Wanita Pelopor Simulasi Komputer Tanpa Tanda Jasa

0



Pada tahun 1952, di Laboratorium Ilmiah Los Alamos, fisikawan teoretis Enrico Fermi, John Pasta dan Stanislaw Ulam melakukan brainstorming cara menggunakan MANIAC, salah satu superkomputer pertama di dunia, untuk memecahkan masalah ilmiah. Pada saat itu, masalah diselesaikan dengan melakukan eksperimen laboratorium atau perhitungan matematis dengan tangan. Fermi, Pasta, dan Ulam ingin menggunakan alat pemecahan masalah baru mereka—simulasi komputer—untuk memperbesar secara virtual sistem dan mengamati interaksi atomistik pada tingkat molekuler, dengan realisme yang tidak mungkin dilakukan sebelumnya.

Mereka memilih untuk mensimulasikan rantai massa titik yang dihubungkan oleh pegas, yang dirancang untuk mewakili atom yang dihubungkan oleh ikatan kimia, kemudian mengamati apa yang terjadi pada energi saat bergerak di sekitar rantai. Sistem, yang menyerupai objek pada tali yang bergetar, penting karena tidak linier—tidak dapat diselesaikan dengan memecahnya menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Interaksi antar atom secara universal nonlinier, tetapi tidak dapat diamati dengan mikroskop. Eksperimen pada MANIAC ini akan memungkinkan para ilmuwan untuk mengamati secara virtual, untuk pertama kalinya, interaksi antara atom-atom individu.

Fermi, Pasta dan Ulam merancang eksperimen; seorang programmer bernama Mary Tsingou mewujudkannya. Tsingou menulis sebuah algoritme, memprogram MANIAC, dan menjalankan simulasi berulang-ulang, sepanjang jalan membuat penyesuaian, debugging, dan mengubah input untuk membandingkan hasil. Fermi, Pasta, dan Ulam mengira energi akan menyebar di sepanjang rantai dan akhirnya mencapai keseimbangan, tetapi energi itu terus bergerak, tidak pernah menetap di mana pun. Para ilmuwan terkejut dengan hasilnya, dan eksperimen tersebut melahirkan bidang ilmu nonlinier, yang mencakup beragam bidang studi ilmiah dan matematika, seperti teori chaos. “Nonlinier adalah batas besar ilmu pengetahuan,” kata Steven Strogatz, seorang profesor matematika di Cornell University. Eksperimen khusus ini, katanya, “adalah salah satu upaya pertama umat manusia untuk melihat apa yang mengintai di perbatasan ini.”

Percobaan ini secara historis diberi nama masalah Fermi-Pasta-Ulam, atau FPU, untuk tiga fisikawan yang menulis laporan tahun 1955, tetapi banyak ilmuwan sekarang menyebutnya sebagai masalah Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou, atau FPUT. Dalam laporan asli Los Alamos, sebuah kolom mencantumkan “bekerja dengan” tiga penulis ditambah Mary Tsingou, dan halaman pertama berisi catatan kaki yang berbunyi, “Kami berterima kasih kepada Nona Mary Tsingou untuk pengkodean masalah yang efisien dan untuk menjalankan perhitungan di Los Alamos. Mesin MANIAC Alamos.”

Mary Tsingou Menzel adalah pengubah permainan ilmiah yang sangat sederhana. Masih tinggal di Los Alamos bersama suaminya, Joe Menzel, dia mengungkapkan keterkejutannya atas pentingnya eksperimen yang dia programkan hampir 70 tahun yang lalu. Ia juga terus menegaskan bahwa dirinya tidak pernah merasa diremehkan dengan tidak diikutsertakan dalam penamaan masalah. “Itu tidak pernah mengganggu saya,” kata Tsingou. “Mereka memang mengakui bahwa saya yang membuat programnya.”

Dampak eksperimen pada sains modern sulit untuk dilebih-lebihkan. “Ilmu nonlinier menghancurkan pandangan jarum jam dari alam semesta klasik dengan menunjukkan bagaimana kekacauan membatasi prediktabilitas,” kata David Campbell, seorang profesor fisika di Universitas Boston. “Studi nonlinier sekarang menjadi bagian dari kanon sains modern.”

Kebanyakan sistem, pada kenyataannya, nonlinier. “Gravitasi kuantum, kanker, sistem kekebalan, ekonomi, ketahanan ekosistem, asal usul kehidupan, perubahan iklim—semua masalah ini dicirikan oleh kumpulan loop umpan balik dan interaksi di antara berbagai bagian sistem yang membuat keseluruhan lebih atau kurang dari jumlah bagian-bagiannya,” kata Strogatz. Jenis sistem ini tidak dapat dipelajari sebelum simulasi komputer, dan simulasi komputer tidak dapat berlangsung tanpa pemrogram.

Tsingou awalnya datang untuk bekerja di Los Alamos sebagai ahli matematika, tetapi ketika ada kesempatan, dia menjadi salah satu dari sedikit orang pada saat itu yang belajar memprogram MANIAC. Saat itulah dia mulai bekerja dengan Fermi, Pasta dan Ulam dalam kelompok teoretis yang telah diberi penggunaan MANIAC, dan dia menjadi instrumental dalam eksperimen terobosan. “Kami semua duduk di sana bersama-sama,” kenang Tsingou, “dan mereka— [say], ‘Kami punya mesin ini; kita harus menemukan beberapa masalah yang tidak dapat dipecahkan sebelumnya secara teoritis.” Mereka melewati beberapa opsi tetapi memutuskan untuk mencoba senar yang bergetar.

