政治家的责任,让我了解了如何构建SCHOONSCHIP这样的计算机系统的秘密。

我把SCHOONSCHIP念成scoon-ship。他眨了眨眼睛,把它纠正成一种很有喉音的“scohwn- schchhip”(异丙醇: [sxon][sxɪp]),他解释说,是的,他给了它一个荷兰名字,非荷兰人很难念出来。(荷兰语“”schoonschip大致意思是“整齐”,就像SCHOONSCHIP被认为是用来做出一个人的代数表达式一样。)SCHOONSCHIP的一切都是为了效率而建造的。命令很简短。蒂尼特别满意是的用于生成中间结果,他说,这在荷兰语中是助记符(是的,SCHOONSCHIP可能是唯一一个关键字源自荷兰语的计算机系统)。

如果您查看上面的示例SCHOONSCHIP输出,您可能会注意到其中有一些奇怪的地方。生成的(精确的)代数表达式结果中的每一个数后面都有一个小数点。甚至还有+0。在最后。这是怎么回事?这是蒂尼一直想告诉我的一个大秘密。

他说:“浮点运算比整数运算快得多。”你应该尽你所能使用浮点运算。只有在最后把它转换成精确的数字。”而且,没错,那个时代的科学计算机——比如他使用的CDC机器——在浮点运算方面做了很大的优化。他引用了教学时间。他解释说,如果你做所有在“快速浮点”运算,然后得到一个64位浮点数到最后,你总是可以反向工程有理数是应该是什么——这是更快比跟踪有理数通过计算准确。

这是一次巧妙的黑客攻击。我买下了它。事实上,当我们实现SMP时,它的默认“精确”算法就是这样工作的。我不确定它是否真的提高了计算效率。最后,它与SMP相当抽象和通用的设计纠缠在一起,成为一个沉重的负担。但实际上,我们在现代Wolfram语言中使用了一些类似的想法(尽管现在使用正式验证的区间算术)来做精确的计算,比如代数的数字

Tini作为物理学家

我不确定我是否和蒂尼谈过物理学的内容;不知何故,我们总是以讨论计算机(或物理社区)而告终。但我确实利用了蒂尼的努力,不仅简化了计算机实现,而且简化了费曼图计算的基本理论。我认为——正如我经常看到的那样——他简化基本理论的努力是由计算术语的思考驱动的。但我特别使用了"Diagrammar他在1972年制作了:

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这里介绍的主要方法之一是所谓的量纲正则化即正式计算结果的概念d维空间(d连续变量),然后取极限d最后4个。这是一种优雅的方法,当我在20世纪70年代末研究粒子物理时,我成了它的狂热爱好者。(事实上,我甚至提出了它的扩展基于观察的角度结构Gegenbauer功能作为d是由托尼·特拉诺进一步发展的和我一起研究费曼图的计算,然后是SMP。)

回溯到20世纪70年代,“继续d“维度”只是一种形式的把戏。但是,奇怪的是,在我们的物理项目,在那里维度是一个突现性,一个人对“真诚”感兴趣d维”空间。而且,很有可能,在实验中可以观察到d三维空间。在思考这个问题的时候,完全独立于蒂尼,我正准备再次拿出我的那本《图解》。

蒂尼写SCHOONSCHIP的最初动机是一个具体的计算,涉及光子和假定的“中间矢量玻色子”的相互作用。但是到了20世纪60年代末,“中间矢量玻色子”的理论有了一个实际的可能性:规范玻色子基本上与“规范对称群”SU(2)有关,并通过“自发对称破断”和“规范玻色子”来获得质量。希格斯机制”。

但是如果一个人在“规范理论”中使用费曼图计算会发生什么呢?他们会有renormalizability财产理查德·费曼已经在量子电动力学中确定了,这样就可以不用担心名义上在计算中产生的无穷?蒂尼·维尔特曼想弄清楚这个问题,很快就把这个问题告诉了他的学生杰拉德’t Hooft(他是《图解》的合著者)。

蒂尼已经定义了这个问题,并将需要的东西形式化,但不是胡夫特解决了这个问题,并最终在他1972年的博士论文中提出了一个相当详尽的规范理论可重正化证明。这是一个重大的、备受瞩目的结果——为后来的研究提供了被视为关键理论验证的第一部分标准模型粒子物理。它开启了胡夫特的职业生涯。

蒂尼·维尔特曼总是给我一种想要与人互动和合作的印象。杰拉德·t·胡夫特一直给我的印象是,他在研究物理学时更倾向于“独狼”模式。多年来,我一直在与杰拉德交流(事实上,我第一次见到他是在我遇见蒂尼的几年前)。看到他在过去的半个世纪里发明了一长串最具创造力的物理学想法,让人印象深刻。虽然这不是我在这里的重点,但我应该提一下,杰拉德在20世纪80年代末对细胞自动机产生了兴趣,几年前甚至写了一本书,叫量子力学的元胞自动机解释.我一直不太明白他在说什么,我怀疑——尽管他使用数学——他永远不会探索了计算领域足以让你对那里发生的事情产生真正的直觉。但实际上,最近,看起来好像有一个极限情况我们的物理项目可能正好对应Gerard一直在谈论的内容——那将是非常酷的……

