Vitenskap er avhengig av datamodellering - så hva skjer når det går galt?

Vitenskap er avhengig av datamodellering - så hva skjer når det går galt?

Fra den transformerende oppdagelsen av penicillin til relativitetsteorier og kvantemekanikk, gikk vitenskapen fremover med overveldende hastighet selv før det var datamaskiner. Mye av dette er ned til robustheten av den vitenskapelige metoden: Vitenskapelige resultater bekreftes ved å bli replikert og utvidet av andre forskere.

Men måten vi gjør på naturvitenskap er i endring - vi stoler stadig mer på komplekse datamodeller for å forstå naturen. Og det viser seg at disse modellene kan være nesten umulig å reprodusere - noe som betyr at en viktig berøringspunkt for vitenskapen blir utfordret. Så hva er virkelighetens konsekvenser av denne endringen, og hva kan vi gjøre med det?

Pre-modern vitenskap - kjent som "naturlig filosofi" - var empirisk. Empirisk vitenskap bruker tidligere observasjoner for å gjøre forutsigelser om fremtiden, som da kan bli testet. Tycho Brahe, en dansk-astronom fra det nittende århundre, klarte å gjøre nøyaktige og omfattende observasjoner av himlene på denne måten.

Moderne vitenskap er imidlertid teoretisk. Teoretisk vitenskap gjør også spådommer, men den kommer fra matematiske modeller i stedet for fra tidligere observasjoner. Tenk på Isaac Newtons bevegelseslover, for eksempel den inverse firkantede gravitasjonsloven.

For eksempel er det en ligning som beskriver jordens bane rundt solen. Denne ligningen kan brukes til å bygge en datamodell der du bare kan koble til bestemte variabler og se hvordan løsningen endres. Du kan bare plugge inn en fremtidig dato og lese av jordens posisjon på den aktuelle datoen. Du kan også bruke det samme programmet til å modellere andre planetariske systemer - det er alt basert på samme matematikk. Alt du trenger å gjøre er å plugge inn forskjellige masser og forskjellige andre egenskaper av de involverte kroppene.

Slike matematiske ligninger er flotte når de er tilgjengelige - men ofte er de ikke. For eksempel vet vi at det ikke er noen enkel likning som løser den såkalte "tre-kropps problem", Som beskriver tre legemer som kretser rundt og påvirker hverandre av gravitasjonskrefter - som månen, jorden og solen.

Mye av dagens vitenskap omhandler enda mer kompliserte systemer, og mangler på samme måte nøyaktige løsninger. Slike modeller må være "beregningsmessige" - beskriver hvordan et system skifter fra et øyeblikk til et annet. Men det er ingen måte å fastslå den eksakte tilstanden på en gang i fremtiden, bortsett fra ved å "simulere" dens utvikling på denne måten. Værprognose er et kjent eksempel; inntil fremkomsten av datamaskiner i 1950-ene, var det umulig å forutsi fremtidig vær raskere enn det faktisk skjedde.

Nåværende vitenskap består vanligvis av å utarbeide en matematisk modell som beskriver et komplisert system, og deretter omdanne dette til en beregningsmessig simulering og å kjøre simuleringen for å foreta spådommer for å validere modellen.

Når modellering mislykkes

Modellering er brukt på tvers av vitenskapelige felt - alt fra astrofysikk og klimaforutsigelse til bioinformatikk og økonomi. Men det er økende debatt om det faktum at denne vitenskapen er vanskelig å validere gjennom reproduksjon.

Det viser seg at det bare ikke er nok å beskrive eksperimentelle metoder i ord. Det er delvis fordi naturlige språk som engelsk er rett og slett for vage for å beskrive beregninger nettopp. Det er jo en grunn til at programmerere bruker programmeringsspråk. En av de største utfordringene innen programvareutvikling er å konvertere vage krav til presise spesifikasjoner for atferd.

Mennesker - selv forskere - er tross alt fallible. Transformering av informasjon til et program introduserer nesten alltid feil underveis. For eksempel er mange forskere avhengige av datautforskingsverktøy, for eksempel regneark, som er designet for enkel bruk og ikke for robusthet. Det er veldig enkelt å bare oppsummere feil rekkevidde av celler i et regneark uten å få noen advarsler. Dette var en av metodiske feil i et papir som det amerikanske republikanske partiet pleide å basere sin pro-austerity politikk på.

Tilsvarende a fersk undersøkelse På 15,770-regnearkene som ble offentliggjort under undersøkelsen til det amerikanske selskapet Enron, viste 24% av regnearkene som inneholdt minst en formel, åpenbare feil, for eksempel å legge opp tomme celler.

I naturvitenskapen, den Mars Climate Observer, en romprobe lansert i 1998 for å studere klimaet på Mars, ble tapt et år senere fordi en del av kontrollprogramvaren feilaktig brukte imperial i stedet for metriske enheter. En annen studie av ni uavhengige implementeringer av det samme geovitenskapseksperimentet - ved hjelp av samme datasett, algoritmer og programmeringsspråk - viste svært lite avtale i de oppnådde resultatene.

