Наука покладається на комп'ютерне моделювання - то що відбувається, коли воно стає не так?

Наука покладається на комп'ютерне моделювання - то що відбувається, коли воно стає не так?

Від перетворюючого відкриття пеніциліну до теорій відносності та квантової механіки наука прогресувала з розумною швидкістю ще до появи комп'ютерів. Значна частина цього зводиться до надійності наукового методу: наукові результати перевіряються шляхом їх тиражування та розширення іншими вченими.

Але те, як ми займаємось наукою, змінюється - тепер ми все більше покладаємось на складні комп'ютерні моделі, щоб зрозуміти природу. І виявляється, що ці моделі можна майже неможливо відтворити - це означає, що важливий опорний камінь піддається науці. То які реальні наслідки цієї зміни і що ми можемо з цим зробити?

Домодерна наука - відома як "природна філософія" - була емпіричною. Емпірична наука використовує попередні спостереження для прогнозування майбутнього, яке потім може бути перевірено. Тихо Браге, датський астроном 16 ст., встиг зробити таким чином точні та всебічні спостереження за небесами.

Однак сучасна наука є теоретичною. Теоретична наука також робить прогнози, але вона виходить із математичних моделей, а не з попередніх спостережень. Подумайте про закони руху Ісаака Ньютона, такі як зворотний квадратний закон гравітації.

Наприклад, існує рівняння, що описує орбіту Землі навколо Сонця. Це рівняння можна використовувати для побудови комп'ютерної моделі, до якої можна просто підключити певні змінні та подивитися, як змінюється рішення. Ви можете просто підключити майбутню дату і прочитати положення Землі на цю дату. Ви також можете використовувати ту саму програму для моделювання інших планетних систем - все це базується на одній математиці. Все, що вам потрібно зробити, це підключити різні маси та різні інші властивості тіл, що займаються.

Такі математичні рівняння чудові, коли вони доступні - але часто вони не є. Наприклад, ми знаємо, що не існує простого рівняння, яке вирішує так зване "проблема з трьома тілами”, В якому описано три тіла, що орбітують навколо і впливають одне на одного гравітаційними силами - як Місяць, Земля та Сонце.

Значна частина сучасної науки займається ще складнішими системами, а також не вистачає точних рішень. Такі моделі повинні бути "обчислювальними" - описувати, як система змінюється з однієї миті на іншу. Але немає способу визначити точний стан на якийсь час у майбутньому, окрім як "моделювати" його еволюцію таким чином. Прогнозування погоди - звичний приклад; до появи комп'ютерів у 1950, неможливо було передбачити майбутню погоду швидше, ніж це насправді відбулося.

Сучасна наука, як правило, складається з розробки математичної моделі, яка описує складну систему, а потім перетворення її в обчислювальне моделювання та запуску моделювання для прогнозування для перевірки моделі.

Коли моделювання не вдається

Моделювання використовується в наукових галузях - починаючи від астрофізики та прогноз клімату до біоінформатики та економіки. Але є посилення дебатів про те, що цю науку важко перевірити шляхом відтворення.

Виявляється, просто описати експериментальні методи словами не достатньо. Це частково тому, що природні мови, такі як англійська, просто занадто розпливчасті, щоб точно описати обчислення. Зрештою, є причина, чому програмісти використовують мови програмування. Однією з найбільших проблем у розробці програмного забезпечення є перетворення розпливчастих вимог у точні специфікації поведінки.


 Отримайте останні по електронній пошті

Щотижневий журнал Щоденне натхнення

Люди - навіть вчені - врешті-решт помилкові. Перетворення будь-якої інформації в програму майже незмінно вводить помилки на цьому шляху. Наприклад, багато вчених залежать від інструментів дослідження даних, таких як електронні таблиці, які створені для зручності використання, а не для надійності. Дуже просто просто підбити неправильний діапазон комірок у електронній таблиці, не отримуючи жодних попереджень. Це було одним із методологічні вади у документі, на якому Республіканська партія США використовувала свою основу політики економії.

