Modellauswahl in der Physik [geschlossen]

Mein Verständnis der wissenschaftlichen Methode ist, dass sie in den folgenden Schritten zusammengefasst werden kann, die nicht in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt werden müssen:

  • Vermutungen und Hypothesen aufstellen (dh Modelle und Theorien entwickeln)

  • Machen Sie Vorhersagen von ihnen

  • Experimente durchführen und/oder Daten sammeln

  • Testen Sie die neuen Theorien / Modelle und nehmen Sie sie möglicherweise an IF :

    • die Daten entsprechen Modellvorhersagen genauer als alternative Theorien
    • die neue Theorie ist nicht komplexer als andere plausible (passende) Alternativen

In der Statistik und beim computergestützten Lernen begegnen wir häufig einem ähnlichen Spannungsverhältnis zwischen Anpassungsgüte und Modellkomplexität, wenn Modelle verglichen werden, die darauf abzielen, die Daten zu erklären. Dazu stützen wir uns auf formale Modellauswahlmethoden wie den Bayes-Faktor und seine Annäherungen (z. B. AIC , BIC , Abweichungsinformationskriterium usw.) und verwenden häufig Maße der Modellkomplexität und -validierung , um zu entscheiden, welches bestimmte Modell verwendet werden soll.

Meine Frage:

Gibt es Beispiele für diese oder ähnliche Rahmen in der Physik, die verwendet werden, um Theorien zu vergleichen ? Mit anderen Worten, gibt es in der Physik erforschte/verwendete informationstheoretische Rahmenwerke, die diesen speziellen Kompromiss zwischen Modellgenauigkeit und Komplexität untersuchen , um die Theorieauswahl spezifisch zu informieren ?

