Наука Полагается На компьютерного моделирования - Так что же происходит, когда она идет не так?

Наука Полагается На компьютерного моделирования - Так что же происходит, когда она идет не так?

От трансформационного открытия пенициллина до теорий относительности и квантовой механики наука прогрессировала с ошеломляющей скоростью еще до того, как появились компьютеры. В значительной степени это связано с надежностью научного метода: научные результаты подтверждаются путем тиражирования и распространения другими учеными.

Но то, как мы делаем науку, меняется - теперь мы все больше полагаемся на сложные компьютерные модели, чтобы понять природу. И оказывается, что эти модели практически невозможно воспроизвести, а это означает, что важный пробный камень науки оспаривается. Итак, каковы реальные последствия этого изменения и что мы можем с этим поделать?

Предсовременная наука, известная как «естественная философия», была эмпирической. Эмпирическая наука использует прошлые наблюдения, чтобы предсказать будущее, которое затем может быть проверено. Tycho Brahe, датский астроном 16-го века, сумел сделать точные и всеобъемлющие наблюдения за небесами таким образом.

Современная наука, однако, является теоретическим. Теоретическая наука также делает предсказания, но она выводит их из математических моделей, а не из предыдущих наблюдений. Подумайте о законах Исаака Ньютона, таких как обратный квадрат закона тяготения.

Например, существует уравнение, описывающее орбиту Земли вокруг Солнца. Это уравнение можно использовать для построения компьютерной модели, в которую вы можете просто подключить определенные переменные и посмотреть, как изменяется решение. Вы могли бы просто подключить будущую дату и прочитать позицию Земли в эту дату. Вы также можете использовать ту же программу для моделирования других планетных систем - все это основано на одной и той же математике. Все, что вам нужно сделать, это подключить разные массы и различные другие свойства задействованных тел.

Такие математические уравнения велики, когда они доступны, но часто это не так. Например, мы знаем, что нет простого уравнения, которое решает так называемые "проблема с тремя телами", Который описывает три тела, вращающиеся вокруг вокруг и влияют друг на друга гравитационными силами - как луна, Земли и Солнца.

Большая часть современной науки имеет дело с еще более сложными системами и аналогичным образом не имеет точных решений. Такие модели должны быть «вычислительными», описывая, как система изменяется с одного момента на другой. Но невозможно определить точное состояние в будущем, а не «имитировать» его эволюцию таким образом. Прогноз погоды - знакомый пример; до появления компьютеров в 1950s невозможно было предсказать будущую погоду быстрее, чем это было на самом деле.

Текущая наука обычно состоит из разработки математической модели, которая описывает сложную систему, затем превращая ее в компьютерное моделирование и запускает симуляцию для прогнозирования, чтобы проверить модель.

При неудачном моделировании

Моделирование используется в научных областях - от астрофизики и прогнозирование климата к биоинформатике и экономике. Но есть растущая дискуссия о том, что эту науку трудно подтвердить путем размножения.

Оказывается, что простого описания экспериментальных методов в словах недостаточно. Это отчасти потому, что естественные языки, такие как английский, слишком расплывчаты для описания вычислений точно. В конце концов, есть причина, по которой программисты используют языки программирования. Одной из самых больших проблем в разработке программного обеспечения является преобразование неопределенных требований в точные спецификации поведения.

Люди - даже ученые - в конце концов ошибаются. Преобразование любой информации в программу почти всегда вводит ошибки на этом пути. Например, многие ученые зависят от инструментов исследования данных, таких как электронные таблицы, которые предназначены для простоты использования, а не для обеспечения надежности. Очень просто подвести неправильный диапазон ячеек в электронную таблицу, не получая никаких предупреждений. Это было одним из методологические недостатки в документе, в котором использовалась Республиканская партия США, на которой основывалась их политика в отношении жесткой экономии.

Аналогичным образом Недавнее исследование на электронных таблицах 15,770, которые были обнародованы в ходе расследования в американской корпорации Enron, показали, что 24% электронных таблиц, содержащих хотя бы одну формулу, имеет очевидные ошибки, такие как добавление пустых ячеек.

В естественных науках Mars Climate Observer, космический зонд, запущенный в 1998 для изучения климата на Марсе, был потерян через год, потому что одна часть программного обеспечения управления ошибочно использовала имперский вместо метрических единиц. Другое исследование из девяти независимых реализаций одного и того же геофизического эксперимента - с использованием того же набора данных алгоритмов и языка программирования - показали очень мало согласия в полученных результатах.

Более того, даже если читатель исследовательского документа может успешно интерпретировать точный смысл писателя, а затем безупречно перевести его в программу, все еще есть проблемы с его выполнением. Один особенно сложный класс проблем возникает из-за того, как компьютеры обрабатывают числа: хотя они могут эффективно обрабатывать целые числа, такие как 42 и -17, с идеальной точностью, стандартные методы для управления реальными числами, такие как π≈3.14 и √2≈1.414, допускают только приблизительную точность. Эти приближения означают, что, по-видимому, эквивалентные способы вычисления одного и того же значения могут дают разные результаты.

