Videnskab er afhængig af computermodellering - så hvad sker der, når det går galt?

Videnskab er afhængig af computermodellering - så hvad sker der, når det går galt?

Fra den transformerende opdagelse af penicillin til relativitetsteorier og kvantemekanik, videnskaben skred frem med en forbløffende hastighed, allerede før der var computere. Meget af dette er ned til robustheden af ​​den videnskabelige metode: videnskabelige resultater valideres ved at blive replikeret og udvidet af andre forskere.

Men den måde, vi udfører videnskab på, ændrer sig - vi er nu mere og mere afhængige af komplekse computermodeller for at forstå naturen. Og det viser sig, at disse modeller kan være næsten umulige at gengive - hvilket betyder, at en vigtig berøringssten for videnskaben bliver udfordret. Så hvad er de virkelige virkninger af denne ændring, og hvad kan vi gøre ved den?

Den førmoderne videnskab - kendt som ”naturfilosofi” - var empirisk. Empirisk videnskab bruger tidligere observationer til at fremsætte forudsigelser om fremtiden, som derefter kan testes. Tycho Brahe, en dansk astronom fra det 16-århundrede, formåede at foretage nøjagtige og omfattende observationer af himlen på denne måde.

Moderne videnskab er imidlertid teoretisk. Teoretisk videnskab fremsætter også forudsigelser, men den stammer fra matematiske modeller snarere end fra forudgående observationer. Tænk på Isaac Newtons bevægelseslove, f.eks den omvendte firkantede gravitationslov.

For eksempel er der en ligning, der beskriver jordens bane omkring solen. Denne ligning kan bruges til at opbygge en computermodel, hvor du bare kan tilslutte visse variabler og se, hvordan løsningen ændrer sig. Du kan bare tilslutte en fremtidig dato og aflæse Jordens placering på den dato. Du kan også bruge det samme program til at modellere andre planetariske systemer - det hele er baseret på den samme matematik. Alt hvad du skal gøre er at tilslutte forskellige masser og forskellige andre egenskaber hos de involverede organer.

Sådanne matematiske ligninger er store, når de er tilgængelige - men ofte er de ikke det. For eksempel ved vi, at der ikke er nogen enkel ligning, der løser den såkaldte “tre-kropsproblem”, Der beskriver tre kroppe, der kredser rundt og påvirker hinanden ved hjælp af tyngdekræfter - som månen, Jorden og solen.

Meget af den aktuelle videnskab omhandler endnu mere komplicerede systemer, og mangler på lignende måde nøjagtige løsninger. Sådanne modeller skal være ”computational” - og beskrive, hvordan et system skifter fra det ene øjeblik til det næste. Men der er ingen måde at bestemme den nøjagtige tilstand på et eller andet tidspunkt i fremtiden, bortset fra at "simulere" dens udvikling på denne måde. Vejrudsigter er et velkendt eksempel; indtil fremkomsten af ​​computere i 1950'erne var det umuligt at forudsige fremtidens vejr hurtigere end det faktisk skete.

Nuværende videnskab består typisk af at udtænke en matematisk model, der beskriver et kompliceret system, derefter omdanne dette til en beregningssimulering og køre simuleringen for at foretage forudsigelser for at validere modellen.

Når modelleringen mislykkes

Modellering bruges på tværs af videnskabelige områder - lige fra astrofysik og klima forudsigelse til bioinformatik og økonomi. Men der er stigende debat om det faktum, at denne videnskab er vanskelig at validere gennem reproduktion.

Det viser sig, at det ganske enkelt ikke er nok at beskrive eksperimentelle metoder i ord. Det skyldes delvis, at naturlige sprog som engelsk simpelthen er for vage til at beskrive beregninger nøjagtigt. Der er trods alt en grund til, at programmerere bruger programmeringssprog. En af de største udfordringer inden for softwareudvikling er at konvertere vage krav til nøjagtige specifikationer for adfærd.

