Selección de modelos en física [cerrado]

Mi comprensión del método científico es que se puede resumir en los siguientes pasos que no necesitan ejecutarse en ningún orden en particular:

  • Hacer conjeturas e hipótesis (es decir, desarrollar modelos y teorías)

  • Hacer predicciones de ellos

  • Llevar a cabo experimentos y/o recopilar datos.

  • Probar y posiblemente adoptar las nuevas teorías/modelos SI :

    • los datos se ajustan a las predicciones del modelo con mayor precisión que las teorías alternativas
    • la nueva teoría no es más compleja que otras alternativas plausibles (adecuadas)

En estadística y aprendizaje computacional, a menudo encontramos una tensión similar entre la bondad de ajuste y la complejidad del modelo cuando se comparan modelos que tienen como objetivo explicar los datos. Para hacer esto, confiamos en métodos formales de selección de modelos , como el factor de Bayes y sus aproximaciones (p. ej. , AIC , BIC , criterio de información de desviación , etc.), y a menudo usamos medidas de complejidad y validación del modelo para decidir qué modelo en particular adoptar.

Mi pregunta:

¿Existen ejemplos de estos o de marcos similares en física que se utilicen para comparar teorías ? En otras palabras, ¿existen marcos teóricos de la información investigados/utilizados en física que estudien esta compensación particular entre la precisión y la complejidad del modelo para informar específicamente la selección de la teoría ?

Si bien es una pregunta importante , creo que esta pregunta es, como usted mismo reconoce, demasiado amplia : hay muchos subcampos y tienen estándares muy diferentes de lo que se considera "evidencia" u "observación estadísticamente significativa". Como regla general, diría que la física adopta el método científico de la mejor manera posible entre todas las ciencias, es decir, imperfectamente, por supuesto.
"En teoría no hay diferencia entre teoría y práctica; en la práctica sí". - lo que se puede ver en el hecho de que incluso Wikipedia está confundida acerca de quién podría haber dicho esto primero y que no importa, en absoluto, por su absoluta profundidad.
Ese modelo demasiado simplista del método científico trae a la mente un comercial de una compañía de seguros que se está reproduciendo actualmente en los EE. UU.: Así no es como funciona. No es así como funciona nada de esto. Los físicos teóricos rara vez (o nunca) realizan experimentos; los experimentadores rara vez (o nunca) desarrollan nuevas teorías. La primera prueba de una teoría en física son los experimentos que ya se han realizado. Por ejemplo, la teoría de la relatividad necesariamente tenía que ser consistente con la mecánica newtoniana en el régimen donde la mecánica newtoniana concordaba bien con los resultados experimentales.
este reciente artículo en Nature sobre la relación de las tendencias más recientes de la física teórica y el método científico puede ser de interés
@DavidHammen Tenga en cuenta que no enumeré las viñetas en la lista para resaltar que el método científico no impone un orden sobre si comienza con observaciones o con una teoría. Además, formalmente hablando, las predicciones (al menos en la teoría estadística) no se entienden como pronósticos sobre observaciones futuras. Finalmente, tenga en cuenta que agregué la cláusula "no dude en corregir". Usted y todos están más que bienvenidos a hacerlo.
El método científico BISAGRA en las observaciones. La teoría es sólo una herramienta para darles sentido. No se trata de por dónde empiezas (normalmente todo empieza con una observación, por cierto, no con teoría) sino con lo que guía la investigación, y eso siempre es la naturaleza. No hay excepciones a esa regla.
the data fit the [theory's] predictions more accurately than alternative theoriesComo señaló David Hammen, la mecánica newtoniana es adecuada para la mayoría de las interacciones. Solo cuando entra en el ámbito de lo muy pequeño o lo muy rápido, el resultado calculado difiere de los datos. Su declaración indica que debemos desechar la mecánica newtoniana ya que no se ajusta bien a los datos y otra teoría hace una mejor tarea. Lo siento, voy a seguir usando la mecánica newtoniana.
En el espíritu de la respuesta de LDC3, es importante mencionar que la teoría es inclusiva. Permite que múltiples explicaciones de la misma observación convivan una al lado de la otra. Con frecuencia cambiamos la simplicidad de una explicación por la precisión o incluso por la integridad ontológica. Uno puede, en principio, calcular el movimiento de los planetas con QED/QCD, pero nadie en su sano juicio lo hará. El gran éxito de la mecánica newtoniana es su simplicidad y cobertura de fenómenos comunes. Vivirá mucho después de que se haya descubierto el TOE.
@LDC Cuando dijiste: 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.Eso no es correcto. El OP no sugiere eso. Además, un sesgo por la mecánica newtoniana puede justificarse desde el punto de vista de que es una teoría más simple (más fácil de aplicar y comunicar) que otras teorías para algunos problemas. Esta es la tensión a la que se refiere el PO: la complejidad del modelo es un aspecto igualmente importante de la selección del modelo/teoría en la teoría de la inferencia y del método científico .
@ user815423426 - Re Además, formalmente hablando, las predicciones (al menos en teoría estadística) no se entienden como pronósticos sobre observaciones futuras. Las predicciones son (casi) una necesidad absoluta en física. Hay poco valor en un nuevo modelo/teoría que no predice algún resultado que está en desacuerdo con el resultado predicho por los modelos/teorías existentes. Si no resulta una nueva predicción, el nuevo modelo/teoría es, en el mejor de los casos, un refinamiento de cómo uno expresa el modelo/teoría existente, pero no es nuevo. Las nuevas teorías tienen que abrir nuevos caminos.
La ciencia no busca la búsqueda racional de la verdad. La ciencia simplemente busca las explicaciones más simples y más adecuadas para las observaciones naturales. Le sugiero que separe las nociones románticas de sus ideas sobre la ciencia y se ciña a las definiciones fundamentales.

