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La Natura di Prova Scientifica nell'Era delle Simulazioni

Quanto può essere precisa una simulazione al computer rispetto alla realtà?
by

Matteo Ferrarini

on 27 September 2014

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Transcript of La Natura di Prova Scientifica nell'Era delle Simulazioni

La Natura della Prova Scientifica nell'Era delle Simulazioni
Quanto può essere precisa una simulazione al computer rispetto alla realtà?
Il Metodo Scientifico
Cerca di capire il mondo attraverso esperimenti ed esperienze;
Si è amalgamato con una forma moderna di razionalismo (l'uso della ragione, della matematica e della logica per capire la natura)
Il Razionalismo
E' la credenza che l'uso della sola ragione sia sufficiente a capire la natura del mondo
Si afferma con i filosofi greci: Aristotele, Platone e Pitagora
Esponenti più moderni: Kant, Leibniz e Descartes
Metodo Scientifico + Razionalismo
Astronomia e Astrofisica
Astronomi: scoprono, catalogano e danno un senso al cielo notturno.
Astrofisici: “pensano e ripensano” le idee teoriche, formulano ipotesi, fanno predizioni sull'aspetto da osservare e cercano di scoprire principi organizzativi unificando i fenomeni astronomici.
Semplificare
In astrofisica -ma in tutta la fisica in generale- i problemi vengono resi “studiabili” concentrandosi su una particolare scala di lunghezza, tempo, velocità...
Esempio: lo studio dell'acqua
Problemi sulla Multi-scala
I fenomeni su scale multiple non possono essere semplificati
Errori su una scala hanno effetti su tutto il fenomeno
In una struttura fenomeni su piccola scala comunicano con fenomeni su grande scala e viceversa.
Esempio: gli esopianeti
Una Terza Modalità
Una terza modalità per stabilire la verità: la simulazione

