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Titolo: scienza e simulazioni

Visto che e' domenica, posso dedicarvi un po' di tempo. Vi mando un
articolo in italiano che ritengo sia utile per chi si interessa di scienza
e di didattica della scienza. E' di Parisi, che lavora al cnr di Roma,
ed e' stato pubblicato sul numero di primavera '99 di Telèma.
Domenico Parisi
Se il laboratorio è nel computer le scienze hanno un'arma in più
Il metodo della simulazione è un nuovo e potente strumento di indagine
scientifica che si affianca a quelli già disponibili, cioè teorie ed
esperimenti. Si può così disporre di uno straordinario laboratorio virtuale
nel quale gli scienziati osservano e studiano i fenomeni in condizioni
controllate, manipolando le variabili e osservando immediatamente tutti gli
effetti del proprio intervento.
Le simulazioni sono teorie interpretative dei fenomeni della realtà
formulate come un programma che gira in un computer. Le teorie della
scienza mirano a identificare i meccanismi, i processi, i fattori che
stanno dietro ai fenomeni e che spiegano i fenomeni, ce li fanno capire.
Adottare il metodo della simulazione significa tradurre una teoria in un
programma di computer, far girare il programma nel computer e verificare se
il programma, cioè la simulazione, riproduce i fenomeni che la teoria
intende spiegare. Le simulazioni sono il terzo strumento della scienza, uno
strumento che si è aggiunto abbastanza di recente - cioè da quando computer
veloci e potenti sono divenuti accessibili a qualunque scienziato - ai due
strumenti di ricerca tradizionali: le teorie e gli esperimenti di
laboratorio. In che senso le simulazioni possono essere considerate come un
nuovo strumento della ricerca scientifica?
Nelle scienze più mature e consolidate, cioè nelle scienze della natura
(fisica, chimica e biologia), teorie e dati sperimentali interagiscono
costantemente e in modo ravvicinato. Lo scienziato formula la sua teoria,
deriva dalla teoria determinate predizioni empiriche e verifica in
laboratorio se queste predizioni empiriche sono corrette oppure no. Se non
lo sono, modifica la teoria. La verifica mediante gli esperimenti di
laboratorio è in genere più robusta e dettagliata di quella offerta
dall'osservazione dei fenomeni così come si verificano spontaneamente nella
realtà. Intanto i fenomeni osservati in laboratorio dallo scienziato
avvengono in condizioni che sono sotto il suo controllo, e questo gli
permette di escludere tutta una serie di fattori come cause dei fenomeni.
In secondo luogo, in laboratorio lo scienziato manipola, modifica alcuni
aspetti dei fenomeni (le variabili indipendenti), e poi osserva le
conseguenze di queste sue manipolazioni su altri aspetti dei fenomeni (le
variabili dipendenti). In questo modo può giungere a conclusioni più
stringenti su quali sono i meccanismi, i processi e i fattori responsabili
del verificarsi dei fenomeni.
Le simulazioni sono uno strumento nuovo di indagine scientifica perché
hanno alcune delle caratteristiche delle teorie, alcune caratteristiche
degli esperimenti, e alcune caratteristiche completamente nuove. Le teorie
come sono formulate tradizionalmente nella scienza stanno dentro la testa
dello scienziato, oppure nei suoi discorsi (ai convegni scientifici) o nei
suoi libri. I dati empirici stanno nella realtà, dentro o fuori il
laboratorio. Con le simulazioni sia le teorie sia i dati empirici stanno
dentro al computer. Le teorie sono incorporate nel programma del computer e
i dati empirici emergono quando il programma gira nel computer. Una
simulazione funziona come un laboratorio sperimentale virtuale, nel quale
lo scienziato, come nel laboratorio reale, osserva i fenomeni (simulati) in
condizioni controllate, manipola le variabili e osserva gli effetti delle
sue manipolazioni.