Respuestas (1)

Comentaré y reordenaré su lista, como físico de partículas experimental jubilado.

   Make conjectures & hypotheses (theory)

Teorías exitosas preexistentes con sus postulados y modelos matemáticos estrictos. Después de todo, la física comenzó antes que Newton.

   Make predictions from this theory

Utilizar la teoría para predecir comportamientos en experimentos realizados actualmente, para confirmar/validar teorías preexistentes.

   Carry out experiments and observations

Sorpresa, el experimento sorpresa no se ajusta a la teoría preexistente. Rascarse la cabeza de los experimentalistas, fiebre de los teóricos.

Ejemplo: la radiactividad necesitaba la relatividad especial y la mecánica cuántica para ser modelada teóricamente, y las observaciones existían mucho antes que las teorías, los datos experimentales forzaron la necesidad de nuevas teorías.

Aparecen nuevas teorías:

   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

No. Pruebe y adopte las nuevas teorías para la nueva región de validez y asegúrese de que se pueda demostrar matemáticamente que las viejas teorías emergen de las nuevas. Por ejemplo: la nueva teoría de la mecánica estadística demostró tener como teoría emergente la termodinámica, un elegante modelo matemático que funcionaba bien en su región de validez mucho antes de que se formulara la mecánica estadística.

Luego, diseñe experimentos que puedan mostrar desviaciones del modelo actual que conduzcan a una comprensión teórica más profunda, ya que ahora con el LHC, el modelo estándar se está probando/validando y todos están conteniendo la respiración porque se encontrará una discrepancia que conducirá a la necesidad de una hipótesis más alta. teorías

La física no progresa si un teórico propone un nuevo modelo para comprobarlo. Esto ha llevado a muchas propuestas chifladas, con personas que no entienden por qué no son tratados como el nuevo Einstein.

Einstein se basó en las teorías anteriores, sin duda pensando fuera de la caja, pero sus teorías se basaron en las anteriores extendiéndolas a nuevas regiones de validez, y la unión entre las teorías más antiguas y la relatividad general y la relatividad especial es suave y computable. Ningún método general de "fuera lo viejo y adentro con lo nuevo" funciona para el método científico en la física.

Y para responder sobre los métodos estadísticos, todos los métodos estadísticos se utilizan para evaluar la bondad del ajuste de los datos a las teorías. Ejemplo de la reciente búsqueda y descubrimiento de Higgs en el LHC.

También para tener en cuenta que en la física de partículas ahora, la especialidad de teórico y experimentalista es necesaria ya que la cantidad de conocimiento y experiencia necesaria en cada rama es enorme. Un síntoma son los 3000 físicos que firman los documentos experimentales del LHC.

Cuando los experimentos y la teoría no concuerdan, es cuando los científicos abren el champán. Es la única manera de hacer descubrimientos significativos.
@CuriousOne - O como escribió Isaac Asimov: " La frase más emocionante que se puede escuchar en la ciencia, la que anuncia nuevos descubrimientos, no es '¡Eureka!' pero 'Eso es gracioso...' "
@DavidHammen: Todavía desearía haber tenido más de esos en mi vida. Lamentablemente, la mayoría de las veces lo que obtuvimos fue lo que esperábamos obtener. Todavía espero con ansias la próxima ejecución del LHC y mi corazón espera que todos los científicos presenten un cambio para pronunciar esa frase. Hasta ahora he visto muchas caras decepcionadas, especialmente entre los jóvenes que están analizando los datos. "El Higgs y no mucho más" sería un resultado absolutamente devastador para el mayor esfuerzo experimental que jamás hayamos realizado. Aún hay esperanza...
"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."Lo siento, pero esto no tiene sentido. Una sola teoría (es decir, más simple) que predice bien un amplio conjunto de fenómenos es mejor que una colección de teorías para cada caso particular. Punto final. Esta es la tensión de la simplicidad y la precisión en el OP. Además, seguramente había modelos matemáticos antiguos del mundo que nos rodea que eran incorrectos. Uno no tiene que "asegurarse" de que tales viejos modelos incorrectos surjan de nuevas teorías.
@Josh, estoy afirmando lo que he observado en el progreso de la física. En física, una teoría establecida es un modelo matemático sobre datos. No hablo de modelos incorrectos, hablo de modelos correctos en su región de validez, como la física newtoniana con respecto a la Relatividad General. La palabra "modelo" significa que se han encapsulado muchos datos en él. Asegurarse de la consistencia de lo antiguo con lo nuevo es importante para comprender tanto lo antiguo como lo nuevo, y validar lo nuevo. Por ejemplo, cualquier nuevo "modelo estándar" de física de partículas necesariamente debe incorporar/incluir/aproximarse al actual.
continuado, en la región de vigencia de lo antiguo. Lo viejo está mal en la región de validez de lo nuevo, por eso lo nuevo es necesario. la simplicidad es estéticamente satisfactoria pero no necesaria. Por supuesto, la precisión es necesaria en cualquier disciplina experimental.
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