Vetenskap förlitar sig på dator modellering - Så vad händer när det går fel?

Vetenskap förlitar sig på dator modellering - Så vad händer när det går fel?

Från den transformerande upptäckten av penicillin till relativitets- och kvantmekanikens teorier, gick vetenskapen framåt med skrämmande hastighet även innan det fanns datorer. Mycket av detta ligger på den vetenskapliga metodens robusthet: Vetenskapliga resultat valideras genom att replikeras och utvidgas av andra forskare.

Men hur vi gör vetenskap förändras - vi bygger nu mer och mer på komplexa datormodeller för att förstå naturen. Och det visar sig att dessa modeller kan vara nästan omöjliga att reproducera - vilket innebär att en viktig grundsten för vetenskap utmanas. Så vad är den verkliga konsekvensen av denna förändring och vad kan vi göra åt det?

Förmodern vetenskap - känd som "naturlig filosofi" - var empirisk. Empirisk vetenskap använder tidigare observationer för att göra förutsägelser om framtiden, som då kan testas. Tycho Brahe, en dansk-astronom av 16-talet, lyckades göra exakta och omfattande observationer av himlen på detta sätt.

Modern vetenskap, dock är teoretisk. Teoretisk vetenskap gör också prognoser, men det härrör dem från matematiska modeller snarare än från tidigare observationer. Tänk på Isaac Newtons rörelselagar, såsom den inverse kvadratiska gravitationen.

Till exempel finns en ekvation som beskriver jordens omlopp runt solen. Denna ekvation kan användas för att bygga en datormodell där du bara kan ansluta vissa variabler och se hur lösningen ändras. Du kan bara koppla in ett framtida datum och läsa av jordens position på det datumet. Du kan också använda samma program för att modellera andra planetsystem - det är allt baserat på samma matematik. Allt du behöver göra är att plugga in olika massor och olika andra egenskaper hos de berörda kropparna.

Sådana matematiska ekvationer är stora när de är tillgängliga - men ofta är de inte. Vi vet till exempel att det inte finns någon enkel ekvation som löser den så kallade "tre-kroppsproblem", Som beskriver tre kroppar som kretsar runt och påverkar varandra genom gravitationskrafter - som månen, jorden och solen.

Mycket av dagens vetenskap handlar om ännu mer komplicerade system, och saknar exakt exakta lösningar. Sådana modeller måste vara "beräkningsmässiga" - beskriver hur ett system ändras från ett ögonblick till ett annat. Men det finns inget sätt att bestämma exakt tillståndet någon gång i framtiden annat än genom att "simulera" dess utveckling på detta sätt. Väderprognoser är ett välbekant exempel; Fram till tillkomsten av datorer i 1950, var det omöjligt att förutsäga framtida väder snabbare än det faktiskt hände.

Nuvarande vetenskap består vanligtvis av att utarbeta en matematisk modell som beskriver ett komplicerat system och sedan omvandla detta till en beräkningsimulering och kör simuleringen för att göra förutsägelser för att validera modellen.

När modellering misslyckas

Modellering används över vetenskapliga fält - allt från astrofysik och klimat förutsägelse till bioinformatik och ekonomi. Men det är ökande debatt om det faktum att denna vetenskap är svår att validera genom reproduktion.

Det visar sig att det bara inte är tillräckligt att beskriva experimentella metoder i ord. Det beror delvis på att naturliga språk som engelska är helt enkelt för vaga för att beskriva beräkningar exakt. Det finns trots allt en anledning till att programmerare använder programmeringsspråk. En av de största utmaningarna inom mjukvaruutveckling är att konvertera vaga krav till exakta specifikationer för beteende.

Människor - även forskare - är trots allt fallbara. Omvandlar all information till ett program introducerar nästan alltid buggar längs vägen. Till exempel är många forskare beroende av datautforskningsverktyg som kalkylblad, vilka är utformade för enkel användning och inte för robusthet. Det är väldigt lätt att enkelt sammanfatta det felaktiga urvalet av celler i ett kalkylblad utan att få några varningar. Detta var en av de metodologiska brister i ett papper som det amerikanska republikanska partiet brukade basera sin pro-austerity-politik på.

På liknande sätt a färsk studie på 15,770-kalkylbladen som publicerades under undersökningen till det amerikanska företaget Enron visade att 24% av kalkylbladen som innehöll minst en formel hade uppenbara fel, till exempel att lägga upp tomma celler.

I naturvetenskapen, den Mars Climate Observer, en rymdsond lanserad i 1998 för att studera klimatet på Mars, förlorades ett år senare eftersom en del av kontrollprogramvaran felaktigt använde kejserliga istället för metriska enheter. En annan studie av nio oberoende implementeringar av samma geovetenskaplig experiment - med samma datamängd, algoritmer och programmeringsspråk - visade mycket liten överenskommelse i de uppnådda resultaten.