Ovviamente, la verifica ultima di una simulazione è che i dati empirici
così come emergono nella simulazione corrispondono ai dati empirici così
come si osservano nella realtà. Ma intanto le simulazioni offrono una serie
di vantaggi, e sono questi vantaggi che spiegano perché le simulazioni
stanno diventando uno strumento di ricerca sempre più usato in tutte le
discipline scientifiche, dalle scienze naturali alle scienze cognitive,
dalle scienze sociali a quelle storiche.
Quali sono questi vantaggi? Il primo vantaggio è che esprimere una teoria
come un programma di computer costringe a formulare la teoria in modi
necessariamente chiari, espliciti, univoci, senza "buchi" e contraddizioni
nascoste. La ragione è che, se non è formulata in questo modo, una teoria
non può essere tradotta in un programma di computer oppure il programma non
gira nel computer.
Questo è un vantaggio importante specialmente per quelle discipline, come
le scienze dell'uomo (le scienze cognitive, sociali e storiche), che spesso
non riescono a formulare le loro teorie in modo chiaro, esplicito e
univoco. I concetti teorici delle scienze dell'uomo non sono in genere
concetti quantitativi, matematici, i quali sono per definizione chiari,
espliciti e univoci, e inoltre non si connettono in modo diretto con la
realtà osservabile con i sensi. Quando uno storico dell'antichità parla di
"città" o di "stato", non esprime qualcosa di quantitativo e neppure
qualcosa che sia direttamente osservabile nei "documenti" empirici, cioè
nei resti archeologici o nei testi scritti. Il risultato è che i concetti
teorici delle scienze dell'uomo spesso significano cose diverse per
scienziati diversi e tendono al nominalismo e all'essenzialismo, cioè
trasformano le discussioni scientifiche in discussioni sulle parole
piuttosto che sui fenomeni della realtà e assumono implicitamente ma
erroneamente che, come le parole, anche i fenomeni della realtà abbiano
confini ben definiti, siano uniformi e immutabili.
Le simulazioni cambiano tutto ciò. Se una teoria interpretativa si presenta
come una simulazione, i suoi concetti non possono non essere chiari,
espliciti e univoci. Il significato dei concetti è tradotto interamente nei
termini operativi della simulazione. Non c'è una "città", ma un
insediamento di determinate dimensioni, con determinate caratteristiche
costruttive, che funziona in un determinato modo, situato in una certa zona
geografica, e così via. Quello che uno scienziato intende veramente con il
concetto di "città" viene fuori esplicitamente e chiaramente dalla
simulazione e il rischio che scienziati diversi usino le stesse parole con
significati diversi diminuisce. Quando si discute, si discute non del
concetto di "città" ma di quali siano le cause e gli effetti delle
dimensioni dell'insediamento, delle sue caratteristiche costruttive, del
suo modo di funzionare, dell'essere situato in una certa zona geografica
invece che in un'altra. Non esiste più una essenza platonica chiamata
"città", ma esistono vari insediamenti in varie zone del mondo, ciascuno
diverso dagli altri, ciascuno che cambia continuamente nel tempo.
Il secondo vantaggio delle simulazioni è che esse permettono un tipo di
verifica completamente nuovo delle teorie. Con gli strumenti tradizionali
della scienza, una teoria può essere verificata, come abbiamo visto,
traendo da essa delle predizioni empiriche e verificando queste predizioni.
Le simulazioni si inseriscono a mezza strada tra teorie e dati empirici
della realtà. Una simulazione permette di verificare se le predizioni che
lo scienziato trae dalla sua teoria discendono effettivamente dalla teoria
oppure no. Una teoria, per lo scienziato che la formula, pretende di
spiegare certi fatti. Le simulazioni permettono di verificare prima di
tutto se effettivamente la teoria spiega tali fatti. Poniamo che con la sua
teoria uno scienziato pretenda di spiegare perché e in quali condizioni
emergono insediamenti umani con certe caratteristiche (quelli che, volendo,
possiamo chiamare "città"). Lo scienziato identifica meccanismi, processi e
fattori che a suo avviso portano (a parità di altre condizioni)
all'emergere delle "città". Se la teoria rimane, come avviene
tradizionalmente, una fomulazione puramente verbale, non c'è molto modo di
verificare se effettivamente i meccanismi, processi e fattori indicati
dallo scienziato portino alla comparsa delle "città". In genere i dati
empirici sono insufficienti a stabilire questo in modo sufficientemente
sicuro. Ma poniamo che la teoria dello scienziato sia formulata come una
simulazione. I meccanismi, processi e fattori postulati dallo scienziato
sono incorporati nel programma della simulazione. Facendo girare la
simulazione, si può verificare se effettivamente, sotto l'azione di quei
meccanismi, processi e fattori (che peraltro nella simulazione dovranno
essere definiti in modo più chiaro, esplicito e univoco di quanto
normalmente non accada nella formulazione verbale della teoria), emergono
le "città".
