Fare Fisica con il computer

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1 Fare Fisica con il computer un terzo paradigma per la Fisica del terzo millennio Maria Peressi (Dipartimento di Fisica di UniTS e Centro Nazionale di Simulazione Numerica CNR-IOM DEMOCRITOS) 4 dicembre I LINCEI PER LA SCUOLA - Lezioni Lincee in Fisica Aula Magna dell Universita di Trieste

2 teoria esperienza

3 esperienza teoria simulazione

4 ma come siamo arrivati a questa terza colonna della fisica oggi?

5 Un po di storia... (soprattutto) negli ultimi 60 anni ( e soprattutto) del rapporto tra fisica e computer fisica (fisici) computer

6 All inizio della storia... chi e considerato l antenato del computer?

7 All inizio della storia... chi e considerato l antenato del computer? Il telaio semiautomatico Jacquard (1801) per tessuti. Le schede perforate programmano il disegno del tessuto azionando i fili colorati della trama.

8 All inizio della storia... (inizio XIX sec) I Telai Jacquard (1801) costituiscono un primo esempio di inserimento automatico di istruzioni attraverso schede perforate. macchina differenziale di Charles Babbage scheda in cui e immagazzinato il valore di π

9 All inizio della storia... (inizio XIX sec) Charles Babbage impegno tutte le proprie energie intellettuali, fisiche, economiche, nella progettazione e nel tentativo, mai portato a temine, della costruzione, della "Macchina analitica": non era un semplice strumento per eseguire calcoli numerici, bensì una macchina simbolica suscettibile di svariate applicazioni. "La macchina analitica tesse disegni algebrici, così come il telaio Jacquard tesse fiori e foglie" (Ada Byron Lovelace)

10 All inizio della storia... (meta XIX sec) Ada Augusta Byron (Ada Lovelace) ( ): a lei si deve l'idea che un computer puo e deve essere programmabile, e l idea di software : il computer e' in grado di fare tante cose diverse basta che gli forniamo la ricetta di quello che vogliamo che faccia Ada scrive per il primo programma, cioe un algoritmo che avrebbe dovuto funzionare la macchina analitica che Charles Babbage progetto ma che non fu mai realizzata Giuseppe O. Longo, MONDO DIGITALE n.2 - giugno 2008

11 Piu di recente... (meta XX sec) Gli anni a cavallo della seconda guerra mondiale segnano il vero inizio della tecnologia del computer. Perche : Lo sviluppo della radio rende disponibili componenti elettronici (valvole) non ideali ma ragionevolmente maneggevoli. I militari vogliono: - risolvere un problema di fisica: calcolare con precisione le traiettorie dei proiettili di artiglieria => il prototipo del computing scientifico -decrittare i codici cifrati del nemico => il prototipo del data processing su larga scala

12 lossus, sviluppato in Inghilterra intorno al 1943, sotto la guida di an Turing. I dinosauri Utilizzato per la del decrittazione calcolo dei messaggi cifrati eschi. ark1, sviluppato negli Stati Uniti scientifico l Km di cavi e qualche arafaggio (!?!) Colossus (Inghilterra, ~1943): iac (1946). Il primo sistema tto utilizzato elettronico. per la decrittazione dei messaggi cifrati tedeschi. Mark1 (Stati Uniti, ~1944): 800 Km di cavi e qualche bug (!?!) Eniac (Philadelphia, 1946): Il primo sistema tutto elettronico ( valvole!) per calcoli balistici

13 ... con il primo bug Una notte di agosto del 1945, il Mark1 iniziò a fare i capricci dopo un bel po di ricerche, il tenente di Marina Grace Hopper trovo una falena incastrata tra i cavi e le valvole. La prese, la incollò sul registro del computer e annotò l evento dettagliatamente, parlando di bug (Smithsonian Nat.l Museum of American History)

14 Verso una vera programmabilita......grazie a John von Neumann (ungherese, ): - Prima della guerra si dedica alla Meccanica Quantistica - Nella II guerra mondiale partecipa al Progetto Manhattan - Dopo la guerra gli chiedono qualche consiglio 'teorico' su come si puo realizzare un calcolatore nasce l' architettura di von Neumann, che e' tuttora un valido modello di riferimento per un computer.

15 Qualche problemino pratico... L' idea di von Neumann rendeva i computer piu' facili da usare; non ne riduceva pero' le dimensioni (ENIAC: 16 m x 2.5 m; 30 ton), il costo ( $ all epoca! preventivo $) e l inaffidabilita' (1 valvola bruciata ogni 2 minuti in fase di accensione!)

