Videnskabelig modellering, generering af en fysisk, konceptuel eller matematisk repræsentation af et reelt fænomen, der er svært at observere direkte. Videnskabelige modeller bruges til at forklare og forudsige opførelsen af virkelige objekter eller systemer og bruges i en række videnskabelige discipliner, lige fra fysik og kemi til økologi og jordvidenskab. Selvom modellering er en central komponent i moderne videnskab, er videnskabelige modeller i bedste fald tilnærmelser til de objekter og systemer, de repræsenterer – de er ikke nøjagtige kopier. Således arbejder forskere konstant for at forbedre og forfine modeller.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Formålet med videnskabelig modellering varierer. Nogle modeller, såsom den tredimensionelle dobbelt-helix-model af DNA, bruges primært til at visualisere et objekt eller system, ofte oprettet ud fra eksperimentelle data. Andre modeller er beregnet til at beskrive en abstrakt eller hypotetisk adfærd eller et fænomen. For eksempel er prædiktive modeller, såsom dem, der anvendes i vejrudsigter eller projicerer sundhedsresultater af sygdomsepidemier, generelt baseret på viden og data om fænomener fra fortiden og er afhængige af matematiske analyser af denne information for at forudsige fremtidige, hypotetiske forekomster af lignende fænomener. Forudsigelige modeller har betydelig værdi for samfundet på grund af deres potentielle rolle i advarselssystemer, såsom i tilfælde af jordskælv, tsunamier, epidemier og lignende store katastrofer. Men fordi ingen enkelt forudsigelig model kan tage højde for alle de variabler, der kan påvirke et resultat, skal forskere antage antagelser, som kan kompromittere pålideligheden af en forudsigende model og føre til forkerte konklusioner.
Begrænsningerne ved videnskabelig modellering understreges af det faktum, at modeller generelt ikke er fuldstændige repræsentationer. Bohr-atommodellen beskriver for eksempel atomernes struktur. Men selvom det var den første atommodel, der inkorporerede kvanteteori og fungerede som en grundlæggende konceptuel model for elektronbaner, var det ikke en nøjagtig beskrivelse af arten af elektroner. Det var heller ikke i stand til at forudsige energiniveauerne for atomer med mere end en elektron.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Faktisk er der behov for flere modeller, som hver repræsenterer en del af objektet eller systemet, i forsøget på at forstå et objekt eller et system fuldt ud. Samlet set kan modellerne muligvis give en mere komplet gengivelse eller i det mindste en mere komplet forståelse af det virkelige objekt eller system. Dette illustreres af bølgemodellen for lys og partikelmodellen for lys, som sammen beskriver bølgepartikel-dualiteten, hvori lys forstås at have både bølge- og partikelfunktioner. Bølgeteorien og lysets partikelteori blev længe anset for at være i strid med hinanden. I begyndelsen af det 20. århundrede, med erkendelsen af, at partikler opfører sig som bølger, blev de to modeller for disse teorier imidlertid anerkendt som komplementære, et skridt, der i høj grad letter ny indsigt inden for kvantemekanik.
University of Oxford / Getty Images
Der er adskillige applikationer til videnskabelig modellering. For eksempel inden for jordvidenskab er modellering af atmosfæriske og havfænomener relevante for ikke kun vejrudsigter, men også videnskabelig forståelse af global opvarmning. I sidstnævnte tilfælde er en model af note den generelle cirkulationsmodel, der bruges til at simulere menneskelige og ikke-menneskelige klimaændringer. Modellering af geologiske begivenheder, såsom konvektion inden for Jorden og teoretiske bevægelser af jordens plader, har avanceret videnskabsmands viden om vulkaner og jordskælv og om udviklingen af jordens overflade. I økologi kan modellering bruges til at forstå dyre- og plantepopulationer og dynamikken i interaktioner mellem organismer. I biomedicinske videnskaber anvendes fysiske (materielle) modeller, såsom Drosophila fluer og nematoden Caenorhabditis elegans, til at undersøge funktionerne af gener og proteiner. Ligeledes bruges tredimensionelle modeller af proteiner til at få indsigt i proteinfunktion og til at hjælpe med lægemiddeldesign. Videnskabelig modellering har også anvendelser inden for byplanlægning, konstruktion og genopretning af økosystemer.
NOAA Center for Tsunami Research