Wissenschaftliche Modellierung, die Erzeugung einer physikalischen, konzeptuellen oder mathematischen Darstellung eines realen Phänomens, das schwer direkt zu beobachten ist. Wissenschaftliche Modelle dienen zur Erklärung und Vorhersage des Verhaltens realer Objekte oder Systeme und werden in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen eingesetzt, die von Physik und Chemie über Ökologie bis hin zu Geowissenschaften reichen. Obwohl die Modellierung ein zentraler Bestandteil der modernen Wissenschaft ist, sind wissenschaftliche Modelle bestenfalls Annäherungen an die Objekte und Systeme, die sie darstellen – sie sind keine exakten Nachbildungen. Daher arbeiten Wissenschaftler ständig daran, Modelle zu verbessern und zu verfeinern.
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begann. Der Zweck der wissenschaftlichen Modellierung variiert. Einige Modelle, wie das dreidimensionale Doppelhelix-Modell der DNA, werden hauptsächlich zur Visualisierung eines Objekts oder Systems verwendet, das häufig aus experimentellen Daten erstellt wird. Andere Modelle sollen ein abstraktes oder hypothetisches Verhalten oder Phänomen beschreiben. Beispielsweise basieren Vorhersagemodelle, wie sie beispielsweise bei der Wettervorhersage oder bei der Prognose der Gesundheitsergebnisse von Krankheitsepidemien verwendet werden, im Allgemeinen auf Kenntnissen und Daten von Phänomenen aus der Vergangenheit und stützen sich auf mathematische Analysen dieser Informationen, um zukünftige, hypothetische Ereignisse ähnlicher Art vorherzusagen Phänomene. Vorhersagemodelle sind aufgrund ihrer potenziellen Rolle in Warnsystemen wie Erdbeben, Tsunamis, Epidemien und ähnlichen Katastrophen größeren Ausmaßes für die Gesellschaft von erheblichem Wert. Da jedoch kein einzelnes Vorhersagemodell alle Variablen berücksichtigen kann, die sich auf ein Ergebnis auswirken können, müssen Wissenschaftler Annahmen treffen, die die Zuverlässigkeit eines Vorhersagemodells beeinträchtigen und zu falschen Schlussfolgerungen führen können.
Die Grenzen der Wissenschaft Modellierung wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Modelle im Allgemeinen keine vollständigen Darstellungen sind. Das Bohr-Atommodell beschreibt beispielsweise die Struktur von Atomen. Obwohl es das erste Atommodell war, das die Quantentheorie einbezog und als grundlegendes konzeptionelles Modell für Elektronenbahnen diente, war es keine genaue Beschreibung der Natur umlaufender Elektronen. Es war auch nicht in der Lage, die Energieniveaus für Atome mit mehr als einem Elektron vorherzusagen.
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Um ein Objekt oder System vollständig zu verstehen, werden mehrere Modelle benötigt, die jeweils einen Teil des Objekts oder Systems darstellen. Zusammen können die Modelle möglicherweise eine vollständigere Darstellung oder zumindest ein vollständigeres Verständnis des realen Objekts oder Systems liefern. Dies wird durch das Wellenmodell des Lichts und das Teilchenmodell des Lichts veranschaulicht, die zusammen die Welle-Teilchen-Dualität beschreiben, in der Licht sowohl Wellen- als auch Teilchenfunktionen besitzt. Die Wellentheorie und die Teilchentheorie des Lichts wurden lange Zeit als uneins angesehen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden jedoch mit der Erkenntnis, dass sich Teilchen wie Wellen verhalten, die beiden Modelle für diese Theorien als komplementär anerkannt, was neue Erkenntnisse auf dem Gebiet der Quantenmechanik erheblich ermöglichte.
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Es gibt zahlreiche Anwendungen für die wissenschaftliche Modellierung. In den Geowissenschaften ist beispielsweise die Modellierung von Atmosphären- und Ozeanphänomenen nicht nur für die Wettervorhersage, sondern auch für das wissenschaftliche Verständnis der globalen Erwärmung relevant. Im letzteren Fall ist ein bemerkenswertes Modell das allgemeine Zirkulationsmodell, das zur Simulation des vom Menschen und nicht vom Menschen verursachten Klimawandels verwendet wird. Die Modellierung geologischer Ereignisse wie Konvektion innerhalb der Erde und theoretische Bewegungen der Erdplatten hat das Wissen der Wissenschaftler über Vulkane und Erdbeben sowie über die Entwicklung der Erdoberfläche erweitert. In der Ökologie kann die Modellierung verwendet werden, um Tier- und Pflanzenpopulationen und die Dynamik von Interaktionen zwischen Organismen zu verstehen. In den biomedizinischen Wissenschaften werden physikalische (materielle) Modelle wie Drosophila-Fliegen und der Fadenwurm Caenorhabditis elegans verwendet, um die Funktionen von Genen und Proteinen zu untersuchen. Ebenso werden dreidimensionale Modelle von Proteinen verwendet, um Einblicke in die Proteinfunktion zu gewinnen und das Wirkstoffdesign zu unterstützen. Die wissenschaftliche Modellierung findet auch Anwendung in der Stadtplanung, im Bauwesen und in der Wiederherstellung von Ökosystemen.
NOAA-Zentrum für Tsunami-Forschung