Mennesker - også forskere - er trods alt falelige. Omdannelse af enhver information til et program introducerer næsten uundgåeligt bugs undervejs. For eksempel er mange forskere afhængige af dataudforskningsværktøjer såsom regneark, der er designet til brugervenlighed og ikke for robusthed. Det er meget let blot at opsummere det forkerte celleområde i et regneark uden at få nogen advarsler. Dette var en af metodologiske mangler i et papir, som det amerikanske republikanske parti brugte til at basere deres nøjesomhedspolitik på.

Tilsvarende a nylig undersøgelse på 15,770-regneark, der blev offentliggjort under undersøgelsen af ​​det amerikanske selskab Enron viste, at 24% af regnearkene, der indeholdt mindst en formel, havde åbenlyse fejl, såsom at tilføje tomme celler.

Inden for naturvidenskaben Mars Klimobserver, en rumsonde, der blev lanceret i 1998 for at studere klimaet på Mars, gik tabt et år senere, fordi en del af kontrolsoftwaren fejlagtigt brugte imperialistisk i stedet for metriske enheder. En anden undersøgelse af ni uafhængige implementeringer af det samme geovidenskabseksperiment - ved hjælp af det samme datasæt, algoritmer og programmeringssprog - viste meget lidt enighed i de opnåede resultater.

Hvad mere er, selvom læseren af ​​et forskningsartikel med succes kan fortolke forfatterens nøjagtige betydning og derefter uden fejl oversætte det til et program, er der stadig faldgruber ved at udføre den. En særlig vanskelig klasse af problemer opstår fra, hvordan computere håndterer tal: skønt de kan manipulere heltal som 42 og -17 med perfekt nøjagtighed, tillader standardteknikker til manipulering af reelle tal som π≈3.14 og √2≈1.414 kun tilnærmelsesvis nøjagtighed. Disse tilnærmelser betyder, at tilsyneladende ækvivalente måder at beregne den samme værdi kan giver forskellige resultater.

Så hvad kan der gøres? Hvis selv ekspert softwareudviklere ikke pålideligt kan producere korrekt software, hvad er der da håb for amatørprogrammører som forskere?

En arbejdslinje er at fremstille værktøjer til at designe “domænespecifikke” programmeringssprog, der hver er skræddersyet til en bestemt klasse af problemer, såsom agenteres adfærd på økonomiske markeder eller diffusion af medikamenter på tværs af celler. Disse sigter mod at gøre det meget lettere for specialister at beskrive beregninger direkte i velkendte termer snarere end at skulle kode dem indirekte på et programmeringssprog til generelle formål.

En anden tilgang søger at designe mere udtryksfulde, men stadig brugervenlige "typesystemer" til programmer. Disse ville gøre det lettere at fange "fjollede" fejl, såsom blanke celler i regneark eller blanding af værdier i forskellige enheder. Det kan dog ikke udelukke alle logiske fejl. En tredje linje er at udvikle brugbare biblioteker med kode til nøjagtig aritmetik og undgå tilnærmelsesproblemerne.

Der er enhver chance for, at disse tilgange kan hjælpe med at løse problemet fremad eller i det mindste eliminere noget af risikoen. Når alt kommer til alt har verden brug for videnskab, og forskere har brug for computere - det vil sandsynligvis ikke ændre sig snart.

Om forfatteren

Jeremy Gibbons, professor i computere, University of Oxford. Leder af forskningsprogrammet for programmeringssprog.

