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.

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:

Ринок InnerSelf

Амазонка

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

слідкуйте за InnerSelf далі

значок facebookзначок Twitterзначок YouTubeinstagram iconпінтрест значокrss значок

 Отримайте останні по електронній пошті

Щотижневий журнал Щоденне натхнення

ДОСТУП

Блакитна вода, оточена мертвою білою травою
Карта відстежує 30 -річні екстремальні сніготанення в США
by Мікайла Мейс-Арізона
Нова карта екстремальних подій танення снігу за останні 30 років пояснює процеси, що сприяють швидкому таненню.
Білий морський лід у синій воді із заходом сонця, відображеним у воді
Замерзлі території Землі скорочуються на 33 тисячі квадратних миль на рік
by Техаський університет A&M
Кріосфера Землі скорочується на 33,000 87,000 квадратних миль (XNUMX XNUMX квадратних кілометрів) на рік.
вітрових турбін
Суперечлива американська книга про заперечення клімату в Австралії. Його головне твердження є правдивим, але не має значення
by Ян Лоу, заслужений професор, Школа наук, Університет Гріффіта
Минулого тижня серце стиснулося, побачивши консервативного австралійського коментатора Алана Джонса, який виступає за спірну книгу про ...
зображення
Гарячий список кліматологів Reuters географічно нерівний: чому це важливо
by Ніна Хантер, докторант, Університет Квазулу-Натал
Гарячий список "найкращих світових вчених у галузі клімату" Reuters викликає ажіотаж у спільноті, що стосується зміни клімату. Reuters ...
Людина тримає в руці оболонку в блакитній воді
Стародавні снаряди натякають, що високий рівень СО2 може повернутися
by Леслі Лі-Техас A&M
За допомогою двох методів для аналізу крихітних організмів, що знаходяться в ядах осаду з глибокого морського дна, дослідники підрахували ...
зображення
Метт Канаван припустив, що похолодання означає, що глобальне потепління не є реальним. Ми зруйнували цей та 2 інші кліматичні міфи
by Нерілі Абрам, професор; ARC Future Fellow; Головний слідчий Центру передового досвіду ARC для кліматичних екстремумів; Заступник директора Австралійського центру досконалості антарктичних наук, Австралійський національний університет
Вчора сенатор Метт Канаван розгорнув багато очних яблук, коли він написав у твіттері фотографії засніжених сцен у регіональному Новому Півдні ...
Екосистемні сторожі подають сигнал тривоги для Світового океану
by Тім Радфорд
Морські птахи відомі як сторожові екосистеми, що попереджають про морські втрати. У міру того, як їх кількість падатиме, багатство…
Чому морські видри - воїни клімату
Чому морські видри - воїни клімату
by Зак Сміт
Окрім того, що морські видри є одними з наймиліших тварин на планеті, вони допомагають підтримувати здорові водорості, що поглинають вуглець ...