Итак, что может быть сделано? Если даже опытные разработчики программного обеспечения не могут надежно создавать правильное программное обеспечение, какая надежда для любительских программистов, таких как ученые?

Одной из задач является создание инструментов для разработки «языков, специфичных для домена», каждый из которых адаптирован к определенному классу проблем, таких как поведение агентов на экономических рынках или распространение наркотиков по ячейкам. Они направлены на то, чтобы специалистам было проще описать вычисления непосредственно в привычных терминах, вместо того, чтобы их косвенно кодировать на языке программирования общего назначения.

Второй подход направлен на разработку более выразительных, но все же удобных для пользователя «систем типов» для программ. Это упростило бы уловить «глупые» ошибки, такие как пустые ячейки в электронных таблицах или смешение значений в разных единицах. Однако он не исключает все логические ошибки. Третья строка - разработка пригодных для использования библиотек кода для точной арифметики, избежание проблем аппроксимации.

Есть все шансы, что эти подходы помогут решить проблему в будущем или, по крайней мере, устранить часть риска. В конце концов, миру нужна наука, а ученым нужны компьютеры - это вряд ли изменится в ближайшее время.

Об авторе

Джереми Гиббонс, профессор вычислительной техники Оксфордского университета. Руководитель темы исследования языков программирования.

Эта статья первоначально появилась на разговоре

Связанные книги:

Рынок InnerSelf

Амазонка

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

Следуйте за InnerSelf

значок facebookзначок Twitterзначок YouTubeзначок Instagramпиктограммазначок rss

 Получить последнее по электронной почте

Еженедельный Журнал Ежедневно Вдохновение

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

Голубая вода в окружении мертвой белой травы
Карта отслеживает 30 лет сильного таяния снегов в США
by Микайла Мейс-Аризона
Новая карта экстремальных снеготаяний за последние 30 лет проясняет процессы, которые вызывают быстрое таяние.
Белый морской лед в голубой воде с закатом, отраженным в воде
Замерзшие области Земли сокращаются на 33 тысячи квадратных миль в год
by Техасский университет A & M
Криосфера Земли сжимается на 33,000 87,000 квадратных миль (XNUMX XNUMX квадратных километров) в год.
ветровых турбин
Спорная американская книга питает отрицание климата в Австралии. Его центральное утверждение верно, но неуместно
by Ян Лоу, почетный профессор Школы наук Университета Гриффита
Мое сердце упало на прошлой неделе, когда я увидел консервативного австралийского комментатора Алана Джонса, отстаивающего спорную книгу о ...
изображение
Горячий список климатологов Reuters географически искажен: почему это важно
by Нина Хантер, научный сотрудник, Квазулу-Натальский университет
Горячий список «ведущих климатологов мира» Рейтер вызывает ажиотаж в сообществе, занимающемся вопросами изменения климата. Рейтер…
Человек держит в руке ракушку в голубой воде
Древние раковины намекают, что высокий уровень CO2 может вернуться
by Лесли Ли-Техас A&M
Используя два метода для анализа крошечных организмов, обнаруженных в кернах донных отложений, исследователи оценили…
изображение
Мэтт Канаван предположил, что резкое похолодание означает, что глобального потепления не существует. Мы развенчали этот и 2 других мифа о климате
by Нерили Абрам, профессор; Будущий научный сотрудник ARC; Главный исследователь Центра передового опыта АРК по экстремальным климатическим явлениям; Заместитель директора Австралийского центра передового опыта в области антарктических наук, Австралийский национальный университет
Сенатор Мэтт Канаван вчера вызвал много восторженных впечатлений, когда опубликовал в Твиттере фотографии снежных пейзажей Нового Юга…
Экосистемные дозорные звуковой сигнал для океанов
by Тим Рэдфорд
Морские птицы известны как стражи экосистемы, предупреждающие об исчезновении морской среды. По мере того, как их число сокращается, богатства ...
Почему каланы - воины климата
Почему каланы - воины климата
by Зак Смит
Морские каланы не только являются одними из самых симпатичных животных на планете, но и помогают поддерживать здоровье водорослей, поглощающих углерод…