Obwohl es sich um eine wichtige Frage handelt, denke ich, dass diese Frage, wie Sie selbst zugeben, zu weit gefasst ist - es gibt viele Teilbereiche, und sie haben sehr unterschiedliche Standards dafür, was als "Beweis" oder "statistisch signifikante Beobachtung" gilt. Als Faustregel würde ich sagen, dass die Physik die wissenschaftliche Methode unter allen Wissenschaften so gut wie möglich umfasst , das heißt natürlich unvollkommen.
"In der Theorie gibt es keinen Unterschied zwischen Theorie und Praxis, in der Praxis schon." - was daran zu sehen ist, dass sogar Wikipedia verwirrt ist, wer das zuerst gesagt haben könnte, und dass es für seine äußerste Tiefe überhaupt keine Rolle spielt.
Dieses allzu vereinfachte Modell der wissenschaftlichen Methode erinnert an einen Werbespot einer Versicherungsgesellschaft, der derzeit in den USA läuft: So funktioniert es nicht. So funktioniert das alles nicht. Theoretische Physiker führen selten (wenn überhaupt) Experimente durch; Experimentatoren entwickeln selten (wenn überhaupt) neue Theorien. Der erste Test einer Theorie in der Physik sind bereits durchgeführte Experimente. Zum Beispiel musste die Relativitätstheorie notwendigerweise mit der Newtonschen Mechanik in dem Bereich übereinstimmen, in dem die Newtonsche Mechanik gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmte.
Dieser kürzlich erschienene Artikel über die Natur über die Beziehung zwischen den neueren Trends der theoretischen Physik und der wissenschaftlichen Methode könnte von Interesse sein
@DavidHammen Beachten Sie, dass ich die Punkte in der Liste nicht nummeriert habe, um hervorzuheben, dass die wissenschaftliche Methode keine Reihenfolge auferlegt, ob Sie mit Beobachtungen oder mit einer Theorie beginnen. Auch werden unter Vorhersagen (zumindest in der statistischen Theorie) formal gesehen keine Vorhersagen über zukünftige Beobachtungen verstanden. Beachten Sie abschließend, dass ich die Klausel "fühlen Sie sich frei zu korrigieren" hinzugefügt habe. Sie und alle anderen sind dazu herzlich eingeladen.
Die wissenschaftliche Methode HÄNGT von Beobachtungen ab. Die Theorie ist nur ein Werkzeug, um sie zu verstehen. Es geht nicht darum, wo man anfängt (normalerweise fängt übrigens alles mit einer Beobachtung an, nicht mit Theorie), sondern was die Forschung leitet, und das ist immer die Natur. Es gibt keine Ausnahmen von dieser Regel.
the data fit the [theory's] predictions more accurately than alternative theoriesWie David Hammen betonte, ist die Newtonsche Mechanik für die meisten Wechselwirkungen geeignet. Erst wenn man in den Bereich sehr klein oder sehr schnell kommt, weicht das berechnete Ergebnis von den Daten ab. Ihre Aussage deutet darauf hin, dass wir die Newtonsche Mechanik verwerfen sollten, da sie nicht gut zu den Daten passt und eine andere Theorie eine bessere Aufgabe erfüllt. Entschuldigung, ich werde weiterhin die Newtonsche Mechanik verwenden.
Im Geiste der Antwort von LDC3 ist es wichtig zu erwähnen, dass die Theorie inklusive ist. Es ermöglicht, dass mehrere Erklärungen derselben Beobachtung nebeneinander existieren. Wir tauschen häufig die Einfachheit einer Erklärung gegen Präzision oder sogar ontologische Vollständigkeit. Man kann im Prinzip die Bewegung der Planeten mit QED/QCD berechnen, aber niemand, der bei klarem Verstand ist, wird es tun. Der große Erfolg der Newtonschen Mechanik ist ihre Einfachheit und Abdeckung allgemeiner Phänomene. Es wird weiterleben, lange nachdem der EVG entdeckt wurde.
@LDC Als du sagtest: Your statement indicates that we should dispose of Newtonian mechanics since it doesn't fit the data well and another theory does a better task.Das ist nicht richtig. Das schlägt der OP nicht vor. Auch kann eine Vorliebe für die Newtonsche Mechanik aus dem Blickwinkel gerechtfertigt werden, dass es sich bei einigen Problemen um eine einfachere Theorie (einfacher anzuwenden und zu kommunizieren) als andere Theorien handelt. Dies ist die Spannung, auf die sich das OP bezieht: Modellkomplexität ist ein ebenso wichtiger Aspekt der Modell-/Theorieauswahl in der Inferenztheorie und der wissenschaftlichen Methode .
@ user815423426 - Re Auch formal gesehen werden Vorhersagen (zumindest in der statistischen Theorie) nicht als Vorhersagen über zukünftige Beobachtungen verstanden. Vorhersagen sind (fast) eine absolute Notwendigkeit in der Physik. Es gibt wenig Wert in einem neuen Modell/einer neuen Theorie, die nicht irgendein Ergebnis vorhersagt, das im Widerspruch zu dem von bestehenden Modellen/Theorien vorhergesagten Ergebnis steht. Wenn sich keine neuen Vorhersagen ergeben, ist das neue Modell/die neue Theorie bestenfalls eine Verfeinerung dessen, wie man das bestehende Modell/die bestehende Theorie ausdrückt, aber es ist nicht neu. Neue Theorien müssen neue Wege gehen.
Die Wissenschaft strebt nicht nach der rationalen Suche nach der Wahrheit. Die Wissenschaft sucht einfach nach den einfachsten und am besten passenden Erklärungen für natürliche Beobachtungen. Ich würde vorschlagen, dass Sie romantische Vorstellungen von Ihren Vorstellungen über Wissenschaft trennen und sich an die grundlegenden Definitionen halten.

Antworten (1)

Als pensionierter experimenteller Teilchenphysiker werde ich Ihre Liste kommentieren und neu ordnen.

   Make conjectures & hypotheses (theory)

Bereits existierende erfolgreiche Theorien mit ihren Postulaten und strengen mathematischen Modellen. Schließlich begann die Physik vor Newton.

   Make predictions from this theory

Verwenden Sie die Theorie, um Verhaltensweisen in derzeit durchgeführten Experimenten vorherzusagen, um bereits bestehende Theorien zu bestätigen/validieren.

   Carry out experiments and observations

Überraschung, Überraschungsexperiment passt nicht zu bereits bestehender Theorie. Kopfkratzen bei Experimentatoren, Fieber bei Theoretikern.

Beispiel: Radioaktivität benötigte spezielle Relativitätstheorie und Quantenmechanik, um theoretisch modelliert zu werden, und die Beobachtungen existierten lange vor den Theorien, experimentelle Daten erzwangen die Notwendigkeit neuer Theorien.

Neue Theorien erscheinen:

   Test and embrace the new theory if
        the data fit the predictions more accurately than alternative theories
        the new theory is not more complex than other plausible alternatives

Nein. Testen und akzeptieren Sie die neuen Theorien für den neuen Gültigkeitsbereich und stellen Sie sicher, dass mathematisch gezeigt werden kann, dass die alten Theorien aus den neuen hervorgehen. Zum Beispiel: Die statistische Mechanik, die neue Theorie, hatte als aufstrebende Theorie die Thermodynamik, ein elegantes mathematisches Modell, das in seinem Geltungsbereich gut funktionierte, lange bevor die statistische Mechanik formuliert wurde.

