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La fisica computazionale(ovvero: l’interscambio fra l’informaticae la fisica, studio della natura)

Alessandro De AngelisUniv. di Udine, INFN Trieste e IST Lisboa

Giornate dell’orientamentoUdine, marzo 2001

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La fisica e l’informatica

n L’interplay tra fisica e matematica che ha tanto hagiovato alla comprensione della natura nei secoliscorsi ha oggi un terzo attore: l’informatica

n L’informatica espande le potenzialita’ della fisica; lafisica aiuta a costruire strumenti informatici piu’potentin Ma anche paradigmi del pensiero e logiche piu’ potenti:

il quantum computing estende le frontiere del calcolabile edel fattibile

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L’informatica aiuta la fisica

n Estende la nostra visione dell’universo in variedirezionin Il molto grande e il molto piccolon L’osservazione di lunghezze d’onda alle quali siamo ciechin I sistemi che variano molto rapidamenten I sistemi molto complessi

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La conoscenza

n La fisica costruisce modelli che spiegano la natura (omeglio le nostre osservazioni della natura, o meglio ancora leosservazioni della nostra interazione con la natura)

n Conosciamo il mondo principalmente attraverso inostri occhi, sensibili a una banda di frequenzecentrata sulla frequenza di emissione del sole

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L’informazione raccoltadai nostri occhi

n Ci ha consentito divivere in una naturaostile per milioni di anni

n Ci da’ piacere, ci fasentire piccoli ma partedell’universo

n E’ lenta, limitata eincompleta

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C’e’ ancora spazio per la lentezza?

n Negli ultimi secoli assistiamo a un’accelerazione dellascienza (della storia)

n Cerchiamo di assorbire e valutare piu’ informazione,piu’ velocemente

n Questo si riflette sul modo in cui acquisiamo edelaboriamo informazione, nel piccolissimo come suscale cosmologiche

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I due versi della conoscenza

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La fisica dei costituenti fondamentali:gli inizi dell’era sperimentale

n Emulsioni fotografiche, camere a nebbia/bolle

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Charpak e la camera a fili

n Ora l’informazione e’ facilmente digitalizzabile (ossia:traducibile in numeri) !

n La camera a fili apre la porta all’uso del computer perl’analisi dei dati in fisica fondamentale

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Rubbia e la rivoluzione elettronica

n UA1, Rubbia ‘80 : un grande esempio diuso delle tecnologie di punta (105 canalidi elettronica)

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Gli esperimenti di oggi

n Gli esperimenti di fine XX secolo : ~106 canali di elettronica, > 1interazione/secondo (DELPHI, Amaldi ‘90)

n Data Summary Tapes di 107 eventi,~1012 Bytes

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Il prossimo futuro

n Nel prossimo futuro(2005-) aspettiamo unaltro fattore 1000…

n …impossibile “vedere” glieventi senza il computer

TROPPO PICCOLI ETROPPO COMPLESSI

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(Costituenti elementari:la visione diretta non e’ possibile)

n Esperimento chiave: Rutherford 1900n La tecnica che Rutherford usò nel suo

esperimento per sondare la strutturadell'atomo viene adoperata ancor oggi:

• Una sonda (le particelle alfa)

• Un bersaglio (gli atomi della lamina)

• Un rivelatore (lo schermo)

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Test: siete bravi fisici delle particelle?

Prova anche tu! Trova la forma del bersaglio nascosto dalla nuvoletta nera...

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Soluzione...

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Le infrastrutturee l’elaborazione dell’informazione

n Tecnologie di puntanell’immagazzinamentodei dati enell’elaborazionedell’informazioneByproducts come ilWorld Wide Web

n …e dimenticatevi Matrix:ora arriva GRID

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Fisica dei costituenti elementari:il futuro

n Per andare oltre, acceleratorigrandi come le stelle e legalassie...

n Ma ci sono acceleratorigrandi come le stelle e legalassie: sono le stelle e legalassie stesse

n Dall’Universo, raggi dienergia 108 volte > di quelliche l’uomo riesce a produrre

n NASA, ESA: cercarel’infinitamente piccolonell’infinitamente grande

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GLAST verra’ spedito in orbita nel 2005 da un vettore della NASA.Lo strumento e’ ispirato alle tecniche della fisica delle particelle.Utilizzando un know-how costruito in una pluriennalecollaborazione con il CERN di Ginevra e una preziosasinergia con Informatica, a Udine abbiamo laresponsabilita’ dell’event display e di parte del softwaredi simulazione e studiamo come interpretare i segnali.