Vad som händer, även om läsaren av ett forskningspapper framgångsrikt kan tolka författarens exakta mening och sedan översätt det felfritt till ett program finns det fortfarande fallgropar i att utföra det. En särskilt knepig klass av problem uppstår av hur datorer hanterar siffror: även om de kan manipulera heltal som 42 och -17 med perfekt noggrannhet, tillåter standardtekniker för att manipulera reella tal som π≈3.14 och √2≈1.414 endast ungefärlig noggrannhet. Dessa approximationer innebär att uppenbarligen likvärdiga sätt att beräkna samma värdeburk ger olika resultat.

Så vad kan man göra? Om even expertprogramutvecklare inte kan tillförlitligt producera korrekt programvara, vilket hopp finns det för amatörprogrammerare som forskare?

En arbetssätt är att skapa verktyg för att utforma "domänspecifika" programmeringsspråk, var och en skräddarsydd för en viss klass av problem, såsom agenternas beteende på ekonomiska marknader eller diffusion av droger över celler. Dessa syftar till att göra det mycket enklare för specialister att beskriva beräkningar direkt i bekanta ord, snarare än att behöva koda dem indirekt i ett allmänt programmerat språkspråk.

Ett andra tillvägagångssätt syftar till att designa mer uttrycksfulla men ändå användarvänliga "typsystem" för program. Dessa skulle göra det lättare att fånga "dumma" fel, som tomma celler i kalkylblad eller blanda upp värden i olika enheter. Det kan dock inte utesluta alla logiska fel trots. En tredje rad är att utveckla användbara bibliotek av kod för exakt aritmetik, vilket undviker problem med approximation.

Det finns all chans att dessa tillvägagångssätt kan hjälpa till att lösa problemet framöver, eller åtminstone eliminera en del av risken. Världen behöver trots allt vetenskap och forskare behöver datorer - det kommer inte troligen att förändras när som helst snart.

Om författaren

Jeremy Gibbons, professor i databehandling, University of Oxford. Chef för programprojektet för programmeringsspråk.

Denna artikel publicerades ursprungligen på Avlyssningen

Relaterade Bok:

InnerSelf Market

amason

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

följ InnerSelf på

Facebookikon ikon~~POS=HEADCOMPtwitter iconyoutube iconinstagram ikonpintrest ikonrss-ikonen

 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

BEVIS

Blått vatten omgivet av dött vitt gräs
Kartan spårar 30 års extrem snösmältning i USA
by Mikayla Mace-Arizona
En ny karta över extrema snösmältningar under de senaste 30 åren förtydligar processerna som driver snabb smältning.
Vit havsis i blått vatten med solnedgången reflekterad i vattnet
Jordens frysta områden krymper 33K kvadratkilometer per år
by Texas A & M University
Jordens kryosfär krymper med 33,000 87,000 kvadratkilometer (XNUMX XNUMX kvadratkilometer) per år.
vindkraftverk
En kontroversiell amerikansk bok matar klimatförnekelse i Australien. Dess centrala påstående är sant, men ändå irrelevant
by Ian Lowe, emeritusprofessor, School of Science, Griffith University
Mitt hjärta sjönk förra veckan för att se den konservativa australiensiska kommentatorn Alan Jones kämpa för en omstridd bok om ...
bild
Reuters heta lista över klimatforskare är geografiskt sned: varför detta betyder något
by Nina Hunter, forskardoktor, University of KwaZulu-Natal
Reuters heta lista över "världens främsta klimatforskare" orsakar ett surr i klimatförändringssamhället. Reuters ...
En person håller ett skal i handen i blått vatten
Forntida skal antyder att höga koldioxidnivåer kan återvända
by Leslie Lee-Texas A&M
Med hjälp av två metoder för att analysera små organismer som finns i sedimentkärnor från den djupa havsbotten, har forskare uppskattat ...
bild
Matt Canavan föreslog att det kalla snäppet betyder att den globala uppvärmningen inte är verklig. Vi bryter mot detta och 2 andra klimatmyter
by Nerilie Abram, professor; ARC Future Fellow; Chefsutredare för ARC Center of Excellence for Climate Extremes; Biträdande direktör för Australian Centre for Excellence in Antarctic Science, Australian National University
Senator Matt Canavan skickade många ögonbollar igår när han twittrade foton av snöiga scener i regionala New South ...
Ekosystemvakter larmar för haven
by Tim Radford
Sjöfåglar är kända som ekosystemvakter, varnar för havsförlust. När deras antal sjunker, kan också rikedomarna i ...
Varför havsuttrar är klimatkrigare
Varför havsuttrar är klimatkrigare
by Zak Smith
Förutom att vara ett av de sötaste djuren på planeten, hjälper havsutter till att upprätthålla en hälsosam, kolabsorberande kelp ...