16 ...e poi una speranza: Un passo fondamentale arriva dalla ricerca di base in fisica dello stato solido: nel 1947 Bardeen, Brattain e Shockley ai Bell Labs di Murray Hill realizzano il primo transistor (otterranno il Nobel nel 1956). Il transistor svolge lo stesso ruolo delle valvole elettroniche, ma e' 100 volte piu'compatto. I Bell Labs prendono la storica decisione di NON brevettare questa scoperta

17 ...e poi ancora : Un computer era ancora un oggetto di grande complessita' e costo. L' ultimo passo necessario per trasformarlo in un oggetto di largo consumo e' stata l'invenzione del circuito integrato, un unico cristallo di silicio su cui vengono costruiti decine, centinaia,... oggi milioni di transistor. Il primo circuito integrato e' del 1958, sviluppato alla Texas Instruments da J. Kilby (Nobel 2000)

18 ...e poi ancora : Un computer era ancora un oggetto di grande complessita' e costo. L' ultimo passo necessario per trasformarlo in un oggetto di largo consumo e' stata l'invenzione del circuito integrato, un unico cristallo di silicio su cui vengono costruiti decine, centinaia,... oggi milioni di transistor....oggi...:

19 Ma non basta l hardware... Fino agli anni 50: mancanza di una maniera standard (non dipendente dai dettagli di ogni specifico computer) per scrivere le ricette. La Hopper (quella del bug ) intui e propose una linea risolutiva, e guido' i team di sviluppo per: FORTRAN: il prototipo di linguaggio di programmazione per le applicazioni scientifiche (1957)

20 Una previsione... apple # '! apple# % # )! apple apple #! # #! * # ( # appleapple *# % apple #% +"" %#!! '!%! appleapple! # '! ( '# " %# ' / apple/ '% '!% % # apple *! '!! %apple/ '# '#' appleapple/! # appleapple/ '#%!!!, #%#! apple % % %! / ' apple! ' #! % # % % % apple / apple # apple! % # % # % ) ##!/ % / ' % apple! #!! %! apple! # %! ## # apple/ %!!% # %!apple/ /# %! %! ' %!/ * / apple # *!

21 Una previsione... di 50 anni fa! apple # '! apple# % # )! apple apple #! # # # appleapple/ '#%!!!, #%#! apple %! * # ( # appleapple *# % apple #% +"" %# % %! / ' apple! ' #! % # % % % apple!! Cramming '!%! more appleapple components! # '! ( '# into integrated / apple # circuits apple! % by Gordon # % # % ) E. Moore ##!/ % " %# ' / apple/ '% '!% / ' % apple! #!! %! apple! # %! ## # apple/ %!!% # % # apple *! '!! %apple/ '# '#' appleapple/! %!apple/ /# %! %! ' %!/ * / apple # *!

22 Una previsione... La legge di Moore: il costo di ogni transistor in un circuito integrato dimezza circa ogni 2 anni, oppure, a parita di costo: le prestazioni dei processori, e il numero di transistor, raddoppiano ogni 2 anni.

23 Oggi: classifica dei supercomputer più potenti al mondo (aggiornata: 12 novembre 2012) 1) TITAN nodi, CPU+GPU (ogni nodo: processore AMD Opteron con 6 core e una scheda Nvidia Tesla K20- tipo quelle dei videogiochi!!!) prestazioni: fino a 20 PFlop (peta = )

24 Oggi: classifica dei supercomputer più potenti al mondo (aggiornata: 12 novembre 2012) 9) FERMI per un totale di computing core e prestazioni max di 2,1 PFlops.

25 Negli ultimi decenni: A meta' degli anni 1970 c'erano al mondo circa computer: anche i fisici se li possono permettere (!) per: Comunicazioni Data bases Calcolo simbolico Controllo strumentazione Raccolta e analisi dati Visualizzazione Calcolo numerico Simulazioni si tratta davvero di fare Fisica con il computer!

26 Simulazioni Esperimenti virtuali che estendono la portata dei metodi sperimentali (verso i limiti dell infinitamente GRANDE, infinitamente piccolo, infinitamente rapido, infinitamente l e n t o...) possono confutare teorie e modelli esistenti suggeriscono nuovi modelli e teorie aprono la strada alla formulazione di nuove leggi

27 simulare che cosa? l infinitamente grande......l infinitamente piccolo (un artist s impression )

28 simulare che cosa? l infinitamente grande... n i l o t n a t e t o n z e z e m m a t n i i n i f h c c e a t s i...l infinitamente piccolo (un artist s impression )

29 Alcuni esempi

30 Dall infinitamente grande... IMMAGINE OTTICA REALE `The Mice', NGC SIMULAZIONE Uno scontro tra due dischi galattici che produce una configurazione che assomiglia a The Mice.

31 ... e infinitamente lento... IMMAGINE OTTICA REALE `The Mice', NGC SIMULAZIONE Uno scontro tra due dischi galattici che produce una configurazione che assomiglia a The Mice. (Tempo nella simulazione: in unita di circa 160 milioni di anni)

32 ...a scale di lunghezze e tempi normali sospensioni colloidali: SIMULAZIONE del moto di un colloide con particelle cariche in un condensatore (le particelle del solvente non sono visibili) Senza effetti idrodinamici Con effetti idrodinamici

33 SIMULAZIONE di moto browniano in presenza di gravita sedimentazione di sfere rigide, incluse interazioni idrodinamiche con le particelle del solvente (qui invisibili)

34 La dinamica dei fluidi anche con i fluidi... sa succede in un fluido scaldato dal basso e tenuto a bassa peratura Cosa succede in alto????? in un fluido scaldato dal basso e tenuto a bassa temperatura in alto?????

