Vitenskapelig modellering, generering av en fysisk, konseptuell eller matematisk fremstilling av et reelt fenomen som er vanskelig å observere direkte. Vitenskapelige modeller brukes til å forklare og forutsi oppførselen til virkelige objekter eller systemer og brukes i en rekke vitenskapelige disipliner, alt fra fysikk og kjemi til økologi og geovitenskap. Selv om modellering er en sentral komponent i moderne vitenskap, er vitenskapelige modeller i beste fall tilnærminger av objektene og systemene de representerer – de er ikke eksakte kopier. Dermed jobber forskere hele tiden med å forbedre og foredle modeller.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Formålet med vitenskapelig modellering varierer. Noen modeller, for eksempel den tredimensjonale dobbel-helix-modellen av DNA, brukes primært til å visualisere et objekt eller system, ofte opprettet fra eksperimentelle data. Andre modeller er ment å beskrive en abstrakt eller hypotetisk atferd eller et fenomen. For eksempel er prediktive modeller, for eksempel de som brukes i værvarsling eller i projiserende helseresultater fra sykdomsepidemier, generelt basert på kunnskap og data om fenomener fra fortiden og er avhengige av matematiske analyser av denne informasjonen for å forutsi fremtidige, hypotetiske forekomster av fenomener. Prediktive modeller har betydelig verdi for samfunnet på grunn av deres potensielle rolle i varslingssystemer, for eksempel i tilfelle jordskjelv, tsunamier, epidemier og lignende store katastrofer. Men fordi ingen enkelt prediktiv modell kan redegjøre for alle variablene som kan påvirke et utfall, må forskere gjøre antakelser, noe som kan kompromittere påliteligheten til en prediktiv modell og føre til feil konklusjoner.
Begrensningene for vitenskapelig modellering understrekes av det faktum at modeller generelt ikke er fullstendige representasjoner. Bohr-atommodellen beskriver for eksempel atomenes struktur. Men mens det var den første atommodellen som inkorporerte kvanteteori og fungerte som en grunnleggende konseptuell modell av elektronbaner, var det ikke en nøyaktig beskrivelse av naturen til elektroner som kretser. Det var heller ikke i stand til å forutsi energinivåene for atomer med mer enn ett elektron.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Faktisk, i forsøket på å forstå et objekt eller system fullt ut, er det behov for flere modeller, som hver representerer en del av objektet eller systemet. Samlet kan modellene være i stand til å gi en mer fullstendig representasjon, eller i det minste en mer fullstendig forståelse, av det virkelige objektet eller systemet. Dette illustreres av bølgemodellen for lys og partikkelmodellen for lys, som sammen beskriver bølgepartikkel-dualiteten der lys forstås å ha både bølge- og partikkelfunksjoner. Bølgeteorien og partikkelteorien om lys ble lenge ansett å være i strid med hverandre. Tidlig på 1900-tallet, men med erkjennelsen av at partikler oppfører seg som bølger, ble de to modellene for disse teoriene imidlertid anerkjent som komplementære, et trinn som i stor grad lette ny innsikt innen kvantemekanikken.
University of Oxford / Getty Images
Det er mange applikasjoner for vitenskapelig modellering. For eksempel i jordvitenskap er modellering av atmosfæriske fenomener og hav relevante for ikke bare værvarsling, men også vitenskapelig forståelse av global oppvarming. I sistnevnte tilfelle er en modell av notat den generelle sirkulasjonsmodellen, som brukes til å simulere menneskelige og ikke-menneskelige klimaendringer. Modellering av geologiske hendelser, som konveksjon i jorden og teoretiske bevegelser av jordens plater, har avansert vitenskapsmannskunnskap om vulkaner og jordskjelv og om utviklingen av jordens overflate. I økologi kan modellering brukes til å forstå dyre- og plantebestander og dynamikken i interaksjoner mellom organismer. I biomedisinsk vitenskap brukes fysiske (materielle) modeller, som Drosophila fluer og nematoden Caenorhabditis elegans, for å undersøke funksjonene til gener og proteiner. Likeledes brukes tredimensjonale modeller av proteiner for å få innsikt i proteinfunksjon og for å hjelpe til med legemiddelutforming. Vitenskapelig modellering har også anvendelser innen byplanlegging, bygging og restaurering av økosystemer.
NOAA Center for Tsunami Research