SENASTE FILMER

Den stora klimatmigrationen har börjat
Den stora klimatmigrationen har börjat
by super~~POS=TRUNC
Klimatkrisen tvingar tusentals runt om i världen att fly eftersom deras hem blir alltmer obeboeliga.
Den senaste istiden berättar för varför vi måste bry oss om en 2 ℃ temperaturförändring
Den senaste istiden berättar för varför vi måste bry oss om en 2 ℃ temperaturförändring
by Alan N Williams, et al
I den senaste rapporten från den mellanstatliga panelen för klimatförändringar (IPCC) sägs att utan en väsentlig minskning ...
Jorden har varit beboelig i miljarder år - exakt hur lycklig vi fick?
Jorden har varit beboelig i miljarder år - exakt hur lycklig vi fick?
by Toby Tyrrell
Det tog evolution 3 eller 4 miljarder år att producera Homo sapiens. Om klimatet helt hade misslyckats bara en gång i det ...
Hur kartläggning av vädret för 12,000 XNUMX år sedan kan hjälpa till att förutsäga framtida klimatförändringar
Hur kartläggning av vädret för 12,000 XNUMX år sedan kan hjälpa till att förutsäga framtida klimatförändringar
by Brice Rea
Slutet av den sista istiden, för cirka 12,000 XNUMX år sedan, kännetecknades av en sista kall fas kallad Younger Dryas ...
Kaspiska havet kommer att falla med 9 meter eller mer under detta århundrade
Kaspiska havet kommer att falla med 9 meter eller mer under detta århundrade
by Frank Wesselingh och Matteo Lattuada
Tänk dig att du befinner dig vid kusten och tittar ut mot havet. Framför dig ligger 100 meter karg sand som ser ut som en ...
Venus var en gång mer jordlik, men klimatförändringen gjorde det obeboelig
Venus var en gång mer jordlik, men klimatförändringen gjorde det obeboelig
by Richard Ernst
Vi kan lära oss mycket om klimatförändringar från Venus, vår systerplanet. Venus har för närvarande en yttemperatur på ...
Fem klimattroar: En kraschkurs i felaktig klimatinformation
De fem klimattroerna: en kraschkurs i felaktig klimatinformation
by John Cook
Den här videon är en kraschkurs i klimatinformation som sammanfattar de viktigaste argumenten som används för att tvivla på verkligheten ...
Arktis har inte varit så varm på 3 miljoner år och det betyder stora förändringar för planeten
Arktis har inte varit så varm på 3 miljoner år och det betyder stora förändringar för planeten
by Julie Brigham-Grette och Steve Petsch
Varje år krymper havsisskyddet i Arktiska havet till en låg punkt i mitten av september. I år mäter den bara 1.44 ...

SENASTE ARTIKLAR

grön energi2 3
Fyra gröna vätgasmöjligheter för Mellanvästern
by Christian Tae
För att avvärja en klimatkris kommer Mellanvästern, liksom resten av landet, att behöva göra koldioxidutsläpp till sin ekonomi helt genom att...
ug83qrfw
Stora hinder för att kräva svar måste upphöra
by John Moore, On Earth
Om federala tillsynsmyndigheter gör det rätta, kan elkunder i Mellanvästern snart kunna tjäna pengar medan...
träd att plantera för klimat2
Plantera dessa träd för att förbättra stadslivet
by Mike Williams-Rice
En ny studie fastställer levande ekar och amerikanska plataner som mästare bland 17 "superträd" som kommer att hjälpa till att göra städer ...
norra havets botten
Varför vi måste förstå havsbottengeologin för att utnyttja vindarna
by Natasha Barlow, docent i kvartär miljöförändring, University of Leeds
För alla länder som är välsignade med enkel tillgång till det grunda och blåsiga Nordsjön kommer havsvind att vara nyckeln till att möta nätet...
3 skogsbrandlektioner för skogsstäder när Dixie Fire förstör historiska Greenville, Kalifornien
3 skogsbrandlektioner för skogsstäder när Dixie Fire förstör historiska Greenville, Kalifornien
by Bart Johnson, professor i landskapsarkitektur, University of Oregon
En löpeld som brinner i het, torr bergskog svepte genom Gold Rush -staden Greenville, Kalifornien, den 4 augusti, ...
Kina kan möta energi- och klimatmål som begränsar kolkraften
Kina kan möta energi- och klimatmål som begränsar kolkraften
by Alvin Lin
Vid Leader's Climate Summit i april lovade Xi Jinping att Kina kommer att "strikt kontrollera koleldad kraft ...
Blått vatten omgivet av dött vitt gräs
Kartan spårar 30 års extrem snösmältning i USA
by Mikayla Mace-Arizona
En ny karta över extrema snösmältningar under de senaste 30 åren förtydligar processerna som driver snabb smältning.
Ett plan tappar röd brandskyddsmedel till en skogsbrand när brandmän parkerade längs en väg ser upp mot den orange himlen
Modellen förutspår 10-åriga skogsbrand, sedan gradvis nedgång
by Hannah Hickey-U. Washington
En titt på den långsiktiga framtiden för skogsbränder förutsäger en första ungefär decennier lång utbrott av skogsbrandaktivitet, ...

 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

Nya Attityder - Nya Möjligheter

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf Market
Copyright © 1985 - 2021 Innerself Publikationer. All Rights Reserved.