35 ... fin verso il limite delle nanotecnologie perche ci interessa? quali sono i limiti dell osservazione sperimentale? quali contributi puo dare la simulazione?

36 Nanotecnologia: la discesa verso la scala atomica le proprietà fisiche dei materiali in condizioni normali sono determinate dai singoli atomi che li compongono Oggi, in laboratorio, e possibile costruire, manipolare e misurare atomo per atomo E pure possibile simulare atomo per atomo, a condizione di usare le moderne leggi della fisica quantistica

37 Reazioni chimiche su superfici: sintesi del metanolo con catalizzatore di Nichel prima idrogenazione dell anidride carbonica CO 2 + H -> COOH

38 Struttura di macromolecole g struttura atomica da simulazione quantistica della funzionalita di un farmaco anti-cancro: cisplatino NH 3 Pt Pt(NH 3 ) 2 Cl 2 NH 3 g SIMULAZIONE dell azione del cisplatino quando si lega a due guanine adiacenti nella doppia elica del DNA: distorsione dell elica! (come da evidenze sperimentali)

39 ...ma come si fa a fare delle simulazioni??? approccio deterministico approccio stocastico/probabilistico (metodi Monte Carlo)

40 L approccio deterministico conosco le equazioni che descrivono un sistema fisico non so come risolverle con carta e matita (soluzione analitica); chiedo al computer di risolverle per me... anche in maniera approssimata (soluzione numerica) Esempio: moto dei pianeti

41 pianeti... The deterministic method Discretization of the equation of motion and iteration: Conosco la legge di forza (F = ma = G mm/r 2 ), ma come faccio, se F non e costante? A partire da: x(t=0), v(t=0), F(t=0) : ricostruiamo il moto a pezzettini, considerando F (e quindi a) costante tra un fotogramma e l altro: F 1 F 2 F 3 F 4 x(1) v(1) F(1) x(2) v(2) F(2) x(3) v(3) F(3) Con il calcolatore posso, un passetto alla volta, predire il futuro...

42 L approccio stocastico probabilistico: Utile per trattare: metodo Monte Carlo 1) processi fisici che sono intrinsecamente probabilistici (es.: processi di decadimento, di diffusione,...) 2) grandi sistemi che hanno cosi tante variabili, o gradi di liberta`, che un trattamento esatto del loro moto e impossibile e inoltre inutile (es.: proprieta termodinamiche di gas, dinamica di galassie,...)

43 L approccio stocastico probabilistico: metodo Monte Carlo qualunque procedura che fa uso di variabili casuali, ossia variabili i cui valori sono aleatori ma con una ben definita distribuzione statistica

44 Una semplicissima applicazione del metodo Monte Carlo: l area di una pozzanghera, di una macchia...

45 Una semplicissima applicazione del metodo Monte Carlo: l area di una pozzanghera, di una macchia... lancio a caso ma in modo uniforme dei sassi entro un rettangolo che la contenga, e conto quanti cadono dentro: A pozzanghera A rettangolo = N dentro N tot

46 fare fisica con il computer sul fronte della scienza: proporre modelli e meccanismi al fine di aiutare la formulazione delle leggi fondamentali della natura spiegare le proprietà dei sistemi macroscopici a partire dalle equazioni che determinano la dinamica dei loro costituenti microscopici sul fronte della tecnologia: proporre materiali e dispositivi con determinate proprietà

47 The computer is a tool for clear thinking [Freeman J. Dyson]

48 posso fare qualcosa anch io?

49

50 Stage di orientamento tra gennaio e febbraio 2013: in collaborazione con il Corso di Laurea in Fisica diversi stage (ognuno di 3 ore pomeridiane) su vari argomenti All interno di questi, ciclo: Fare fisica con il computer vedi per i dettagli

51 Scuola Estiva di Fisica Moderna luglio 2013 in collaborazione con UniUD Stage residenziale probabilmente 2-6 settembre giorni al Dipartimento di Fisica e nei vari Enti e Laboratori cittadini di ricerca i Fisica

52 ...insomma, le occasioni non mancano... di fisica ce n e per tutti i gusti!... e l importante e sempre saper osservare e stupirsi...

53 Appartengo alla schiera di coloro che hanno colto la bellezza che e propria della ricerca scientifica. Uno scienziato in laboratorio (...o al computer...) non e solo un tecnico: si trova di fronte alle leggi della natura come un bambino di fronte al mondo delle fiabe (Marie Curie)

54 Non so cosa il mondo pensera di me; a me sembra di essere stato solo un fanciullo che gioca sulla riva del mare e si diverte a trovare, ogni tanto, un sassolino un po piu levigato o una conchiglia un po piu graziosa del solito, mentre il grande oceano della verita si stende inesplorato dinanzi a me (Isaac Newton)

55 grazie per l attenzione!