Nauka opiera się na modelowaniu komputerowym - co się dzieje, gdy idzie źle?

Nauka opiera się na modelowaniu komputerowym - co się dzieje, gdy idzie źle?

Od przekształcającego odkrycia penicyliny do teorii względności i mechaniki kwantowej nauka rozwijała się z zadziwiającą prędkością, zanim jeszcze pojawiły się komputery. Wiele z tego wynika z solidności metody naukowej: wyniki naukowe są zatwierdzane przez powielanie i rozszerzanie przez innych naukowców.

Zmienia się jednak sposób, w jaki robimy naukę - coraz bardziej polegamy na skomplikowanych modelach komputerowych, aby zrozumieć naturę. Okazuje się, że modele te mogą być prawie niemożliwe do odtworzenia, co oznacza, że ​​ważny kamień milowy nauki jest kwestionowany. Jakie są zatem realne konsekwencje tej zmiany i co możemy z tym zrobić?

Przednowoczesna nauka - znana jako „filozofia naturalna” - była empiryczna. Nauki empiryczne wykorzystują obserwacje z przeszłości, aby przewidywać przyszłość, które następnie można przetestować. Tycho Brahe, duńskiemu astronomowi z 16 wieku, udało się w ten sposób dokładnie i kompleksowo obserwować niebo.

Współczesna nauka jest jednak teoretyczna. Nauki teoretyczne również przewidują, ale wywodzą je z modeli matematycznych, a nie z wcześniejszych obserwacji. Pomyśl o prawach ruchu Izaaka Newtona, takich jak odwrotne kwadratowe prawo grawitacji.

Na przykład istnieje równanie opisujące orbitę Ziemi wokół Słońca. To równanie można wykorzystać do zbudowania modelu komputerowego, w którym można po prostu podłączyć określone zmienne i zobaczyć, jak zmienia się rozwiązanie. Możesz po prostu podłączyć przyszłą datę i odczytać pozycję Ziemi w tym dniu. Możesz również użyć tego samego programu do modelowania innych układów planetarnych - wszystko oparte na tej samej matematyce. Wszystko, co musisz zrobić, to podłączyć różne masy i różne inne właściwości zaangażowanych ciał.

Takie równania matematyczne są świetne, gdy są dostępne - ale często nie są. Na przykład wiemy, że nie ma prostego równania, które rozwiązałoby tak zwane „problem trzech ciał”, Który opisuje trzy ciała krążące wokół siebie i wpływające na siebie siłami grawitacyjnymi - takimi jak księżyc, Ziemia i słońce.

Znaczna część współczesnej nauki dotyczy jeszcze bardziej skomplikowanych systemów i podobnie brakuje dokładnych rozwiązań. Takie modele muszą być „obliczeniowe” - opisujące, jak system zmienia się z jednej chwili na drugą. Nie ma jednak innego sposobu na określenie dokładnego stanu w przyszłości niż „symulowanie” jego ewolucji w ten sposób. Prognozowanie pogody jest znanym przykładem; aż do pojawienia się komputerów w 1950, niemożliwe było przewidzenie przyszłej pogody szybciej niż w rzeczywistości.

Obecna nauka zazwyczaj polega na opracowaniu modelu matematycznego opisującego skomplikowany system, a następnie przekształceniu go w symulację obliczeniową i uruchomieniu symulacji w celu wykonania prognoz w celu zweryfikowania modelu.

Gdy modelowanie nie powiedzie się

Modelowanie stosuje się w różnych dziedzinach nauki - od astrofizyki i prognoza klimatu do bioinformatyki i ekonomii. Ale tam jest rosnąca debata o tym, że nauka ta jest trudna do zweryfikowania poprzez rozmnażanie.

Okazuje się, że samo opisanie metod eksperymentalnych słowami nie wystarczy. Wynika to częściowo z tego, że języki naturalne, takie jak angielski, są po prostu zbyt niejasne, aby precyzyjnie opisywać obliczenia. Jest przecież powód, dla którego programiści używają języków programowania. Jednym z największych wyzwań w rozwoju oprogramowania jest przekształcenie niejasnych wymagań w precyzyjne specyfikacje zachowania.

Ludzie - nawet naukowcy - są w końcu omylni. Przekształcanie dowolnych informacji w program prawie zawsze wprowadza błędy po drodze. Na przykład wielu naukowców polega na narzędziach do eksploracji danych, takich jak arkusze kalkulacyjne, które zostały zaprojektowane z myślą o łatwości użytkowania, a nie odporności. Bardzo łatwo jest po prostu zsumować niewłaściwy zakres komórek w arkuszu kalkulacyjnym, bez otrzymywania ostrzeżeń. To był jeden z wady metodologiczne w dokumencie, na którym Partia Republikańska USA oparła swoją politykę pro-oszczędnościową.