Denne artikel blev oprindeligt vist på The Conversation

Relateret bog:

InnerSelf Marked

Amazon

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

følg InnerSelf på

facebook ikontwitter-ikonyoutube-ikoninstagram ikonpintrest ikonrss ikon

 Få det nyeste via e-mail

Ugeblad Daglig inspiration

BEVISER

Blåt vand omgivet af dødt hvidt græs
Kort sporer 30 års ekstrem snesmeltning i hele USA
by Mikayla Mace-Arizona
Et nyt kort over ekstreme snesmeltingshændelser i løbet af de sidste 30 år tydeliggør de processer, der driver hurtig smeltning.
Hvid havis i blåt vand med solnedgangen afspejlet i vandet
Jordens frosne områder krymper 33K kvadratkilometer om året
by Texas A & M University
Jordens kryosfære krymper med 33,000 kvadratkilometer (87,000 kvadratkilometer) om året.
vindmøller
En kontroversiel amerikansk bog fodrer klimafornægtelse i Australien. Dets centrale krav er sandt, men alligevel irrelevant
by Ian Lowe, emeritus professor, School of Science, Griffith University
Mit hjerte sank i sidste uge for at se den konservative australske kommentator Alan Jones forkæmpe en omstridt bog om ...
billede
Reuters 'Hot List of Climate Scientists er geografisk skæv: hvorfor dette betyder noget
by Nina Hunter, postdoktoral forsker, University of KwaZulu-Natal
Reuters Hot List over "verdens førende klimaforskere" forårsager en brummer i klimaændringssamfundet. Reuters ...
En person holder en skal i hånden i blåt vand
Gamle skaller antyder forbi høje CO2-niveauer kan vende tilbage
by Leslie Lee-Texas A&M
Ved hjælp af to metoder til at analysere små organismer, der findes i sedimentkerner fra den dybe havbund, har forskere anslået ...
billede
Matt Canavan foreslog, at det kolde snap betyder, at global opvarmning ikke er reel. Vi bryder dette og 2 andre klimamyter
by Nerilie Abram, professor; ARC Future Fellow; Chief Investigator for ARC Center of Excellence for Climate Extremes; Vicedirektør for det australske Center for Excellence in Antarctic Science, Australian National University
Senator Matt Canavan sendte mange øjenkugler rullende i går, da han tweetede fotos af snedækkede scener i regionale New South ...
Økosystemvagter giver alarm for havene
by Tim Radford
Havfugle er kendt som økosystemvagter, der advarer om havtab. Efterhånden som antallet falder, kunne ...
Hvorfor havterter er klimakrigere
Hvorfor havterter er klimakrigere
by Zak Smith
Ud over at være et af de sødeste dyr på planeten hjælper havterde med at opretholde en sund, kulstofabsorberende tang ...

SENESTE VIDEOER

Den store klimamigration er begyndt
Den store klimamigration er begyndt
by Super Bruger
Klimakrisen tvinger tusinder over hele verden til at flygte, da deres hjem bliver stadig mere ubeboelige.
Den sidste istid fortæller os, hvorfor vi er nødt til at pleje en 2 ℃ temperaturændring
Den sidste istid fortæller os, hvorfor vi er nødt til at pleje en 2 ℃ temperaturændring
by Alan N Williams et al
Den seneste rapport fra det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC) siger, at uden et væsentligt fald ...
Jorden har været beboelig i milliarder af år - Præcis hvor heldig fik vi?
Jorden har været beboelig i milliarder af år - Præcis hvor heldig fik vi?
by Toby Tyrrell
Det tog udvikling 3 eller 4 milliarder år at producere Homo sapiens. Hvis klimaet havde svigtet helt en gang i det ...
Hvordan kortlægning af vejret for 12,000 år siden kan hjælpe med at forudsige fremtidige klimaændringer
Hvordan kortlægning af vejret for 12,000 år siden kan hjælpe med at forudsige fremtidige klimaændringer
by Brice Rea
Slutningen af ​​den sidste istid, omkring 12,000 år siden, var præget af en sidste kold fase kaldet de Yngre Dryas ...
Det Kaspiske Hav forventes at falde med 9 meter eller mere i dette århundrede
Det Kaspiske Hav forventes at falde med 9 meter eller mere i dette århundrede
by Frank Wesselingh og Matteo Lattuada
Forestil dig, at du er ved kysten og ser ud til havet. Foran dig ligger 100 meter golde sand, der ligner en…
Venus var endnu en gang jordlignende, men klimaændringer gjorde det ubeboelig
Venus var endnu en gang jordlignende, men klimaændringer gjorde det ubeboelig
by Richard Ernst
Vi kan lære meget om klimaforandringer fra Venus, vores søsterplanet. Venus har i øjeblikket en overfladetemperatur på ...
Fem klimatroer: Et nedbrudskurs i forkert information om klimaet
De fem klimatro: Et nedbrudskurs i forkert information om klimaet
by John Cook
Denne video er et nedbrudskurs i misinformation om klimaet, der opsummerer de vigtigste argumenter, der bruges til at rejse tvivl om virkeligheden ...
Arktis har ikke været så varm i 3 millioner år, og det betyder store ændringer for planeten
Arktis har ikke været så varm i 3 millioner år, og det betyder store ændringer for planeten
by Julie Brigham-Grette og Steve Petsch
Hvert år krymper havisen i det arktiske hav til et lavt punkt i midten af ​​september. I år måler den kun 1.44 ...