Il terzo vantaggio delle simulazioni è che, come abbiamo già detto, le
simulazioni sono laboratori sperimentali. Se una teoria, espressa come una
simulazione, non produce i risultati aspettati, è possibile variare i
valori delle variabili oppure cambiare le stesse variabili scelte e cercare
di ottenere così i risultati desiderati cambiando la teoria. Si realizza
così quello stesso scambio e "circolo virtuoso" tra teoria e dati empirici
che, come abbiamo visto, è alla base delle scienze mature e consolidate.
Anzi i "gradi di libertà" dello scienziato nella manipolazione delle
variabili tendono a essere molto maggiori in una simulazione che nel
laboratorio reale. Inoltre le simulazioni possono mettere lo scienziato di
fronte a fatti empirici (simulati) non previsti, così come fanno gli
esperimenti di laboratorio. Una verifica attraverso una simulazione non ci
permette soltanto di scoprire se certe conseguenze previste effettivamente
discendono dalle nostre teorie, ma anche di scoprire conseguenze delle
nostre teorie che non avevamo previsto.
Il quarto e ultimo vantaggio delle simulazioni è che esse permettono di
simulare tutto, mentre in laboratorio si possono studiare solo alcuni
fenomeni, e in condizioni così artificiali che, per certe discipline,
l'utilità degli esperimenti di laboratorio è inevitabilmente limitata. In
effetti, l'impossibilità per le scienze dell'uomo di usare il laboratorio
sperimentale così come fanno le scienze della natura è l'altra causa della
loro debolezza e della loro immaturità rispetto alle scienze della natura,
accanto al carattere poco chiaro, preciso e univoco dei loro concetti
teorici che abbiamo già sottolineato più sopra. Ma anche nelle scienze
della natura il laboratorio sperimentale ha dei limiti di utilità. In
genere si possono studiare in laboratorio i fenomeni che costituiscono
"sistemi semplici", cioè effetti lineari di poche variabili, ma non i
fenomeni che costituiscono "sistemi complessi", cioè effetti altamente
nonlineari di moltissime variabili. In laboratorio si manipola una
variabile, si fa una predizione sugli effetti di tale manipolazione e si
verifica la predizione. Questo funziona per i "sistemi semplici", che sono
prevedibili e che cambiano in modo prevedibile, molto meno per i "sistemi
complessi", che hanno caratteristiche difficilmente prevedibili sulla base
di una conoscenza dei loro elementi e dei fattori che agiscono su di loro.
Se per studiare i "sistemi semplici" il laboratorio sperimentale appare lo
strumento ideale, per studiare i "sistemi complessi" lo strumento
appropriato sono le simulazioni. In una simulazione si possono simulare
moltissime entità, ciascuna con le sue caratteristiche, stabilire le
"regole di interazione" locali tra entità, e osservare (senza essere in
grado di prevedere) gli effetti globali di queste interazioni.
"Sistemi complessi" sono quasi tutti i fenomeni di cui si occupano le
scienze dell'uomo - e questa è un'altra ragione per pensare che le
simulazioni faranno una grande differenza soprattutto per queste scienze -
ma anche le scienze della natura stanno accorgendosi che molti dei fenomeni
a cui esse sono interessate sono "sistemi complessi". In effetti le scienze
della natura riescono (molto bene) a studiare in laboratorio i processi
elementari che sono alla base di molti fenomeni naturali ma per studiare
questi fenomeni naturali così come realmente avvengono (il funzionamento e
la storia del cosmo, il funzionamento degli oceani, il tempo meteorologico,
il risultato dell'azione di 100 miliardi di neuroni in un sistema nervoso
umano) il laboratorio è scarsamente utile. Servono le simulazioni.