Аналогічно a Недавнє дослідження на електронних таблицях 15,770, оприлюднених під час розслідування американської корпорації Enron, було показано, що 24% електронних таблиць, що містять принаймні одну формулу, мали явні помилки, такі як додавання порожніх комірок.

У природничих науках Наглядач клімату на Марсікосмічний зонд, запущений у 1998 для вивчення клімату на Марсі, був втрачений через рік через те, що одна частина програмного забезпечення управління помилково використовувала імперський замість метричних одиниць. Інше дослідження з дев'яти незалежних реалізацій того ж експерименту з геознавства - використовуючи той самий набір даних, алгоритми та мову програмування - показали дуже незначну згоду в отриманих результатах.

Більше того, навіть якщо читач науково-дослідної роботи може успішно інтерпретувати точне значення письменника, а потім бездоганно перекласти його в програму, все ж є підводні камені в його виконанні. Один особливо складний клас проблем виникає з того, як комп'ютери обробляють числа: хоча вони можуть маніпулювати цілими числами, такими як 42 і -17 з ідеальною точністю, стандартні методи керування реальними числами, такі як π≈3.14 і √2≈1.414, дозволяють лише приблизну точність. Ці наближення означають, що очевидно еквівалентні способи обчислення одного і того ж значення можуть дають різні результати.

Отже, що можна зробити? Якщо навіть експертні розробники програмного забезпечення не можуть надійно виробляти правильне програмне забезпечення, на що сподіваються програмісти-любителі, як вчені?

Одним напрямком роботи є створення інструментів для розробки «програмно-орієнтованих» мов програмування, кожне з урахуванням певного класу проблем, таких як поведінка агентів на економічних ринках або розповсюдження наркотиків по клітинах. Вони спрямовані на те, щоб спеціалістам було набагато простіше описувати обчислення безпосередньо звичними термінами, а не кодувати їх опосередковано мовою програмування загального призначення.

Другий підхід має на меті створити більш виразні, але все-таки зручні для користувача системи типу. Це полегшило б зафіксувати "нерозумні" помилки, такі як порожні комірки в електронних таблицях або змішання значень у різних одиницях. Однак він не може виключати всіх логічних помилок. Третій рядок - це розробити корисні бібліотеки коду для точної арифметики, уникаючи проблем наближення.

Є всі шанси, що ці підходи можуть допомогти виправити проблему в майбутньому або принаймні усунути частину ризику. Адже світові потрібна наука, а вченим потрібні комп'ютери - це, швидше за все, не зміниться найближчим часом.

про автора

Джеремі Гіббонс, професор обчислювальної техніки Оксфордського університету. Керівник теми дослідження мов програмування.

Ця стаття спочатку з’явилася у розмові

Пов’язана книга:

at InnerSelf Market і Amazon

 

Вам також може сподобатися

слідкуйте за InnerSelf далі

значок facebookзначок Twitterзначок YouTubeinstagram iconпінтрест значокrss значок

 Отримайте останні по електронній пошті

Щотижневий журнал Щоденне натхнення

ДОСТУПНІ МОВИ

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeeliwhihuiditjakomsnofaplptroruesswsvthtrukurvi