Последние видео

Великая миграция климата началась
Великая миграция климата началась
by Супер Пользователь
Климатический кризис вынуждает тысячи людей по всему миру бежать, поскольку их дома становятся все более непригодными для жилья.
Последний ледниковый период говорит нам, почему мы должны заботиться об изменении температуры на 2 ℃
Последний ледниковый период говорит нам, почему мы должны заботиться об изменении температуры на 2 ℃
by Алан Н. Уильямс и др.
В последнем докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится, что без существенного снижения…
Земля оставалась пригодной для проживания миллиарды лет - насколько нам повезло?
Земля оставалась пригодной для проживания миллиарды лет - насколько нам повезло?
by Тоби Тиррелл
Эволюции потребовалось 3-4 миллиарда лет, чтобы произвести Homo sapiens. Если бы климат хоть раз в этом ...
Как картографирование погоды 12,000 лет назад может помочь предсказать будущее изменение климата
Как картографирование погоды 12,000 лет назад может помочь предсказать будущее изменение климата
by Брайс Ри
Конец последнего ледникового периода, около 12,000 лет назад, характеризовался заключительной холодной фазой, называемой младшим дриасом.
В этом столетии Каспийское море может упасть на 9 метров или более
В этом столетии Каспийское море может упасть на 9 метров или более
by Франк Весселинг и Маттео Латтуада
Представьте, что вы находитесь на берегу и смотрите на море. Перед вами 100 метров бесплодного песка, который выглядит как…
Венера когда-то была больше похожа на Землю, но изменение климата сделало ее непригодной для проживания
Венера когда-то была больше похожа на Землю, но изменение климата сделало ее непригодной для проживания
by Ричард Эрнст
Мы можем многое узнать об изменении климата с Венеры, нашей сестринской планеты. В настоящее время температура поверхности Венеры составляет…
Пять недоверие к климату: ускоренный курс дезинформации о климате
Пять недоверие к климату: ускоренный курс дезинформации о климате
by Джон Кук
Это видео представляет собой ускоренный курс дезинформации о климате, в котором резюмируются ключевые аргументы, используемые для того, чтобы поставить под сомнение реальность ...
Арктика не была такой теплой уже 3 миллиона лет, и это означает большие перемены для планеты
Арктика не была такой теплой уже 3 миллиона лет, и это означает большие перемены для планеты
by Джули Бригам-Гретт и Стив Петч
Ежегодно в середине сентября морской ледяной покров в Северном Ледовитом океане сжимается до минимума. В этом году он составляет всего 1.44…

ПОСЛЕДНИЕ СТАТЬИ

зеленая энергия2 3
Четыре возможности использования зеленого водорода для Среднего Запада
by Кристиан Тэ
Чтобы предотвратить климатический кризис, Среднему Западу, как и остальной части страны, необходимо будет полностью обезуглерожить свою экономику путем…
ug83qrfw
Основное препятствие для реагирования на спрос должно быть устранено
by Джон Мур, На Земле
Если федеральные регулирующие органы поступят правильно, потребители электроэнергии на Среднем Западе вскоре смогут зарабатывать деньги, в то время как…
деревья для посадки для климата2
Посадите эти деревья, чтобы улучшить жизнь в городе
by Майк Уильямс-Райс
Новое исследование утверждает, что живые дубы и американские платаны чемпионы среди 17 «супер-деревьев», которые помогут сделать города…
дно северного моря
Почему мы должны понимать геологию морского дна, чтобы справляться с ветрами
by Наташа Барлоу, доцент кафедры четвертичных экологических изменений, Университет Лидса
Для любой страны, имеющей легкий доступ к мелководному и ветреному Северному морю, морской ветер будет ключом к встрече с сетью ...
3 урока лесных пожаров для лесных городов, когда Дикси Файер разрушает исторический Гринвилл, Калифорния
3 урока лесных пожаров для лесных городов, когда Дикси Файер разрушает исторический Гринвилл, Калифорния
by Барт Джонсон, профессор ландшафтной архитектуры, Орегонский университет
Пожар, пылающий в жарком, сухом горном лесу, прокатился по городу Золотой лихорадки в Гринвилле, штат Калифорния, 4 августа…
Китай может достичь целей в области энергетики и климата, ограничив угольную мощь
Китай может достичь целей в области энергетики и климата, ограничив угольную мощь
by Элвин Лин
На апрельском саммите лидера по климату Си Цзиньпин пообещал, что Китай будет «строго контролировать угольную энергетику ...
Голубая вода в окружении мертвой белой травы
Карта отслеживает 30 лет сильного таяния снегов в США
by Микайла Мейс-Аризона
Новая карта экстремальных снеготаяний за последние 30 лет проясняет процессы, которые вызывают быстрое таяние.
Самолет сбрасывает красный огнезащитный состав на лесной пожар, когда пожарные, припаркованные вдоль дороги, смотрят в оранжевое небо.
Модель предсказывает 10-летнюю вспышку лесных пожаров, а затем постепенное снижение
by Ханна Хики-Ю. Вашингтон
Взгляд на долгосрочное будущее лесных пожаров предсказывает начальную примерно десятилетнюю вспышку лесных пожаров,…

 Получить последнее по электронной почте

Еженедельный Журнал Ежедневно Вдохновение

Новое отношение - новые возможности

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholistPolitics.com | Рынок InnerSelf
Copyright © 1985 - 2021 Innerself Публикации. Все права защищены.