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:

{amazonWS: searchindex = Böcker; nyckelord = vetenskapsmodellering; maxresultat = 3}


 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

Du kanske också gillar

INNERSELF VOICES

fullmåne över Stonehenge
Horoskop Aktuell vecka: 20 - 26 september 2021
by Pam Younghans
Den här astrologiska veckotidningen baseras på planetariska influenser och erbjuder perspektiv och ...
en simmare i stora vattenytor
Glädje och motståndskraft: Ett medvetet motgift mot stress
by Nancy Windheart
Vi vet att vi befinner oss i en stor övergångstid, att föda ett nytt sätt att vara, leva och ...
fem stängda dörrar, den ena gjorde gula, de andra vita
Var ska vi gå härifrån?
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
Livet kan vara förvirrande. Det är så många saker som händer, så många val presenteras för oss. Även en…
Inspiration eller motivation: Vilket fungerar bäst?
Inspiration eller motivation: Vilket kommer först?
by Alan Cohen
Människor som är entusiastiska inför ett mål hittar sätt att uppnå det och de behöver inte bli förkrossade ...
fotosilhouett av bergsklättrare med hjälp av en plockning för att säkra sig
Tillåt rädslan, förvandla den, gå igenom den och förstå den
by Lawrence Doochin
Rädslan känns knäpp. Det finns ingen väg runt det. Men de flesta av oss svarar inte på vår rädsla i en ...
kvinna som sitter vid sitt skrivbord och ser orolig ut
Mitt recept för ångest och oro
by Jude Bijou
Vi är ett samhälle som gillar att oroa sig. Oron är så utbredd att det nästan känns socialt acceptabelt.…
svängig väg i Nya Zeeland
Var inte så hård mot dig själv
by Marie T. Russell, InnerSelf
Livet består av val ... vissa är "bra" val, och andra inte så bra. Men alla val ...
man som står på en brygga som lyser med en ficklampa mot himlen
Välsignelse för andliga sökande och för människor som lider av depression
by Pierre Pradervand
Det finns ett sådant behov i världen av den mest ömma och enorma medkänsla och djupare, mer ...
Lavendelanvändning
Fördelarna med lavendel: växande, skörda och använda detta läkemedel
by Michelle Schoffro Cook, doktor, DNM, ROHP
Det är lättare än du tror att uppleva lavendelens skönhet och läkande egenskaper genom att växa ...
silhuett av en flicka högt på en gunga i skymningen över att se en dimmig sjö
Upplever elementära varelser: sanning eller fantasi?
by Thomas Mayer
Hur upplever du elementära varelser? Kan du medvetet få det att hända? Och hur gör du ...
Detachment handlar inte om att vara kall och avlägsen
Detachment handlar inte om att vara kall och avlägsen
by Nora Caron
När jag växte upp hade jag svårt att ta avstånd från andras problem. Jag hade varje…

MEST LÄS

Hur att bo på kusten är kopplat till dålig hälsa
Hur att bo på kusten är kopplat till dålig hälsa
by Jackie Cassell, professor i primärvårdsepidemiologi, hederskonsult i folkhälsa, Brighton and Sussex Medical School
De osäkra ekonomierna i många traditionella kuststäder har minskat ytterligare sedan ...
De vanligaste frågorna för Earth Angels: Kärlek, rädsla och förtroende
De vanligaste frågorna för Earth Angels: Kärlek, rädsla och förtroende
by Sonja Grace
När du upplever att vara en jordängel kommer du att upptäcka att tjänstens väg är full av ...
Hur kan jag veta vad som är bäst för mig?
Hur kan jag veta vad som är bäst för mig?
by Barbara Berger
En av de största sakerna jag har upptäckt när jag arbetar med kunder varje dag är hur extremt svårt ...
Ärlighet: Det enda hoppet om nya relationer
Ärlighet: Det enda hoppet om nya relationer
by Susan Campbell, Ph.D.
Enligt de flesta singlar jag har träffat på mina resor är den typiska dejtingsituationen fyllig ...
Vilka mäns roller 1970-talets kampanjer mot sexism kan lära oss om samtycke
Vilka mäns roller 1970-talets kampanjer mot sexism kan lära oss om samtycke
by Lucy Delap, University of Cambridge
1970-talets antisexistiska mänrörelse hade en infrastruktur av tidskrifter, konferenser, herrcentra ...
Chakra Healing Therapy: Dansar mot den inre mästaren
Chakra Healing Therapy: Dansar mot den inre mästaren
by Glen Park
Flamencodans är en fröjd att titta på. En bra flamencodansare utstrålar ett sprudlande självförtroende ...
Ta ett steg mot fred genom att ändra vårt förhållande med tanken
Steg mot fred genom att ändra vårt förhållande med tanken
by John Ptacek
Vi tillbringar våra liv nedsänkta i en flod av tankar, omedvetna om att en annan dimension av medvetande ...
bild av planeten Jupiter på horisonten av en stenig havsstrand
Är Jupiter en Planet of Hope eller en Planet of Missnöje?
by Steven Forrest och Jeffrey Wolf Green
I den amerikanska drömmen som den för närvarande uppdelas försöker vi göra två saker: tjäna pengar och förlora ...

följ InnerSelf på

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

 Få det senaste via e-post

Veckotidningen Daglig Inspiration

TILLGÄNGLIGA SPRÅK

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeeliwhihuiditjakomsnofaplptroruesswsvthtrukurvi

Nya Attityder - Nya Möjligheter

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