Ma le simulazioni possono essere usate per studiare molti fenomeni che
invece non possono essere studiati nel laboratorio sperimentale anche per
ragioni più ovvie. In un laboratorio, ma anche con metodi di osservazione
sul campo, non possono essere studiati fenomeni e entità troppo grandi o
che durano troppo nel tempo o che sono successi in passato e ora non sono
più (come tutti gli eventi e le entità storiche) o che non si possono
manipolare a piacere per ragioni etiche. Tutti questi fenomeni invece
possono essere simulati.
Le simulazioni quindi offrono molti vantaggi alla ricerca scientifica,
specie a quella delle scienze dell'uomo. Prima di concludere discutiamo due
altri aspetti di questo nuovo metodo della ricerca.
Le simulazioni tendono ad avere una verifica a due livelli. Il primo
livello è quello in cui si verifica se la teoria incorporata nella
simulazione effettivamente produce i risultati previsti. In questa prima
verifica si assumono certi dati empirici, considerati però in modo un po'
globale e già noti, e si verifica se la simulazione li riproduce. In
realtà, tuttavia, quello che si verifica in questo primo livello è la
coerenza interna della teoria, la chiarezza, esplicitezza e univocità dei
suoi concetti, la sua completezza e capacità di riprodurre effettivamente
determinate predizioni empiriche. Il secondo livello di verifica di una
simulazione è quello della verifica empirica reale. In questa fase bisogna
accertare se i risultati della simulazione corrispondono con i fatti della
realtà, cioè se la simulazione riesce a riprodurre nel dettaglio i dati
empirici e se riesce a fare predizioni su fatti empirici ancora non noti.
Spesso nelle scienze dell'uomo, in particolare nel campo oggi molto attivo
della simulazione di fenomeni sociali ed economici, le simulazioni si
fermano al primo tipo di verifica. Le simulazioni hanno come oggetto
"organismi artificiali", "ecologie artificiali", "società artificiali",
"mercati artificiali", tutti molto idealizzati, astratti, astorici.
Simulazioni di questo genere hanno una loro utilità come strumenti di
verifica interna delle teorie e della sufficienza dei concetti messi in
campo per dar conto di certi fenomeni. Tuttavia la ricerca non può fermarsi
a questo tipo di simulazioni. E' necessario procedere a realizzare anche
quelle simulazioni che si confrontano in modo più puntuale con i dettagli
dei fenomeni empirici e storici, e così facendo riescono a individuare
nuove domande a cui la ricerca empirica, non simulativa, deve cercare di
rispondere. E' in questo modo che le simulazioni potranno integrarsi meglio
con la ricerca tradizionale della scienza.
Il problema, come si è detto, esiste soprattutto nel campo delle scienze
dell'uomo (ma anche nel nuovo campo di studi chiamato Vita artificiale),
per la semplice ragione che nelle scienze dell'uomo, rispetto alle scienze
della natura, i dati empirici sono di meno facile identificazione, sono
meno quantitativi, e "parlano" meno direttamente alle teorie. Ma c'è il
rischio che limitandosi a simulazioni la cui verifica è soprattutto interna
e che servono soprattutto a mostrare che certi fenomeni ben noti si possono
riprodurre, le scienze dell'uomo continuino a somigliare troppo alla
filosofia, dalla quale sono riuscite fino a oggi ad autonomizzarsi meno
delle scienze della natura. La filosofia è soprattutto analisi concettuale,
esame interno dei nostri concetti e dei nostri modelli mentali della
realtà, mentre la scienza ha in più, rispetto alla filosofia, l'interesse
per la realtà empirica, per i dati e i fatti della realtà da studiare in
tutto il loro dettaglio, e con cui confrontare i nostri "pensieri" (teorie)
sbattendo eventualmente la faccia contro di essi.