ВНУТРІШНІ ГОЛОСИ

Місячне затемнення, 12 травня 2022 року
Астрологічний огляд і гороскоп: 23 - 29 травня 2022 року
by Пем Янгханс
Цей щотижневий астрологічний журнал базується на планетарних впливах і пропонує перспективи та…
05 21 відродження уяви в небезпечні часи 5362430 1920
Відродження уяви в небезпечні часи
by Природа Габріель Крам
У світі, який часто здається прагне знищити себе, я виявляю, що курирую красу - таку...
група багаторасових людей, що стоять на груповому фото
Сім способів проявити повагу до своєї різноманітної команди (відео)
by Келлі Макдональд
Повага має глибоке значення, але нічого не коштує. Ось способи, які ви можете продемонструвати (і…
слон ходить перед західним сонцем
Астрологічний огляд і гороскоп: 16 - 22 травня 2022 року
by Пем Янгханс
Цей щотижневий астрологічний журнал базується на планетарних впливах і пропонує перспективи та…
фотографія Лео Бускальї з обкладинки його книги: «Жити, любити та навчатися».
Як змінити чиєсь життя за кілька секунд
by Джойс Вісселл
Моє життя кардинально змінилося, коли хтось використав цю секунду, щоб вказати на мою красу.
композиційна фотографія повного місячного затемнення
Астрологічний огляд і гороскоп: 9 - 15 травня 2022 року
by Пем Янгханс
Цей щотижневий астрологічний журнал базується на планетарних впливах і пропонує перспективи та…
05 08 розвиток милосердного мислення 2593344 завершено
Розвиток співчутливого мислення по відношенню до себе та інших
by Марі Т. Рассел, InnerSelf.com
Коли люди говорять про співчуття, вони здебільшого мають на увазі співчуття до інших...
чоловік пише листа
Писати правду і дозволяти емоціям текти
by Барбара Бергер
Записування — це хороший спосіб практикувати говорити правду.
Запитання, які слід задати собі, якщо ви відчуваєте, що перебуваєте в кризі
3 запитання, які слід задати собі, коли ви відчуваєте, що перебуваєте в кризі
by Барбара Бергер
Іноді мені подобається говорити, що б ми робили без наших криз? Або - ким би ми були, якби ніколи не зустріли…
Робота зі своїми внутрішніми дітьми
Робота зі своїми внутрішніми дітьми
by Мері Мюллер Шутан
Ми любимо мислити себе як одну конгруентну ідентичність, одного Я. Чи ми ...
12 05 з жорсткості на зміну 647528 завершено
Від жорсткості до змін
by Марі Т. Рассел, InnerSelf.com
Для того, щоб речі або люди могли змінитися, вони повинні бути гнучкими. Верба хилиться на вітрі…

НАЙБІЖ ЧИТАТИ

відновлення середовища 4 14
Як рідні птахи повертаються до відновлених міських лісів Нової Зеландії
by Елізабет Елліот Ноу, Університет Лінкольна та ін
Урбанізація та знищення середовища проживання, яку вона тягне за собою, є основною загрозою для місцевих птахів…
Історія страждань і смерті за забороною на аборт в Ірландії та подальшою легалізацією
Історія страждань і смерті за забороною на аборт в Ірландії та подальшою легалізацією
by Гретхен Е. Елі, Університет Теннессі
Якщо Верховний суд США скасує рішення «Роу проти Вейда» від 1973 року, яке легалізовано аборти в…
скільки вам потрібно спати 4 7
Скільки вам дійсно потрібно спати
by Барбара Жаклін Саакян, Кембриджський університет та ін
Більшість із нас намагаються добре думати після поганого сну, відчуваючи туман і невиконання…
товариства довіри щасливі 4 14
Чому довірчі товариства загалом щасливіші
by Енджамін Редкліфф, Університет Нотр-Дам
Люди — соціальні тварини. Це означає, майже з логічної необхідності, що люди…
користь лимонної води 4 14
Чи буде лимонна вода детоксикувати або заряджати вас енергією?
by Еванджелін Манціоріс, Університет Південної Австралії
Якщо ви вірите анекдотам в Інтернеті, пити теплу воду з крапелькою лимонного соку – це…
група багаторасових людей, що стоять на груповому фото
Сім способів проявити повагу до своєї різноманітної команди (відео)
by Келлі Макдональд
Повага має глибоке значення, але нічого не коштує. Ось способи, які ви можете продемонструвати (і…
економіка 4 14
5 речей, які знають економісти, але для більшості інших людей звучать неправильно
by Рено Фукар, Ланкастерський університет
Цікавим у нашій професії є те, що коли ми, вчені-економісти, значною мірою згодні з кожним…
навчитися звертати увагу 4 14
Ці стратегії та лайфхаки можуть допомогти кожному, хто має проблеми з увагою
by Роб Розенталь, Університет Колорадо
Через постійний потік негативних відгуків, які люди отримують про свою продуктивність,…

Нове ставлення - нові можливості

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | Ринок InnerSelf
Copyright © 1985 - 2021 InnerSelf Publications. Всі права захищені.