Begitu dia tahu apa yang ingin diuji oleh para fisikawan, Tsingou menulis algoritma yang akan menjadi jalurnya untuk mendapatkan hasil. “Kami membuat diagram alur,” katanya, “karena saat Anda men-debug masalah, Anda ingin tahu di mana Anda berada sehingga Anda bisa berhenti di tempat yang berbeda dan melihat berbagai hal. Seperti proyek apa pun, Anda memiliki beberapa ide, tetapi seiring berjalannya waktu, Anda harus melakukan penyesuaian dan koreksi, atau Anda harus membuat cadangan dan mencoba pendekatan yang berbeda.”

Menjalankan simulasi membutuhkan waktu bertahun-tahun, dengan perhitungan akhir terjadi pada tahun 1955, setelah kematian Fermi. “Saya adalah satu-satunya yang mengerjakannya secara teratur,” kata Tsingou. Para ilmuwan “akan mengerjakannya dan kemudian melupakannya untuk sementara dan masuk ke proyek lain, kemudian mereka akan menelepon saya dan berkata, ‘Ubah ini sedikit’ atau ‘Lihat apakah memasukkan lebih banyak poin mendapatkan hasil yang lebih baik.’ ” Jadi, prosesnya berlangsung cukup lama karena hasilnya dikumpulkan dan dianalisis, dan dilakukan perubahan. “Mereka akan menyarankan hal-hal baru, dan kami akan menjalankannya, kemudian mereka akan terlibat dalam masalah lain dan saya juga.”

Meskipun pracetak laporan tahun 1955 telah dibaca oleh beberapa fisikawan, eksperimen tersebut tidak disebarluaskan sampai makalah yang dikumpulkan Fermi diterbitkan pada tahun 1965. Namun akhirnya, hasil FPUT mengungkapkan cara baru untuk memikirkan dan menguji masalah yang tidak dapat dilakukan. akan diuji sebelumnya. Sejak itu, metode menggunakan komputer untuk melakukan eksperimen telah menjadi standar di banyak bidang. “Masalah FPUT mengungkapkan kekuatan simulasi,” kata Strogatz. “Ini menunjukkan kepada dunia ilmiah bahwa instrumen baru yang menakjubkan, sebanding dengan mikroskop dan teleskop, telah tiba untuk menjelajahi dunia yang sebelumnya belum dijelajahi.”

Simulasi memiliki banyak sekali kegunaan di berbagai bidang. “Eksperimen numerik sekarang menjadi pusat sains dan teknik,” kata Dvira Segal, profesor kimia di Universitas Toronto yang menggunakan versi rantai FPUT untuk melakukan studi numerik tentang perpindahan panas. Misalnya, “karena rantai FPUT tidak menunjukkan konduktivitas panas normal,” jelasnya, “mensimulasikan sistem ini di komputer memungkinkan kami mengungkap mekanisme anomali perpindahan panas pada skala nano—dan membedakan kondisi yang diperlukan untuk mencapai konduksi normal.”

Sementara dampak FPUT telah lama dirayakan, kisah lengkap orang-orang yang menciptakannya tidak mulai terungkap sampai awal 2000-an, ketika fisikawan Thierry Dauxois mulai bertanya-tanya tentang nama dalam catatan kaki. Dauxois juga akrab dengan makalah yang diterbitkan di FPU pada tahun 1972 oleh James Tuck dan MT Menzel. “Pembacaan pendahuluan yang cermat mengungkapkan bahwa Menzel terlibat dalam pengkodean masalah asli, tetapi tidak ada seorang pun dengan nama itu yang disebutkan dalam laporan Los Alamos,” kata Dauxois, direktur Institut Fisika CNRS di ENS de Lyon. Dia menyimpulkan bahwa MT adalah Mary Tsingou, menerbitkan dengan nama menikahnya, Menzel. Dauxois pernah bekerja di Los Alamos sebagai peneliti pascadoktoral, dan dia menggunakan kontaknya di sana untuk mengatur wawancara dengan Tsingou, yang menghasilkan artikelnya tahun 2008 di Fisika Hari Ini yang memicu perubahan bertahap dari FPU ke FPUT.

Bagi banyak ilmuwan, tidak ada keraguan bahwa nama Tsingou harus ditambahkan ke eksperimen. “Hari ini, seseorang yang menulis kode komputasi yang serius untuk mempelajari masalah dalam disiplin ilmu apa pun dianggap sebagai rekan penulis yang setara,” kata Campbell. “Ini sebagian karena sekarang ada tiga pendekatan untuk mempelajari masalah ilmiah: karya teoretis, pengamatan eksperimental, dan studi komputasi,” yang terakhir mencakup karya Tsingou tentang FPUT. “Penemuan ini bergantung pada pengembangan algoritme, pemrograman, eksekusi kode, serta pengumpulan dan analisis data,” kata Segal. “Mengingat peran penting yang dia mainkan, Tsingou harus dianggap sebagai salah satu penemu hasil luar biasa yang menandai kelahiran sains nonlinier ini.”

FPUT dilakukan di awal karir 30 tahun Tsingou di Los Alamos, di mana dia adalah seorang ahli dalam bahasa pemrograman FORTRAN dan bekerja pada proyek-proyek seperti Inisiatif Pertahanan Strategis, yang dikenal sebagai “Star Wars.” Namun, sepanjang kariernya yang berhasil, orang-orang menelepon dari seluruh dunia untuk menanyakan Tsingou tentang FPUT dan meminta karyanya untuk memprogram versi baru. “Sejak awal,” katanya, “orang-orang tertarik dengan senar yang bergetar.”

Ini adalah artikel opini dan analisis; pandangan yang diungkapkan oleh penulis atau penulis belum tentu dari Amerika ilmiah.

Artikel ini merupakan perpanjangan dari karya penulis sebelumnya di dalam Ilmu Keamanan Nasional.

Leave A Reply

Your email address will not be published.