Galileo, a cui le scienze della natura debbono in buona parte il fatto di
essere diventate autonome dalla filosofia, diceva di stimare di più «il
trovare un vero, benché di cosa leggiera, ch'il disputar lungamente delle
massime questioni senza conseguir verità nissuna». Se le scienze dell'uomo
debbono affrancarsi dalla filosofia come hanno fatto le scienze della
natura, e se questa è una condizione - probabilmente necessaria - perché
esse diventino scienze mature e consolidate come quelle della natura, le
simulazioni potranno esprimere tutti i loro grandi potenziali vantaggi per
queste discipline esclusivamente se esse saranno non soltanto un nuovo
strumento di lavoro intellettuale per lo scienziato ma anche uno strumento
di interazione stretta tra teorie e dati della realtà.
L'ultimo aspetto che vogliamo discutere delle simulazioni come nuovo
strumento di ricerca è una questione apparentemente più strettamente
tecnica. Esistono due tipi di simulazioni che si distinguono in funzione
del modo scelto per presentare al ricercatore i risultati della
simulazione. Il primo tipo di simulazione presenta i risultati al
ricercatore sotto la forma di formule, grafici, tabelle. Questa forma è
simbolica e riassuntiva, e corrisponde ai modi tradizionali di presentare
le analisi e i risultati nella ricerca scientifica, specie nelle scienze
della natura. Il secondo tipo di simulazione è più innovativo. Per capire
bene questo secondo tipo bisogna riflettere sul computer come strumento per
fare le simulazioni.
Il computer non è soltanto uno strumento che può incorporare una teoria
scientifica nel programma che gira dentro di esso, e in questo modo
simulare la teoria, cioè riprodurre i meccanismi, processi e fattori
postulati dalla teoria per dar conto di certi fenomeni empirici. E' anche
uno strumento capace di simulare, cioè di riprodurre i fenomeni empirici
spiegati dalla teoria. Il metodo della simulazione dispiega tutte le sue
grandi potenzialità quando riproduce i fenomeni non riassumendoli nella
forma simbolica di formule, grafici e tabelle, ma facendo vedere, alla
lettera, i fenomeni risultanti dalla simulazione. Questo può sembrare ovvio
quando i fenomeni in questione sono già di per sé qualcosa di visibile
nella realtà: un oggetto, un organismo, un artefatto tecnologico, un'area
geografica di piccole dimensioni. Ma le tecniche di visualizzazione oggi in
pieno sviluppo (tecniche sia in senso informatico sia in senso cognitivo e
comunicativo) permettono e sempre più permetteranno in futuro di rendere
visibile anche quello che nella realtà non lo è: entità troppo grandi e
processi che durano troppo a lungo per essere percepibili da un essere
umano, fenomeni troppo complicati e anche fenomeni astratti.
Ciò apre nuove interessanti prospettive per la ricerca scientifica. In
questo modo, infatti, lo scienziato non è più costretto a interagire con un
set limitato di fenomeni empirici direttamente percepibili e poi con una
grande quantità di espressioni simboliche che riassumono i dati empirici ma
sono soltanto arbitrariamente connesse con la realtà empirica: parole,
simboli matematici, formule, grafici, tabelle. Grazie alle visualizzazioni,
che sono spesso associate alle simulazioni, lo scienziato può "vedere"
molto di più della realtà di quanto non possa fare con la realtà "reale" e
può così sviluppare una comprensione intuitiva (perché senso-motoria e non
simbolica) della realtà che finora gli era preclusa.

 esse diventino scienze mature e consolidate come quelle della natura
 cut
Ma scusa, gli storici finora chi sono stati, cosa hanno prodotto: favole
permeate di interpretazioni mitiche e leggendarie? Andiamo: questo voler
sussumere tutto sotto la presunta oggettività della scienza mi pare davvero
esiziale e limitante.
Con ciò, non voglio negare l'indubbia utilità che la simulazione al computer
può avere nello spiegare aspetti parziali dei fenomeni storici, e forse in
maggior misura nello spiegare fenomeni fisico-geografici (quelli antropici
fino a un certo punto). Ugualmente ammetto l'utilità di questi strumenti
rispetto all'insegnamento, in certi casi e contesti (questo aspetto andrebbe
approfondito ma lo farò in un altro momento). Mi sembra discutibile però
assumere dei semplici strumenti come basi per una negazione degli aspetti
intrinseci di alcune discipline.
