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让粒子物理学家计数大于2的算法

放大字体  缩小字体 2024-12-02 23:52  浏览次数:13

托马斯•格曼(Thomas Gehrmann)还记得,20年前的某一天,无数数学表达式如洪水般从他的电脑屏幕上倾泻而下。

他试图计算出三个基本粒子喷射出两个粒子碰撞的概率。这是物理学家为了检验理论与实验结果是否相符而经常做的一种基本计算。然而,更准确的预测需要更长的计算,而格曼正在做更大的预测。

利用理查德·费曼(Richard Feynman) 70多年前发明的标准方法,他绘制出了数百种可能的碰撞粒子变形和相互作用方式的草图,然后喷射出三股喷射流。把这些事件的个别概率加起来,就得到了三架飞机的总体概率。

但格曼需要软件来计算他的概率公式中的35000项。至于计算呢?他说,那时“你就会举起投降的旗帜,和你的同事交谈”。

幸运的是,他的一个同事碰巧知道一种尚未发表的技术,可以大幅缩短这种公式。通过这种新方法,格曼看到数以千计的项合并在一起,然后消失。在剩下的19个可计算表达式中,他瞥见了粒子物理学的未来。

今天,称为拉波尔塔算法的简化程序已经成为精确预测粒子行为的主要工具。“它无处不在,”哥本哈根大学(University of Copenhagen)的粒子物理学家马特·冯·希普尔(Matt von Hippel)说。

虽然该算法已经在全球传播,但它的发明者斯特凡诺·拉波尔塔(Stefano Laporta)仍然不为人所知。他很少参加会议,也没有召集一大批研究人员。“很多人都以为他死了,”冯希佩尔说。相反,拉波尔塔现在住在意大利的博洛尼亚,正在逐步研究他最关心的计算方法,正是这个方法催生了他的开创性方法:对电子如何在磁场中移动的更加精确的评估。

一个,两个,很多

预测亚原子世界的挑战在于,有无限多的事情可以发生。即使是一个只关心自己的电子也可以自发地发射并回收光子。在此期间,光子可以召唤出额外的粒子。所有这些好管闲事的人都轻微地干扰电子的事务。

在费曼的计算方案中,相互作用前后存在的粒子变成了卡通草图中进出的线,而那些短暂出现然后消失的粒子则在中间形成了循环。费曼发现了如何将这些图转换成数学表达式,其中循环变成了被称为费曼积分的求和函数。更有可能发生的事件是那些具有较少循环的事件。但是,物理学家在做出可以在实验中验证的那种精确预测时,必须考虑更罕见、更复杂的可能性;只有这样,他们才能发现计算中可能缺失的新基本粒子的细微迹象。循环次数越多,积分次数就越多。

说明:广达电脑杂志

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