Dessuten, selv om leseren til et forskningspapir med suksess kan tolke forfatterens presise mening, og så feilfritt oversette det til et program, er det fortsatt fallgruver i å gjennomføre det. En spesielt vanskelig klasse av problemer stammer fra hvordan datamaskiner håndterer tall: Selv om de kan manipulere heltall som 42 og -17 med perfekt nøyaktighet, tillater standardteknikker for å manipulere reelle tall slik at π≈3.14 og √2≈1.414 bare gir omtrentlig nøyaktighet. Disse tilnærmingene betyr at tilsynelatende ekvivalente måter å beregne den samme verdikanningen på gi forskjellige resultater.

Så hva kan gjøres? Hvis selv ekspertprogramvareutviklere ikke pålitelig kan produsere riktig programvare, hva håper det for amatørprogrammerere som forskere?

En linje med arbeidet er å produsere verktøy for å designe "domenespesifikke" programmeringsspråk, hver skreddersydd for en bestemt klasse av problem, som for eksempel agenter på agenter i økonomiske markeder eller diffusjon av stoffer over celler. Disse tar sikte på å gjøre det lettere for spesialister å beskrive beregninger direkte i kjente ord, i stedet for å kodes dem indirekte i et allsidig programmeringsspråk.

En annen tilnærming søker å designe mer uttrykksfulle, men likevel brukervennlige "type systemer" for programmer. Disse vil gjøre det lettere å fange "dumme" feil, som tomme celler i regneark eller blande verdier i ulike enheter. Det kan imidlertid ikke utelukke alle logiske feil. En tredje linje er å utvikle brukbare bibliotek av kode for nøyaktig aritmetikk, og unngå problemer med tilnærming.

Det er all sjanse for disse tilnærmingene kan bidra til å løse problemet fremover, eller i det minste eliminere noen av risikoen. Tross alt, verden trenger vitenskap og forskere trenger datamaskiner - det er ikke sannsynlig å endre når som helst snart.

Om forfatteren

Jeremy Gibbons, professor i databehandling, University of Oxford. Leder av Programmeringsspråket forskningstema.

Denne artikkelen opprinnelig oppstod på The Conversation

Relatert bok:

InnerSelf Market

Amazon

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

følg InnerSelf på

facebook icontwitter ikonetyoutube-ikonetinstagram ikonpintrest-ikonetrss ikon

 Få den siste via e-post

Ukentlig magasin Daglig Inspirasjon

BEVIS

Blått vann omgitt av dødt hvitt gress
Kart viser 30 års ekstrem snøsmelting i USA
by Mikayla Mace-Arizona
Et nytt kart over ekstreme snøsmeltingshendelser de siste 30 årene tydeliggjør prosessene som driver rask smelting.
Hvit havis i blått vann med solnedgangen reflektert i vannet
Jordens frosne områder krymper 33K kvadratkilometer i året
by Texas A & M University
Jordens kryosfære krymper med 33,000 87,000 kvadratkilometer (XNUMX XNUMX kvadratkilometer) per år.
vindturbiner
En kontroversiell amerikansk bok gir klimafornektelse i Australia. Dens sentrale påstand er sant, men likevel irrelevant
by Ian Lowe, emeritusprofessor, School of Science, Griffith University
Hjertet mitt sank forrige uke for å se den konservative australske kommentatoren Alan Jones kjempe for en omstridt bok om ...
bilde
Reuters 'hete liste over klimaforskere er geografisk skjev: hvorfor dette betyr noe
by Nina Hunter, postdoktoral forsker, University of KwaZulu-Natal
Reuters hete liste over "verdens fremste klimaforskere" forårsaker en sus i klimaendringssamfunnet. Reuters ...
En person holder et skall i hånden i blått vann
Gamle skjell antyder at høye CO2-nivåer kan komme tilbake
by Leslie Lee-Texas A&M
Ved å bruke to metoder for å analysere små organismer som finnes i sedimentkjerner fra den dype havbunnen, har forskere anslått ...
bilde
Matt Canavan foreslo at det kalde øyeblikket betyr at global oppvarming ikke er ekte. Vi ødelegger denne og 2 andre klimamyter
by Nerilie Abram, professor; ARC Future Fellow; Sjef etterforsker for ARC Center of Excellence for Climate Extremes; Visedirektør for Australian Centre for Excellence in Antarctic Science, Australian National University
Senator Matt Canavan sendte mange øyeepler rullende i går da han tvitret bilder av snødekte scener i regionale New South ...
Økosystemvakter gir alarm for havene
by Tim Radford
Sjøfugler er kjent som økosystemvakter, og advarer om tap av hav. Når antallet faller, kunne rikdommen til ...
Hvorfor havotter er klimakrigere
Hvorfor havotter er klimakrigere
by Zak Smith
I tillegg til å være et av de søteste dyrene på planeten, hjelper havterter med å opprettholde sunn, karbonabsorberende tang ...