Grazie
Mauro

 esiziale e limitante.
Quella del *riduzionismo* sembrerebbe essere un'illusione dura a morire.
Come pure quella dell'unilateralità totalizzante delle chiavi di lettura
appena trovate.
Concordo con l'analisi.
El Fahrid

 El Fahrid
Ciao El Fharid,
voglio fare anch'io qualche puntualizzazione sull'interessante intervento di
Zuppel.
Direi, prima di tutto, che si deve stare attenti a non confondere scienza e
scientismo.
Serve una buona filosofia della scienza come quella di Popper basata sulla
tradizione classica
del sapere di non sapere di Socrate
e ancor prima su quello che scriveva Senofane:
Sicure verità conobbe mai nessuno e nessuno ne conoscerà,
Intorno agli dèi e tutte le cose delle quali parlo.
E se anche uno dovesse un giorno annunciare la più perfetta verità
Questi non potrebbe saperlo:tutto è intessuto di supposizioni.
Non fin dall'inizio rivelano gli dèi tutto ai mortali.
Ma nel corso del tempo troviamo noi ,cercando, ciò che è meglio.
Una teoria non è vera perché è scientifica. Una teoria che si confronta con
i fatti è, però, più robusta di una che non lo fa.
Direi poi che l'epistemologia della storia non è una costante statica ma può
avere anche lei una sua storia e quindi un'evoluzione.
La simulazione, usata dai generali per prevedere l'esito delle battaglie ben
prima che esistessero i calcolatori sembra poter dare un suo contributo per
chiarire la dinamica di alcuni fatti storici.
Comunque simulazione a parte, recentemente ho letto un bellissimo libro di
storia (e preistoria) che mi ha enormemente arricchito. Il libro, che mi
sembra essere il segno evidente di un'evoluzione nell'epistemologia della
storia, è:
Jared Diamond,
Armi acciaio e malattie. Breve storia del mondo negli ultimi tredicimila
anni
Utilizzando i metodi scientifici normalmente utilizzati dalla storia
naturale arriva a dimostrare risultati sorprendenti in modo molto, ma molto
convincente.
Mi guardo bene dall'affermare che tali metodi possano essere estesi ed
utilizzati per tutti i problemi storici. Dico solo, che, almeno in questo
caso, hanno dato dei risultati assai degni della nostra attenzione.
saluti
Galois

 anni
Vedrò di leggerlo e poi ne riparliamo.
Grazie e ciao
El Fahrid


Grazie per l'indicazione bibliografica. Sono sostanzialmente d'accordo con
te. Come sempre, il buon senso è un buon antidoto contro tutti gli -ismi.
Saluti
Mauro

> anni
Bellissimo e illuminante.

 dell'assalto alla baionetta.
Colgo l'occasione per spostare l'accento sulla prossima soppressione totale
della leva, contro la quale si sono espressi, per es. gli Alpini.
Se ne è parlato in classe, a proposito di Storia e di Educazione Civica (fra
un indottrinamento marxiano e l'altro, s'intende ;-)
Ho manifestato ai ragazzi le mie perplessità su di un esercito di soli
professionisti, dato che -con tutti i suoi gravi difetti (nonnismo,
inefficienza, sprechi,ecc.)- l'esercito di leva è pur sempre una garanzia di
democrazia e di lealismo nei confronti delle Istituzioni.
Si potrebbe dire che oggi gli Italiani non hanno neanche più bisogno della
leva per conoscersi meglio fra di loro (la leva ha contribuito a "fare" gli
italiani); ma a giudicare dall'aria che tira non direi proprio.
I ragazzi, pur essendo tutti propensi (come i loro predecessori
generazionali, credo) a *evitare* il servizio, hanno sostanzialmente
convenuto sull'opportunità di non eliminarlo completamente.
El Fahrid