科学的モデリング

科学的モデリング、直接観察することが困難な実際の現象の物理的、概念的、または数学的表現の生成。科学モデルは、実際のオブジェクトやシステムの動作を説明および予測するために使用され、物理学や化学から生態学や地球科学に至るまで、さまざまな科学分野で使用されます。モデリングは現代科学の中心的な要素ですが、科学モデルはせいぜい、それらが表すオブジェクトとシステムの近似であり、正確なレプリカではありません。したがって、科学者は常にモデルの改善と改良に取り組んでいます。

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科学的モデリングの目的はさまざまです。 DNAの3次元二重らせんモデルなどの一部のモデルは、主にオブジェクトまたはシステムを視覚化するために使用され、多くの場合、実験データから作成されます。他のモデルは、抽象的なまたは架空の動作または現象を説明することを目的としています。たとえば、天気予報や病気の流行の健康転帰の予測に使用されるような予測モデルは、一般に過去の現象の知識とデータに基づいており、この情報の数学的分析に基づいて、同様の将来の仮想的な発生を予測します。現象。予測モデルは、地震、津波、エピデミック、および同様の大規模災害の場合など、警報システムでの潜在的な役割のために、社会にとって大きな価値を持っています。ただし、結果に影響を与える可能性のあるすべての変数を単一の予測モデルで説明できるわけではないため、科学者は仮定を立てる必要があります。これにより、予測モデルの信頼性が損なわれ、誤った結論につながる可能性があります。

科学の限界モデルは一般に完全な表現ではないという事実によって、モデリングが強調されます。たとえば、ボーア原子モデルは原子の構造を記述します。しかし、それは量子論を組み込んだ最初の原子モデルであり、電子軌道の基本的な概念モデルとして機能しましたが、軌道を回る電子の性質を正確に説明するものではありませんでした。また、複数の電子を持つ原子のエネルギー準位を予測することもできませんでした。

実際、オブジェクトまたはシステムを完全に理解するには、それぞれがオブジェクトまたはシステムの一部を表す複数のモデルが必要です。集合的に、モデルは、実際のオブジェクトまたはシステムのより完全な表現、または少なくともより完全な理解を提供できる場合があります。これは、光の波動モデルと光の粒子モデルによって示されます。これらは、光が波動と粒子の両方の機能を持っていると理解される波動粒子の二重性を一緒に説明します。光の波動説と粒子説は、長い間互いに対立していると考えられていました。しかし、20世紀初頭、粒子が波のように振る舞うことに気づき、これらの理論の2つのモデルは補完的であると認められました。これは、量子力学の分野における新しい洞察を大いに促進するステップです。

科学的モデリングには数多くのアプリケーションがあります。たとえば、地球科学では、大気圧と海洋現象のモデリングは、天気予報だけでなく、地球温暖化の科学的理解にも関連しています。後者の場合、注目すべきモデルの1つは、人間と人間以外の気候変動をシミュレートするために使用される大循環モデルです。地球内の対流や地球のプレートの理論的な動きなどの地質学的イベントのモデリングにより、科学者は火山や地震、そして地球の表面の進化についての知識を深めてきました。生態学では、モデリングを使用して、動植物の個体数と生物間の相互作用のダイナミクスを理解できます。生物医学では、ショウジョウバエや線虫Caenorhabditis elegansなどの物理（材料）モデルを使用して、遺伝子やタンパク質の機能を調べます。同様に、タンパク質の3次元モデルを使用して、タンパク質の機能に関する洞察を得たり、ドラッグデザインを支援したりします。科学的モデリングは、都市計画、建設、生態系の回復にも応用できます。