Come ci aspettiamo una mappadel cielo nello spettro dei raggigamma dopo un anno di lavorodi GLAST. Al centro la ViaLattea, la nostra galassia. A

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Vediamo solo in partecio’ che ci circonda

n C’e’ tutto un mondo di colori, ma i nostri occhi vedonosolo una stretta bandan Dal rosso al violetto nell’arcobalenon Ogni colore corrisponde a una diversa energia della luce

n Anche i colori che non vediamo hanno nomi a noifamiliari: ascoltiamo la radio, scaldiamo il cibo nelmicroonde, fotografiamo le nostre ossa mediante iraggi X...

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E il resto ?

n avete mai pensato che cosa accadrebbe se vedessimosolo il verde ?

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L’universoche non vediamo

n Quando si fa una foto sicattura la luce(anche l’immagine deltelescopio, ingrandita, vienedalla luce visibile)

n Analogamente si puo’mappare in falsi coloril’immagine di un “telescopioa raggi X”

n L’elaborazionedell’informazione e’ cruciale

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Il resto dello spettro: osservazionispaziali

n Per limitare gli effetti didiffusione dell’atmosfera,i nuovi telescopi vengonolanciati nello spazio

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La materia oscurae il nostro destino

n A volte vivono troppo pocoper noi: anche in questol’occhio del computer aiuta

n Misurare quanta materia c’e’nell’Universo ci puo’ chiarireil problema fondamentale :l’universo tornera’ indietro ocontinuera’ ad espandersiindefinitamente ?

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L’informatica e i sistemi complessi

n Frontiere piu’ lontane:dai sistemi a molticorpi al caos

n Applicazioni piu’svariate:n Chimican Scienza dei materialin Fluidodinamican …n Nascita della coscienzan Vita artificiale

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La fisica aiuta l’informatica

n Computers sempre piu’ potenti

n Nuovi paradigmi del pensieron In meccanica quantistica un oggetto puo’ essere

contemporaneamente A e non-A: tertium datur

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Lo sviluppo della tecnologia elettronica

La legge di Moore

Raddoppio delle funzioni(... dei componenti)ogni due anni

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Miglioramenti strutturali

4004 (il primo microprocessore, 1971)

80286 (1982)

Pentium III(1999)

Il primo circuito integrato (1958)

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Particella d’oro da 10 nm attaccata a un anticorpo Z-DNA J. Jackson et al., Gene 1989 84 221-226

Transistor di ricerca dell’Intel Corp.

Frontiere attuali (2005):transistor piccoli come il DNA...

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la tecnologia attuale sta passando da wafers da 20 cm a wafers da 30 cm

…su monocristalli di silicio semprepiu’ grandi

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E infine quel che forse e’ il campo piu’attuale: la computazione quantistica

n Un campo recente: iniziatodal (grandissimo) fisico R.Feynman nel 1982

n Primi algoritmi pubblicati nel1996n Semplificazione sostanziale di

molti problemi

n Una sfida epocale: costruireun computer quantistico

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La fisica sviluppa l’informaticae l’informatica sviluppa la fisica

L’interplay tra fisica e matematica che ha tanto hagiovato alla comprensione della natura nei secoliscorsi ha oggi un terzo attore: l’informatica

n Per afferrare i principi primi e il destino ultimodell’universo, i suoi osservatori diventano bionici…Fra gli strumenti il computer e’ uno dei protagonistin Sempre piu’ cerchiamo risposte ai problemi fondamentali

con l’aiuto dell’occhio del computer. L’elaborazionedell’informazione e’ la chiave

n La fisica sviluppa computers sempre piu’ potenti edefinisce nuovi paradigmi del pensiero