但我离题了。从1966年开始,蒂尼是乌得勒支大学的教授。1974年,杰拉德也成为了那里的一名教授。甚至在1979年我遇到蒂尼的时候,就已经有传言说他们闹翻了。据报道杰拉德说蒂尼什么都不懂。据报道,蒂尼说杰拉德是“一个怪物”。然后是诺贝尔奖的问题。

随着标准模型获得动力,并越来越多地被实验验证,规范理论的重正化证明似乎越来越有可能获得诺贝尔奖。但谁会真正得到这个奖呢?杰拉德是清楚的。那Tini呢?有谣言说,有信件争论,有谣言说,有下流的竞选活动。

奖金总是一个复杂的问题。它们通常是用来激励某些东西的,尽管实际上它们通常是为了给予者的利益。但如果他们成功了,他们本身就代表着目标。几年前,我记得一位著名物理学家的妻子建议我“做一些可以获奖的事情”。这对我来说没有意义,然后我意识到原因。“我想做的事情”,我说,“还没有人想到要为此发明一个奖项。”

好消息是,在1999年,诺贝尔委员会决定将诺贝尔奖颁给杰拉德和蒂尼.“谢天谢地”是大家的普遍情绪。

蒂尼去了密歇根

当我1979年访问乌得勒支的蒂尼时,我得到的印象是,他和他的家人深深地扎根在荷兰,并将永远留在那里。我知道蒂尼曾在欧洲核子研究中心待过一段时间,我想我也隐约知道他曾参与过那里的中微子实验。但是我不知道SCHOONSCHIP不是最初写Tini在乌得勒支的时候或者在欧洲核子研究中心:尽管欧洲核子研究中心程序库版本称这是“写于1967年的m . Veltman在欧洲核子研究中心”是写在第一个版本的心将成为硅谷,期间Tini then-very-new工作斯坦福直线加速器中心在1963年,。

他也一起去了约翰•贝尔(贝尔的不平等他的“白天的工作”是工作中微子实验的理论方面.(当时,量子力学的基础并没有得到其他物理学家的尊重。)奇怪的是,当时在斯坦福的另一个人也是托尼·赫恩他是欧洲核子研究中心在平台上进行讨论的物理学家之一。但不像蒂尼,他爱上了计算机科学约翰·麦卡锡轨道在斯坦福大学,用LISP写了他的REDUCE程序。

顺便说一下,在拼凑蒂尼的生活和时代的故事时,我发现了另一个“小世界”的细节。在1961年,早期版本的Tini感兴趣的中间玻色子计算是由两位著名的物理学家,t·d·李c . n .杨-在电脑的帮助下。他们得到了某种IBM的Peter Markstein他和他的妻子Vicky Markstein将会在近30年后在获得Mathematica在IBM RISC系统上运行.但无论如何,在1961年,李和杨显然不愿意让蒂尼使用彼得·马克斯坦创建的程序,这就是为什么蒂尼决定自己制作程序,并编写SCHOONSCHIP来实现它。

但是回到主要的故事。我怀疑这是和杰拉德·t·胡夫特不和的结果。但在1980年,50岁的蒂尼把自己和家人从乌得勒支迁到了密歇根大学在密歇根州的安娜堡。他花了不少时间在费米实验室在芝加哥附近,在中微子实验中和周围。

但我与蒂尼的第二次主要接触是在密歇根。在1979年看到Tini之后,我就开始构建SMP——在CERN和加州理工学院- - - - - -我接受了加州理工学院的教职.在1981年初发布了SMP的1.0版.在加州理工学院最初的鼓励下,我努力想弄清楚如何进一步发展它,最终我开始了我的第一家公司.但很快(通过一系列事件)我所描述的地方加州理工学院改变了主意,1982年6月,我决定离开加州理工学院。

我给蒂尼写了信,让我有点吃惊的是,他很快就开始积极地想把我招到密歇根去。他写信给我,问我怎样才能到达那里。排在第三位的是职位类型,“研究或教师”。二是“工资”。但首先是“计算机”——附带说一句:“我知道你想要一个VAX;这需要一些细节。”密歇根大学确实给了我一个不错的教授职位,但在几个可能的人选中我选择了高等研究院结果,我从未有机会与蒂尼近距离接触。

几年后,我开始研究Mathematica,也就是后来的Wolfram语言。不,我没有再次用浮点表示代数系数。Mathematica 1.0于1988年发布不久之后,蒂尼告诉我,他正在用另一种语言写一个新版本的SCHOONSCHIP。“什么语言?”,我问。“68000名组装工”,他说。“你不是认真的吧!”我说。但他确实是,而且不久之后就成了新版SCHOONSCHIP出现了,用68000汇编程序编写。

我想,不知为何,蒂尼从来没有真正完全信任任何比汇编级别更高的东西——他自豪地告诉我,他可以通过直接在“金属”上写下东西来完成。我谈到了可移植性。我谈到了编译器优化器。但他并不信服。在当时,也许他仍然是正确的。但是就在上周,例如,我从我们为Wolfram语言开发的符号编译器的基准测试中得到了最新的结果:一些顶级代码片段的编译版本运行速度比定制编写的C代码快30倍。是的,在能够创建快速代码方面,这台机器现在可能比Tini还要聪明。