Simulare la natura
Si usano grandi computer in cui vengono inserite equazioni che descrivono il sistema fisico studiato
Simulazione in Astronomia e Astrofisica
Necessità di simulare in assenza della possibilità di riprodurre fenomeni in laboratorio
Simulazioni per capire cosa lega i vari oggetti del cosmo
Diffusione della Simulazione in Astrofisica
Tra gli anni '40 e gli anni '80 l'astrofisico Martin Schwarzschild fu uno dei primi ad utilizzare le simulazioni per capire l'evoluzione di stelle e galassie sfruttando soluzioni numeriche generate da grandi computer
Da allora la simulazione è diventata una vera e propria sotto-disciplina dell'astrofisica
Sviluppo delle Simulazioni e dei Computer
A partire dagli anni '90 si è diffuso l'uso delle simulazioni per testare le ipotesi.
Astrofisici Computazionali
Ora abbiamo tre tipi di astrofisici computazionali:
ingegneri che costruiscono il codice
altri per studiare ed eleaborare il risultato prodotto
ricercatori per formulare le ipotesi e pianificare esperimenti numerici
Computer più diffusi e veloci
Dati astronomici più ricchi
Implicazioni delle espansioni delle simulazioni
Le simulazioni possono essere riconosciute come esperimenti numerici, insieme con presupposti, domande e limitazioni associate con qualsiasi tradizionale laboratorio basato su esperimenti
I risultati delle simulazioni sono considerati empirici, termine prima utilizzato per i fenomeni naturali e non per le simulazioni della natura
Millenium Simulation Project
Il "Millennium Simulation Project", progettato ed eseguito dal "Max Planck Institute for Astrophysics" a Monaco, Germania, fornisce innovativi esempi.
E' una grande simulazione di un universo in una scatola, spiegando la vera fabbrica del cosmo. L'insieme dei dati generati da queste simulazioni sono talmente fondamentali che tutti i laboratori sono organizzati attorno ad essi.
Questo dimostra che i dati ottenuti da simulazioni stanno sostituendo i dati ottenuti dalle osservazioni astronomiche.
E' possibile realizzare un equazione che riassumi tutta la natura?
Tutti gli studi teorici sono solamente un'approssimazione della natura, non esiste quindi un'equazione che riassuma tutti i fenomeni fisici dell'Universo. Se potessimo realizzarne una, risolverla sarebbe proibitivo, sempre che non sia impossibile scriverla senza commettere errori.
I limiti delle simulazioni
Una delle limitazioni fondamentali di qualsiasi simulazione è che c'è un limite pratico alla precisione con cui lo spazio e il tempo possono essere simulati in un computer.
Questa difficoltà nel simulare fenomeni su scale microscopiche o macroscopiche è conosciuta come "problema di campo dinamico"
Metodo Scientifico
Razionalismo
Esempio
Le Galassie: misurano decine di migliaia di anni luce, mentre le stelle hanno diametri su scale 100bilioni di volte più piccole.
Simulare l'intero campo d'azione è quindi un problema a causa dei tempi eccessivi per eseguire i calcoli e a causa delle nostre scarse conoscenze fisiche.
Non tutto si può simulare
Tuttavia non tutto ciò che si trova in natura si può simulare. Un esempio sono i liquidi Newtoniani, ovvero quei liquidi che mantengono una "memoria" del loro passato (un esempio è il ketchup che tende a diventare meno viscoso quando lo si deforma gradualmente). Tentare di simulare questi fluidi sarebbe quindi futile.
Come simulare un "liquido Newtoniano"
Per simulare un liquido newtoniano al computer, bisogna considerare la sostanza come se si fosse in un laboratorio e scomporla nelle sue forme più semplici. Quando si attua questo procedimento si usano delle formule che contengono inevitabilmente degli errori, e ciò impedisce di riprodurre fedelmente le caratteristiche della sostanza in questione.
"Più grande, più bello e più veloce"
Non è raro sentire questa formula nelle discussioni sulle simulazioni, infatti si sta cercando di creare codici sempre più complessi per ottenere una quantità sempre maggiore di informazioni che si trasformino in tempi sempre minori in conoscenza. Per ora, però, l'abisso tra informazione e conoscenza è enorme!
Tuttavia ciò può portare alla perdita dei principi guida alla base della simulazione.
I dubbi
La verità scientifica è rappresentata meglio da un modello più semplice a da uno più complesso? Molti direbbero dal più semplice, ma questo punto di vista non è universalmente accettato.
Quando possiamo dire che una simulazione è una buona approssimazione della realtà?
Quando possiamo dire di aver ottenuto un modello abbastanza "più grande, più bello e più veloce"?
Si può ottenere la migliore risposta di sempre semplicemente aumentanto la difficoltà dei calcoli?
Possibili soluzioni
Una possibile soluzione è quella di simulare i fenomeni in base a scale di grandezza: dagli elementi più grandi a quelli più piccoli.
Esempio: simulazione di Giove.
Viene simulato l'intero pianeta, in seguito le nuvole che lo ricoprono, successivamente le particelle che le compongono ed, infine, gli atomi di ciascuna particella. Unendo le simulazioni otteniamo una approssimazione di ciascun fenomeno che caratterizzano questo gigante gassoso.
Riproducibilità delle simulazioni
Spesso i giornali che trattano di astrofisica non forniscono abbastanza dati per completare una simulazione, questo perchè i codici di computer utilizzati a questo scopo sono di proprietà e sono complessi da riprodurre, in quanto richiedono una grande quantità di tempo e lo sforzo di un intero team di studiosi. Quindi la verità scientifica è monopolizzata da un gruppo di pochi che dettano legge agli altri.
Possiamo continuare a definire scienza qualcosa che non può essere riprodotto nell'immediato da più scienziati?
Riproducibilità
Tuttavia ci sono anche studiosi che rendono i proprio risultati "open source". Questo porta enormi vantaggi, uno dei quali è che tutti possono contribuire a migliorare e a correggere ciò che viene pubblicato. Alcuni ricercatori credono che questo sia uno scambio di segreti, ma sono molti gli esempi di scienziati che hanno fatto carriera grazie ai loro codici resi "liberi".
Fonti incerte
Tuttavia bisogna considerare anche l'origine di questi risultati. Può capitare, infatti, che questi siano il frutto di fenomeni mal interpretati (o incompleti) e che quindi contengano errori già alle basi. Questo può accadere, ad esempio, quando si cerca di simulare un esopianeta basandosi su caratteristiche del pianeta Terra.
Conclusioni
Le simulazioni come terza possibilità per stabilire la verità scientifica si stanno affermando sempre più. L'obiettivo degli astrofisici è quello di renderle sempre più chiare e riproducibili, in modo tale da poterle mettere sullo stesso piano della teoria e degli esperimenti.
Fonte: "American Scientist", volume 102, numero 3, maggio-giugno 2014, "The Nature of Scientific Proof, in the Age of Simulation" di Kevin Heng, pp. 174-177
Ferrarini Matteo,
II e-school

Musica: Odissea Veneziana, from "Venezia 2000" by "Rondò Veneziano"
FINE
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