SENESTE VIDEOER

Den store klimamigrasjonen har begynt
Den store klimamigrasjonen har begynt
by super~~POS=TRUNC
Klimakrisen tvinger tusenvis over hele verden til å flykte ettersom deres hjem blir stadig ubeboelig.
Den siste istiden forteller oss hvorfor vi trenger å bry oss om en 2 ℃ temperaturendring
Den siste istiden forteller oss hvorfor vi trenger å bry oss om en 2 ℃ temperaturendring
by Alan N Williams, et al
Den siste rapporten fra klimapanelet (IPCC) uttaler at uten vesentlig reduksjon ...
Jorden har vært beboelig i milliarder av år - nøyaktig hvor heldige vi fikk?
Jorden har vært beboelig i milliarder av år - nøyaktig hvor heldige vi fikk?
by Toby Tyrrell
Det tok evolusjon 3 eller 4 milliarder år å produsere Homo sapiens. Hvis klimaet hadde sviktet helt en gang i det ...
Hvordan kartlegging av været 12,000 XNUMX år siden kan bidra til å forutsi fremtidige klimaendringer
Hvordan kartlegging av været 12,000 XNUMX år siden kan bidra til å forutsi fremtidige klimaendringer
by Brice Rea
Slutten av den siste istiden, for rundt 12,000 år siden, var preget av en siste kald fase kalt Younger Dryas ...
Det kaspiske hav vil falle med 9 meter eller mer i løpet av dette århundret
Det kaspiske hav vil falle med 9 meter eller mer i løpet av dette århundret
by Frank Wesselingh og Matteo Lattuada
Tenk deg at du er på kysten og ser ut mot havet. Foran deg ligger 100 meter karrig sand som ser ut som en ...
Venus var nok en gang jordlignende, men klimaendringene gjorde det ubeboelig
Venus var nok en gang jordlignende, men klimaendringene gjorde det ubeboelig
by Richard Ernst
Vi kan lære mye om klimaendringer fra Venus, vår søsterplanet. Venus har for øyeblikket en overflatetemperatur på ...
Fem klimatroer: Et kollisjonskurs i feil informasjon om klima
The Five Climate Disbeliefs: A Crash Course in Climate Desinformation
by John Cook
Denne videoen er et kollisjonskurs i misinformasjon om klimaet, og oppsummerer de viktigste argumentene som brukes til å tvile på virkeligheten ...
Arktis har ikke vært så varmt i 3 millioner år, og det betyr store endringer for planeten
Arktis har ikke vært så varmt i 3 millioner år, og det betyr store endringer for planeten
by Julie Brigham-Grette og Steve Petsch
Hvert år krymper havisen i Polhavet til et lavt punkt i midten av september. I år måler den bare 1.44 ...

SISTE ARTIKLER

grønn energi2 3
Fire grønne hydrogenmuligheter for Midtvesten
by Christian Tae
For å avverge en klimakrise, må Midtvesten, som resten av landet, fullstendig dekarbonisere økonomien ved å …
ug83qrfw
Stor barriere for å kreve respons må opphøre
by John Moore, On Earth
Hvis føderale regulatorer gjør det rette, kan strømkunder over hele Midtvesten snart kunne tjene penger mens ...
trær å plante for klima2
Plant disse trærne for å forbedre bylivet
by Mike Williams-Rice
En ny studie fastslår levende eik og amerikanske plataner som mestere blant 17 "supertrær" som vil bidra til å gjøre byer...
havbunnen i nord
Hvorfor vi må forstå havbunnsgeologi for å utnytte vindene
by Natasha Barlow, førsteamanuensis i kvartær miljøendring, University of Leeds
For ethvert land som er velsignet med enkel tilgang til det grunne og vindfulle Nordsjøen, vil havvind være nøkkelen til å møte nett...
3 brannleksjoner for skogbyer da Dixie Fire ødelegger historiske Greenville, California
3 brannleksjoner for skogbyer da Dixie Fire ødelegger historiske Greenville, California
by Bart Johnson, professor i landskapsarkitektur, University of Oregon
Et brann som brenner i varm, tørr fjellskog feide gjennom Gold Rush -byen Greenville, California, 4. august,…
Kina kan møte energi- og klimamål som begrenser kullkraften
Kina kan møte energi- og klimamål som begrenser kullkraften
by Alvin Lin
På Leader's Climate Summit i april lovet Xi Jinping at Kina strengt vil kontrollere kullkraft ...
Blått vann omgitt av dødt hvitt gress
Kart viser 30 års ekstrem snøsmelting i USA
by Mikayla Mace-Arizona
Et nytt kart over ekstreme snøsmeltingshendelser de siste 30 årene tydeliggjør prosessene som driver rask smelting.
Et fly slipper rød brannhemmende over på en skogbrann mens brannmenn parkert langs en vei ser opp i den oransje himmelen
Modellen spår 10-års brannskudd, deretter gradvis tilbakegang
by Hannah Hickey-U. Washington
En titt på den langsiktige fremtiden for skogsbranner forutsier en innledende omtrent tiår lang brannaktivitet,…

 Få den siste via e-post

Ukentlig magasin Daglig Inspirasjon

Nye holdninger - Nye muligheter

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf Market
Copyright © 1985 - 2021 InnerSelf Publikasjoner. Alle rettigheter reservert.