Modellazione scientifica

Modellazione scientifica, la generazione di una rappresentazione fisica, concettuale o matematica di un fenomeno reale difficile da osservare direttamente. I modelli scientifici vengono utilizzati per spiegare e prevedere il comportamento di oggetti o sistemi reali e sono utilizzati in una varietà di discipline scientifiche, che vanno dalla fisica e chimica allecologia e alle scienze della Terra. Sebbene la modellazione sia una componente centrale della scienza moderna, i modelli scientifici nella migliore delle ipotesi sono approssimazioni degli oggetti e dei sistemi che rappresentano, non sono repliche esatte. Pertanto, gli scienziati lavorano costantemente per migliorare e perfezionare i modelli.

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Lo scopo della modellazione scientifica varia. Alcuni modelli, come il modello tridimensionale a doppia elica del DNA, vengono utilizzati principalmente per visualizzare un oggetto o un sistema, spesso creato da dati sperimentali. Altri modelli intendono descrivere un comportamento o un fenomeno astratto o ipotetico. Ad esempio, i modelli predittivi, come quelli impiegati nelle previsioni meteorologiche o nella proiezione degli esiti sanitari di epidemie di malattie, si basano generalmente sulla conoscenza e sui dati di fenomeni del passato e si basano su analisi matematiche di queste informazioni per prevedere futuri eventi ipotetici di simili fenomeni. I modelli predittivi hanno un valore significativo per la società a causa del loro potenziale ruolo nei sistemi di allarme, come nel caso di terremoti, tsunami, epidemie e simili disastri su larga scala. Tuttavia, poiché nessun singolo modello predittivo può tenere conto di tutte le variabili che possono influenzare un risultato, gli scienziati devono formulare ipotesi che possono compromettere laffidabilità di un modello predittivo e portare a conclusioni errate.

I limiti della scienza la modellazione è enfatizzata dal fatto che i modelli generalmente non sono rappresentazioni complete. Il modello atomico di Bohr, ad esempio, descrive la struttura degli atomi. Ma sebbene fosse il primo modello atomico a incorporare la teoria quantistica e servisse come modello concettuale di base delle orbite degli elettroni, non era una descrizione accurata della natura degli elettroni orbitanti. Né era in grado di prevedere i livelli di energia per gli atomi con più di un elettrone.

Infatti, nel tentativo di comprendere appieno un oggetto o un sistema, sono necessari più modelli, ciascuno rappresentante una parte delloggetto o del sistema. Collettivamente i modelli possono essere in grado di fornire una rappresentazione più completa, o almeno una comprensione più completa, delloggetto o sistema reale. Ciò è illustrato dal modello ondulatorio della luce e dal modello particellare della luce, che insieme descrivono la dualità onda-particella in cui si intende che la luce possiede sia funzioni ondulatorie che particellari. La teoria delle onde e la teoria delle particelle della luce sono state a lungo considerate in contrasto tra loro. Allinizio del XX secolo, tuttavia, con la consapevolezza che le particelle si comportano come onde, i due modelli di queste teorie sono stati riconosciuti come complementari, un passo che ha notevolmente facilitato nuove intuizioni nel campo della meccanica quantistica.

Esistono numerose applicazioni per la modellazione scientifica. Ad esempio, nelle scienze della Terra, la modellazione dei fenomeni atmosferici e oceanici è rilevante non solo per le previsioni meteorologiche, ma anche per la comprensione scientifica del riscaldamento globale. In questultimo caso, un modello degno di nota è il modello di circolazione generale, che viene utilizzato per simulare il cambiamento climatico indotto dalluomo e da quello non umano. La modellazione di eventi geologici, come la convezione allinterno della Terra e i movimenti teorici delle placche terrestri, ha consentito agli scienziati di conoscere meglio i vulcani, i terremoti e levoluzione della superficie terrestre. In ecologia, la modellazione può essere utilizzata per comprendere le popolazioni animali e vegetali e le dinamiche delle interazioni tra gli organismi. Nelle scienze biomediche, i modelli fisici (materiali), come le mosche di Drosophila e il nematode Caenorhabditis elegans, vengono utilizzati per studiare le funzioni di geni e proteine. Allo stesso modo, i modelli tridimensionali di proteine vengono utilizzati per ottenere informazioni sulla funzione delle proteine e per assistere nella progettazione dei farmaci. La modellazione scientifica trova applicazione anche nella pianificazione urbana, nella costruzione e nel ripristino degli ecosistemi.