Tudományos modellezés, egy valós jelenség fizikai, fogalmi vagy matematikai ábrázolásának előállítása, amelyet közvetlenül nehéz megfigyelni. A tudományos modelleket a valós tárgyak vagy rendszerek viselkedésének megmagyarázására és előrejelzésére használják, és különféle tudományterületeken alkalmazzák, a fizikától és a kémia, az ökológia és a földtudományokig. Bár a modellezés a modern tudomány központi eleme, a tudományos modellek legjobb esetben is az általuk képviselt tárgyak és rendszerek közelítései – nem pontos másolatok. Így a tudósok folyamatosan dolgoznak a modellek fejlesztésén és finomításán.
Encyclopædia Britannica, Inc.
A tudományos modellezés célja változó. Egyes modelleket, például a DNS háromdimenziós kettős spirálmodelljét, elsősorban egy objektum vagy rendszer vizualizálására használják, gyakran kísérleti adatokból létrehozva. Más modellek absztrakt vagy hipotetikus viselkedés vagy jelenség leírására szolgálnak. Például a prediktív modellek, például az időjárás-előrejelzésben vagy a járványok egészségügyi következményeinek előrejelzésében alkalmazott modellek, általában a múltbeli jelenségek ismeretén és adatain alapulnak, és ezen információk matematikai elemzésére támaszkodnak a jövőbeni, hipotetikus hasonló események előrejelzéséhez. jelenségek. Az előrejelző modellek jelentős értékkel bírnak a társadalom számára, mivel potenciális szerepük van a figyelmeztető rendszerekben, például földrengések, szökőárak, járványok és hasonló nagyszabású katasztrófák esetén. Mivel azonban egyetlen prediktív modell sem képes figyelembe venni az összes olyan változót, amely befolyásolhatja az eredményt, a tudósoknak feltételezéseket kell tenniük, amelyek veszélyeztethetik a prediktív modell megbízhatóságát és téves következtetésekhez vezethetnek.
A tudományos korlátok a modellezést hangsúlyozza, hogy a modellek általában nem teljes reprezentációk. A Bohr atommodell például leírja az atomok szerkezetét. De bár ez volt az első atommodell, amely beépítette a kvantumelméletet és az elektronpályák alapvető fogalmi modelljeként szolgált, nem volt pontos leírása a keringő elektronok természetének. Az egynél több elektront tartalmazó atomok energiaszintjét sem tudta megjósolni.
Valójában egy objektum vagy rendszer teljes megértése érdekében több modellre van szükség, amelyek mindegyike az objektum vagy rendszer egy részét képviseli. A modellek együttesen képesek lehetnek a valós tárgy vagy rendszer teljesebb ábrázolására, vagy legalábbis teljesebb megértésére. Ezt a fény hullámmodellje és a fény részecskemodellje szemlélteti, amelyek együttesen leírják azt a hullám-részecske kettősséget, amelyben a fényről úgy tekintik, hogy rendelkezik hullám- és részecskefunkciókkal is. A hullámelméletet és a fény részecske-elméletét sokáig ellentmondásosnak tartották. A 20. század elején azonban azzal a felismeréssel, hogy a részecskék hullámként viselkednek, ezeknek az elméleteknek a két modelljét egymást kiegészítőnek ismerték el, amely lépés nagyban elősegítette az új betekintést a kvantummechanika területén.
Oxfordi Egyetem / Getty Images
Számos alkalmazás létezik tudományos modellezésre. Például a földtudományokban a légköri és óceáni jelenségek modellezése nemcsak az időjárás-előrejelzés, hanem a globális felmelegedés tudományos megértése szempontjából is releváns. Ez utóbbi esetben az egyik jegyzetmodell az általános keringési modell, amelyet emberi és nem ember által kiváltott klímaváltozás szimulációjára használnak. A geológiai események modellezése, például a Földön belüli konvekció és a Földlemezek elméleti mozgása, továbbfejlesztette a tudósok tudását a vulkánokról és földrengésekről, valamint a Föld felszínének evolúciójáról. Az ökológiában a modellezés felhasználható az állat- és növénypopulációk, valamint a szervezetek közötti kölcsönhatások dinamikájának megértésére. Az orvosbiológiai tudományokban a fizikai (anyag) modelleket, például a Drosophila legyeket és a fonálférget, a Caenorhabditis elegans, használják a gének és fehérjék funkcióinak vizsgálatára. Hasonlóképpen, a fehérjék háromdimenziós modelljeivel is betekintést nyerhetünk a fehérje működésébe, és segítséget nyújtunk a gyógyszer tervezésében. A tudományos modellezésnek vannak alkalmazásai a várostervezésben, az építkezésben és az ökoszisztémák helyreállításában is.
NOAA szökőárkutató központ