Entwerfen Sie dann Experimente, die Abweichungen vom aktuellen Modell aufzeigen und zu einem tieferen theoretischen Verständnis führen können, da jetzt mit dem LHC das Standardmodell getestet/validiert wird und alle den Atem anhalten, dass eine Diskrepanz gefunden wird, die zur Notwendigkeit einer höheren Hypothese führt Theorien.

Die Physik kommt nicht dadurch voran, dass ein Theoretiker ein brandneues Modell zur Überprüfung vorschlägt. Dies hat zu vielen verrückten Vorschlägen geführt, bei denen die Leute nicht verstehen, warum sie nicht als der neue Einstein behandelt werden.

Einstein baute auf den vorherigen Theorien auf und dachte sicherlich über den Tellerrand hinaus, aber seine Theorien basierten auf den vorherigen und erweiterten sie um neue Gültigkeitsbereiche, und die Verbindung zwischen den älteren Theorien und der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Speziellen Relativitätstheorie ist glatt und berechenbar. Für die wissenschaftliche Methode in der Physik funktioniert kein allgemeines „Altes raus, Neues rein“.

Und um auf statistische Methoden zu antworten, werden alle statistischen Methoden zur Bewertung der Anpassungsgüte von Daten an Theorien verwendet. Beispiel die jüngste Higgs-Suche und -Entdeckung am LHC.

Denken Sie auch daran, dass in der Teilchenphysik heutzutage die Spezialisierung von Theoretikern und Experimentatoren erforderlich ist, da die Menge an Wissen und Fachwissen, die in jedem Zweig benötigt wird, enorm ist. Ein Symptom sind die 3000 Physiker, die die experimentellen Papiere des LHC unterzeichnen.

Wenn Experiment und Theorie nicht übereinstimmen, dann brechen Wissenschaftler den Champagner aus. Nur so können bedeutende Entdeckungen gemacht werden.
@CuriousOne – Oder wie Isaac Asimov schrieb: „ Der aufregendste Satz, den man in der Wissenschaft hören kann, der, der neue Entdeckungen ankündigt, ist nicht ‚Heureka!‘ aber 'Das ist lustig...' "
@DavidHammen: Ich wünschte immer noch, ich hätte mehr davon in meinem Leben haben können. Leider bekamen wir meistens das, was wir erwartet hatten. Ich freue mich immer noch auf den nächsten LHC-Lauf und hoffe von Herzen für alle Wissenschaftler dort, dass sie eine Abwechslung bekommen, diesen Satz auszusprechen. Bisher habe ich viele enttäuschte Gesichter gesehen, vor allem bei den jungen Leuten, die die Daten analysieren. "Das Higgs und nicht viel mehr" wäre ein absolut niederschmetterndes Ergebnis für die größte experimentelle Anstrengung, die wir je unternommen haben. Es gibt noch Hoffnung...
"No. Test and embrace the new theories for the new region of validity and make sure that the old theories can mathematically be shown to emerge from the new."Sorry, aber das ergibt keinen Sinn. Eine einzelne Theorie (dh einfacher), die eine breite Palette von Phänomenen gut vorhersagt, ist besser als eine Sammlung von Theorien für jeden einzelnen Fall. Punkt. Dies ist die Spannung von Einfachheit und Genauigkeit im OP. Außerdem gab es sicherlich alte mathematische Modelle der Welt um uns herum, die falsch waren. Man muss nicht "sicherstellen", dass solche alten falschen Modelle aus neuen Theorien hervorgehen.
@Josh Ich gebe an, was ich im Fortschritt der Physik beobachtet habe. In der Physik ist eine etablierte Theorie ein mathematisches Modell von Daten. Ich spreche nicht von falschen Modellen, ich spreche von Modellen, die in ihrem Gültigkeitsbereich korrekt sind, als Newtonsche Physik in Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie. Das Wort „Modell“ bedeutet, dass viele Daten darin eingekapselt wurden. Die Sicherstellung der Konsistenz von Alt und Neu ist wichtig, um sowohl Alt als auch Neu zu verstehen und das Neue zu validieren. Zum Beispiel muss jedes neue "Standardmodell" der Teilchenphysik notwendigerweise das aktuelle einbetten/enthalten/annähern.
fortgesetzt , im Geltungsbereich des Alten. Das Alte ist im Geltungsbereich des Neuen falsch, deshalb ist das Neue notwendig. Einfachheit ist ästhetisch befriedigend, aber nicht notwendig. Genauigkeit ist natürlich in jeder experimentellen Disziplin erforderlich.
Modellauswahl in der Physik [geschlossen]
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