SENESTE ARTIKLER

grøn energi2 3
Fire grønne brintmuligheder for Midtvesten
by Christian Tae
For at afværge en klimakrise bliver Midtvesten ligesom resten af ​​landet nødt til at dekarbonisere sin økonomi fuldt ud ved at...
ug83qrfw
Større barriere for efterspørgselsrespons skal ophøre
by John Moore, On Earth
Hvis føderale tilsynsmyndigheder gør det rigtige, kan elkunder i hele Midtvesten snart være i stand til at tjene penge, mens...
træer at plante til klima2
Plant disse træer for at forbedre bylivet
by Mike Williams-Rice
En ny undersøgelse fastslår levende egetræer og amerikanske plataner som mestre blandt 17 "supertræer", der vil hjælpe med at gøre byer...
nordhavets havbund
Hvorfor vi skal forstå havbundens geologi for at udnytte vindene
by Natasha Barlow, lektor i kvartær miljøændring, University of Leeds
For ethvert land, der er velsignet med nem adgang til det lavvandede og blæsende Nordsø, vil havvind være nøglen til at møde net...
3 lektioner i skovbrande for skovbyer, da Dixie Fire ødelægger historiske Greenville, Californien
3 lektioner i skovbrande for skovbyer, da Dixie Fire ødelægger historiske Greenville, Californien
by Bart Johnson, professor i landskabsarkitektur, University of Oregon
En løbeild, der brænder i varme, tørre bjergskove, fejede gennem Gold Rush -byen Greenville, Californien, den 4. august…
Kina kan opfylde energi- og klimamål, der begrænser kulkraften
Kina kan opfylde energi- og klimamål, der begrænser kulkraften
by Alvin Lin
På Leader's Climate Summit i april lovede Xi Jinping, at Kina "strengt vil kontrollere kulkraft ...
Blåt vand omgivet af dødt hvidt græs
Kort sporer 30 års ekstrem snesmeltning i hele USA
by Mikayla Mace-Arizona
Et nyt kort over ekstreme snesmeltingshændelser i løbet af de sidste 30 år tydeliggør de processer, der driver hurtig smeltning.
Et fly taber rød brandhæmmende til en skovbrand, da brandmænd parkeret langs en vej ser op i den orange himmel
Modellen forudsiger 10-års udbrud af brande, derefter gradvis tilbagegang
by Hannah Hickey-U. Washington
Et kig på den langsigtede fremtid for naturbrande forudsiger en indledende cirka ti år lang eksplosion af naturbrandaktiviteter, ...

 Få det nyeste via e-mail

Ugeblad Daglig inspiration

Nye holdninger - nye muligheder

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf Marked
Copyright © 1985 - 2021 InnerSelf-publikationer. Alle rettigheder forbeholdes.