ОСТАННІ ВІДЕО

Почалася велика міграція клімату
Почалася велика міграція клімату
by супер Користувач
Кліматична криза змушує тисячі людей у ​​всьому світі втекти, оскільки їхні будинки стають дедалі непридатними для життя.
Останній льодовий період розповідає нам, чому нам потрібно дбати про 2 ℃ зміну температури
Останній льодовий період розповідає нам, чому нам потрібно дбати про 2 ℃ зміну температури
by Алан Н Вільямс та ін
В останній доповіді Міжурядової групи з питань зміни клімату (МГЕЗК) зазначено, що без істотного зменшення…
Земля залишається придатною для життя мільярди років - саме те, наскільки нам пощастило?
Земля залишається придатною для життя мільярди років - саме те, наскільки нам пощастило?
by Тобі Тіррелл
Еволюція зайняла 3 або 4 мільярди років, щоб отримати Homo sapiens. Якби клімат повністю зазнав краху лише один раз у цьому ...
Як картографування погоди 12,000 XNUMX років тому може допомогти передбачити майбутні зміни клімату
Як картографування погоди 12,000 XNUMX років тому може допомогти передбачити майбутні зміни клімату
by Бріс Рі
Кінець останнього льодовикового періоду, приблизно 12,000 років тому, характеризувався заключною холодною фазою, яка називалася Молодший дріас ...
У цьому столітті Каспійське море має впасти на 9 і більше метрів
У цьому столітті Каспійське море має впасти на 9 і більше метрів
by Френк Весселінг і Маттео Латтуада
Уявіть, що ви перебуваєте на узбережжі і дивитесь на море. Перед вами лежить 100 метрів пустого піску, який виглядає як ...
Венера ще колись була схожа на Землю, але кліматичні зміни зробили її непридатною для життя
Венера ще колись була схожа на Землю, але кліматичні зміни зробили її непридатною для життя
by Річард Ернст
Ми можемо багато чого дізнатись про кліматичні зміни від Венери, нашої сестринської планети. В даний час Венера має поверхневу температуру…
П’ять кліматичних недовір: аварійний курс у дезінформації клімату
П’ять кліматичних недовір: катастрофа в дезінформації клімату
by Джон Кук
Це відео являє собою катастрофічний курс дезінформації клімату, узагальнюючи ключові аргументи, використані для сумніву в реальності ...
Арктика не була такою теплою протягом 3 мільйонів років, і це означає великі зміни для планети
Арктика не була такою теплою протягом 3 мільйонів років, і це означає великі зміни для планети
by Джулі Бригам-Гретт та Стів Печ
Щороку морський крижаний покрив у Північному Льодовитому океані зменшується до найнижчої точки в середині вересня. Цього року він вимірює лише 1.44…

ОСТАННІ СТАТТІ

зелена енергія2 3
Чотири можливості зеленого водню для Середнього Заходу
by Крістіан Тае
Щоб запобігти кліматичній кризі, Середньому Заходу, як і решті країни, потрібно буде повністю декарбонізувати свою економіку шляхом…
ug83qrfw
Необхідно покінчити з основним бар’єром на шляху реагування
by Джон Мур, На Землі
Якщо федеральні регулятори зроблять правильну річ, споживачі електроенергії на Середньому Заході незабаром зможуть заробляти гроші, поки…
дерева для висадки клімату2
Посадіть ці дерева, щоб покращити життя міста
by Майк Вільямс-Райс
Нове дослідження визначає, що живі дуби та американські явори є чемпіонами серед 17 «супердерев», які допоможуть зробити міста…
дно північного моря
Чому ми повинні розуміти геологію морського дна, щоб використовувати вітри
by Наташа Барлоу, доцент четвертинних змін навколишнього середовища, Університет Лідса
Для будь-якої країни, яка має легкий доступ до мілководного і вітряного Північного моря, офшорний вітер буде ключем до досягнення мережі…
3 уроки лісових пожеж для лісових міст, коли вогонь Діксі руйнує історичний Грінвілл, Каліфорнія
3 уроки лісових пожеж для лісових міст, коли вогонь Діксі руйнує історичний Грінвілл, Каліфорнія
by Барт Джонсон, професор ландшафтної архітектури, Університет штату Орегон
Пожежа, що горить у спекотному сухому гірському лісі, прокотилася містом Золота лихоманка Greenрінвілль, Каліфорнія, 4 серпня…
Китай може досягти цілей у сфері енергетики та клімату, обмежуючи енергію вугілля
Китай може досягти цілей у сфері енергетики та клімату, обмежуючи енергію вугілля
by Елвін Лін
На кліматичному саміті Лідера у квітні Сі Цзіньпін пообіцяв, що Китай «буде суворо контролювати енергію, що працює на вугіллі…
Блакитна вода, оточена мертвою білою травою
Карта відстежує 30 -річні екстремальні сніготанення в США
by Мікайла Мейс-Арізона
Нова карта екстремальних подій танення снігу за останні 30 років пояснює процеси, що сприяють швидкому таненню.
Літак скидає червону вогнезахисну речовину на лісову пожежу, коли пожежники, припарковані вздовж дороги, дивляться у оранжеве небо
Модель передбачає 10-річну спалах пожежі, потім поступове зменшення
by Ханна Хікі-У. Вашингтон
Погляд на довгострокове майбутнє лісових пожеж передбачає початковий, приблизно десятирічний, спалах пожежі,…

 Отримайте останні по електронній пошті

Щотижневий журнал Щоденне натхнення

Нове ставлення - нові можливості

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