Podobnie a Ostatnie badania na arkuszach kalkulacyjnych 15,770, które zostały upublicznione podczas dochodzenia w amerykańskiej korporacji Enron wykazało, że% 24 arkuszy kalkulacyjnych zawierających co najmniej jedną formułę zawiera oczywiste błędy, takie jak dodanie pustych komórek.

W naukach przyrodniczych Mars Climate Observer, sonda kosmiczna uruchomiona w 1998 w celu zbadania klimatu na Marsie, została utracona rok później, ponieważ jedna część oprogramowania sterującego błędnie zastosowała imperial zamiast jednostek metrycznych. W innym badaniu z dziewięciu niezależnych wdrożeń tego samego eksperymentu z geologii - przy użyciu tego samego zestawu danych, algorytmów i języka programowania - wykazał bardzo małą zgodność w uzyskanych wynikach.

Co więcej, nawet jeśli czytelnik artykułu badawczego potrafi z powodzeniem zinterpretować dokładne znaczenie pisarza, a następnie bezbłędnie przetłumaczyć go na program, nadal występują problemy z jego wykonaniem. Jedna szczególnie trudna klasa problemów wynika z tego, jak komputery radzą sobie z liczbami: chociaż potrafią manipulować liczbami całkowitymi, takimi jak 42 i -17, z doskonałą dokładnością, standardowe techniki manipulowania liczbami rzeczywistymi, takie jak π≈3.14 i √2≈1.414, pozwalają jedynie na przybliżoną dokładność. Te przybliżenia oznaczają, że pozornie równoważne sposoby obliczania tej samej wartości mogą dają różne wyniki.

Co można zrobić? Jeśli nawet eksperci tworzący oprogramowanie nie są w stanie w wiarygodny sposób stworzyć prawidłowego oprogramowania, to jaką nadzieję mają dla programistów amatorów, takich jak naukowcy?

Jedna linia pracy polega na opracowaniu narzędzi do projektowania „języków specyficznych dla domeny”, z których każdy jest dostosowany do konkretnej klasy problemu, takiego jak zachowanie agentów na rynkach ekonomicznych lub rozprzestrzenianie się leków w komórkach. Mają one na celu ułatwienie specjalistom opisywania obliczeń bezpośrednio znanymi terminami, zamiast pośredniego kodowania ich w języku programowania ogólnego.

Drugie podejście ma na celu zaprojektowanie bardziej wyrazistych, ale wciąż przyjaznych dla użytkownika „systemów typów” dla programów. Ułatwi to wychwycenie „głupich” błędów, takich jak puste komórki w arkuszach kalkulacyjnych lub pomieszanie wartości w różnych jednostkach. Nie może jednak wykluczyć wszystkich błędów logicznych. Trzecią linią jest opracowanie użytecznych bibliotek kodu dla dokładnej arytmetyki, unikając problemów z aproksymacją.

Istnieją wszelkie szanse, że takie podejście może pomóc w rozwiązaniu problemu lub przynajmniej wyeliminować część ryzyka. W końcu świat potrzebuje nauki, a naukowcy potrzebują komputerów - to raczej nie zmieni się w najbliższym czasie.

O autorze

Jeremy Gibbons, profesor informatyki, University of Oxford. Kierownik tematu badań języków programowania.

Artykuł pierwotnie ukazał się w The Conversation

Powiązana książka:

Rynek wewnętrzny

Amazonka

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

śledź InnerSelf na

facebook iconikona twittericon youtubeikona instagramikona kuflaikona rss

 Otrzymuj najnowsze wiadomości e-mail

Tygodnik Codzienna inspiracja

DOWÓD

Niebieska woda otoczona martwą białą trawą
Mapa śledzi 30 lat ekstremalnego topnienia śniegu w USA
by Mikayla Mace-Arizona
Nowa mapa ekstremalnych zjawisk topnienia śniegu w ciągu ostatnich 30 lat wyjaśnia procesy, które prowadzą do szybkiego topnienia.
Biały lód morski w niebieskiej wodzie z zachodzącym słońcem odbijającym się w wodzie
Zamarznięte obszary Ziemi kurczą się o 33 tys. mil kwadratowych rocznie
by Uniwersytet Texas A&M
Kriosfera Ziemi kurczy się o 33,000 87,000 mil kwadratowych (XNUMX XNUMX kilometrów kwadratowych) rocznie.
Turbiny wiatrowe
Kontrowersyjna amerykańska książka podsyca negację klimatu w Australii. Jego główne twierdzenie jest prawdziwe, ale nieistotne
by Ian Lowe, emerytowany profesor, School of Science, Griffith University
Moje serce zatonęło w zeszłym tygodniu, gdy konserwatywny australijski komentator Alan Jones bronił kontrowersyjnej książki o…
obraz
Gorąca lista klimatologów Reutersa jest geograficznie wypaczona: dlaczego to ma znaczenie
by Nina Hunter, badaczka podoktorancka, Uniwersytet KwaZulu-NatalNa
Gorąca lista Reuters „najlepszych światowych naukowców zajmujących się klimatem” wywołuje szum w społeczności zajmującej się zmianami klimatycznymi. Reuters…
Osoba trzyma w dłoni muszlę w niebieskiej wodzie
Starożytne muszle sugerują, że wysokie poziomy CO2 mogą powrócić
by Leslie Lee-Texas A&M
Wykorzystując dwie metody do analizy maleńkich organizmów znalezionych w rdzeniach osadów z głębokiego dna morskiego, naukowcy oszacowali…
obraz
Matt Canavan zasugerował, że zimno oznacza, że ​​globalne ocieplenie nie jest prawdziwe. Obalamy ten i 2 inne mity klimatyczne
by Nerilie Abram, profesor; ARC Future Fellow; Główny badacz Centrum Doskonałości ARC ds. Ekstremów Klimatycznych; Zastępca dyrektora Australijskiego Centrum Doskonałości w Antarktyce Nauki, Australian National University
Senator Matt Canavan wysłał wczoraj wiele gałek ocznych, gdy zamieścił na Twitterze zdjęcia śnieżnych scen w regionalnym Nowym Południu…
Strażnicy ekosystemu alarmują oceany
by Tim Radford
Ptaki morskie są znane jako strażnicy ekosystemu, ostrzegający przed utratą morza. Wraz ze spadkiem ich liczby, mogą również wystąpić bogactwa…
Dlaczego wydry morskie są wojownikami klimatu
Dlaczego wydry morskie są wojownikami klimatu
by Zak Smith
Oprócz tego, że jest jednym z najsłodszych zwierząt na świecie, wydry morskie pomagają zachować zdrowe, pochłaniające węgiel wodorosty…

NAJNOWSZE FILMY

Rozpoczęła się wielka migracja klimatyczna
Rozpoczęła się wielka migracja klimatyczna
by Super Użytkownik
Kryzys klimatyczny zmusza tysiące ludzi na całym świecie do ucieczki, ponieważ ich domy stają się coraz bardziej niezdatne do zamieszkania.
Ostatnia epoka lodowcowa mówi nam, dlaczego musimy dbać o zmianę temperatury o 2 ℃
Ostatnia epoka lodowcowa mówi nam, dlaczego musimy dbać o zmianę temperatury o 2 ℃
by Alan N Williams i in
W najnowszym raporcie Międzyrządowego Zespołu ds. Zmian Klimatu (IPCC) stwierdzono, że bez znaczącego spadku…
Ziemia nadawała się do zamieszkania przez miliardy lat - dokładnie, jakie szczęście nam się poszczęściło?
Ziemia nadawała się do zamieszkania przez miliardy lat - dokładnie, jakie szczęście nam się poszczęściło?
by Toby Tyrrell
Stworzenie Homo sapiens zajęło ewolucji 3-4 miliardy lat. Gdyby klimat zawiódł tylko raz w tym…
Jak tworzenie map pogody sprzed 12,000 XNUMX lat może pomóc przewidzieć przyszłe zmiany klimatu
Jak tworzenie map pogody sprzed 12,000 XNUMX lat może pomóc przewidzieć przyszłe zmiany klimatu
by Brice Rea , , , , , , , , , ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,, ,
Koniec ostatniej epoki lodowcowej, około 12,000 XNUMX lat temu, charakteryzował się końcową fazą zimna zwaną młodszymi dryasami.…
Morze Kaspijskie spadnie w tym stuleciu o 9 metrów lub więcej
Morze Kaspijskie spadnie w tym stuleciu o 9 metrów lub więcej
by Frank Wesselingh i Matteo Lattuada
Wyobraź sobie, że jesteś na wybrzeżu i spoglądasz na morze. Przed tobą 100 metrów jałowego piasku, który wygląda jak…
Wenus była kiedyś bardziej podobna do Ziemi, ale zmiany klimatu sprawiły, że nie nadawała się do zamieszkania
Wenus była kiedyś bardziej podobna do Ziemi, ale zmiany klimatu sprawiły, że nie nadawała się do zamieszkania
by Richard Ernst
O zmianach klimatu możemy się wiele nauczyć od Wenus, naszej siostrzanej planety. Wenus ma obecnie temperaturę powierzchni…
Pięć niewiary klimatycznych: przyspieszony kurs dezinformacji klimatycznej
Pięć niewiary klimatycznych: szybki kurs dezinformacji klimatycznej
by John Cook
Ten film to przyspieszony kurs dezinformacji klimatycznej, podsumowujący kluczowe argumenty użyte do poddania w wątpliwość rzeczywistości…
Arktyka nie była tak ciepła od 3 milionów lat, co oznacza duże zmiany dla planety
Arktyka nie była tak ciepła od 3 milionów lat, co oznacza duże zmiany dla planety
by Julie Brigham-Grette i Steve Petsch
Każdego roku pokrywa lodu morskiego w Oceanie Arktycznym kurczy się do najniższego poziomu w połowie września. W tym roku mierzy zaledwie 1.44…