在密歇根大学,与他更直接的实验相关的工作(我现在注意到,甚至包括一篇论文相关的我1978年的粒子物理学成果),蒂尼继续他对费曼图的长期兴趣。1989年,他写了一篇名为"伽马矩阵"的论文狄拉克矩阵计算这是许多费曼图计算的核心。然后在1994年,一本叫做Diagrammatica-有点像“Diagrammar”,但是以数学押韵结尾。

蒂尼并没有发表那么多论文,但他花了相当多的时间帮助美国粒子物理学界确定方向。不过,看看他发表的论文列表,最引人注目的是他与新利18官网客服女儿Hélène合作撰写的一篇1991年的论文。他的女儿Hélène刚刚在伯克利获得物理学博士学位(她后来进入了定量金融学):纵向偏振矢量玻色子散射中共振的可能性”。这是一篇很好的论文,与蒂尼在1961年思考的问题有迷人的“共鸣”,甚至将W粒子的相互作用与1961年风靡一时的介子之间的相互作用进行了比较。

后来Tini

1996年,蒂尼从密歇根退休,回到荷兰,着手建造一座房子。人们期待已久的诺贝尔奖于1999年揭晓。

2003年,蒂尼出版了一本书,《基本粒子物理学的事实与奥秘》,向普通观众介绍粒子物理学及其历史。书中还穿插了一页纸的对不同物理学家的总结——通常都有一些迷人的“八卦”花边新闻,这些都是蒂尼从自己的亲身经历中了解到的,或者是他在物理界工作时学到的。

其中一页描述了一些实验物理学家:

“在欧洲核子研究中心的平台上,你可以看到地平线上的勃朗峰,这在高能物理学家中非常受欢迎。你可以在那里见到几乎所有业内人士。许多倡议都是在那里开始的,许多想法都是在那个环境中诞生的。到目前为止,你还可以在那儿抽雪茄。”

这一页有一张照片,摄于1962年6月,我想这张照片一定反映了“符号计算起源的讨论”是什么样子的(是的,当时的物理学家都系着领带):

“符号计算起源讨论”

就在蒂尼获得诺贝尔奖之后,他遇到了罗尔夫Mertig,他继续了蒂尼的费曼图计算传统,创造了FeynCalc系统用于Wolfram语言。蒂尼显然解释说,如果他没有进入物理学,他可能会进入“商业”。

我不确定这是在Mathematica 1.0之前还是之后,但我记得Tini告诉我,他认为他也许应该进入软件行业。我想Tini在某些方面对物理感到沮丧。我记得我第一次见到他是在1979年,他花了几个小时告诉我有关欧洲核子研究中心的问题。标准模型的一个重要预测是所谓的中性流(与气候变化有关)Z玻色子).最后,中性电流在1973年被发现。但蒂尼解释说,早在许多年前,他就告诉欧洲核子研究中心的人,他们应该能够在实验中看到中性电流。但多年来,他们都不听他的,当他们终于听了,结果发现——因为他们早期的实验代价高昂——他们扔掉了已经生产出来的气泡室薄膜,而在薄膜上,中性电流应该在15年前就已经可见了。

当蒂尼获得诺贝尔奖时,我送给他一张祝贺卡。他回了一封有点生硬的信:

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当Tini在1979年遇到我的时候,我不确定他是否希望我起飞并最终建立一个像Mathematica这样的东西。但他在1979年的投入和鼓励,给了我沿着这条路走下去的信心。所以,谢谢Tini,谢谢你为我所做的一切,谢谢你的建议——尽管我想我还没有采纳....的建议

发布:18luck 物理

2的评论

  1. 斯蒂芬,谢谢你给我讲蒂尼的故事。我第一次和他交谈是在70年代初,当时布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)向我指出Schoonship是一种潜在的方法,可以在弯曲时空中计算量子场论。蒂尼好心地给我发了一份软件,可以通过电传打字终端在UT-Austin主机上运行。它不能做我们想做的事情,但让我想到了软件开发。在80年代早期,当我尝试着写我自己的C语言代码时,我再次和Tini交谈,他给我介绍了一个叫Wolfram的加州理工学院的人,他在做我觉得有用的软件。从现在开始的四十年里,和你以及Mathematica一起度过了一段有趣而有用的时光。感谢蒂尼和你。

    史蒂文·克里斯坦森
  2. 在荷兰皇家学院的一次讨论中,我们谈到了观众。一个人如何能舒服地代表30个人发言,却不得不习惯100个人在听。我们中的一些人说:“100张我还行,但不久前是700张,所有人都在看着你。”维尔特曼接着说:“最近(在获得诺贝尔奖后),我与1万多人进行了交谈。那是在我大学所在城市的一个体育场里。我的眼睛里看不到一个人。有一个响亮的声音,碰巧是我的,被放大了,传到了体育场。超现实主义!”

    Henk Barendregt
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