NAJNOWSZE ARTYKUŁY

zielona energia2 3
Cztery możliwości zielonego wodoru dla Środkowego Zachodu
by Chrześcijański Tae
Aby zapobiec kryzysowi klimatycznemu, Środkowy Zachód, podobnie jak reszta kraju, będzie musiał całkowicie zdekarbonizować swoją gospodarkę do…
ug83qrfw
Główna bariera w odpowiedzi na zapotrzebowanie musi się skończyć
by John Moore, Na Ziemi
Jeśli federalne organy regulacyjne postąpią właściwie, odbiorcy energii elektrycznej na Środkowym Zachodzie mogą wkrótce zacząć zarabiać, podczas gdy…
drzewa do sadzenia dla klimatu2
Posadź te drzewa, aby poprawić życie w mieście
by Mike Williams-Rice
Nowe badanie ustala, że ​​żywe dęby i amerykańskie jawory są mistrzami wśród 17 „superdrzew”, które pomogą uczynić miasta…
dno morza północnego
Dlaczego musimy zrozumieć geologię dna morskiego, aby wykorzystać wiatry?
by Natasha Barlow, profesor nadzwyczajny czwartorzędowej zmiany środowiska, Uniwersytet w Leeds
Dla każdego kraju obdarzonego łatwym dostępem do płytkiego i wietrznego Morza Północnego, morski wiatr będzie kluczem do spełnienia sieci…
3 lekcje pożarów dla miast leśnych, gdy Dixie Fire niszczy historyczne Greenville w Kalifornii
3 lekcje pożarów dla miast leśnych, gdy Dixie Fire niszczy historyczne Greenville w Kalifornii
by Bart Johnson, profesor architektury krajobrazu, University of Oregon
Pożar płonący w gorącym, suchym górskim lesie przetoczył się przez miasto Gold Rush w Greenville w Kalifornii, 4 sierpnia…
Chiny mogą osiągnąć cele energetyczne i klimatyczne, ograniczając energetykę węglową
Chiny mogą osiągnąć cele energetyczne i klimatyczne, ograniczając energetykę węglową
by Alvin Lin
Na kwietniowym Szczycie Klimatycznym przywódców Xi Jinping obiecał, że Chiny będą „ściśle kontrolować energetykę węglową…
Niebieska woda otoczona martwą białą trawą
Mapa śledzi 30 lat ekstremalnego topnienia śniegu w USA
by Mikayla Mace-Arizona
Nowa mapa ekstremalnych zjawisk topnienia śniegu w ciągu ostatnich 30 lat wyjaśnia procesy, które prowadzą do szybkiego topnienia.
Samolot zrzuca czerwony środek ogniochronny na pożar lasu, gdy strażacy zaparkowani wzdłuż drogi patrzą w pomarańczowe niebo
Model przewiduje 10-letni wybuch pożaru, a następnie stopniowy spadek
by Hannah Hickey-U. Waszyngton
Spojrzenie na długoterminową przyszłość pożarów przewiduje początkowy, mniej więcej dekadowy wybuch aktywności pożarów…

 Otrzymuj najnowsze wiadomości e-mail

Tygodnik Codzienna inspiracja

Nowe postawy - nowe możliwości

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.pl | Rynek wewnętrzny
Copyright © 1985 - Publikacje wewnętrzne 2021. Wszelkie prawa zastrzeżone.