Wetenschappelijke modellering

Wetenschappelijke modellering, het genereren van een fysieke, conceptuele of wiskundige weergave van een reëel fenomeen dat moeilijk direct waarneembaar is. Wetenschappelijke modellen worden gebruikt om het gedrag van echte objecten of systemen te verklaren en te voorspellen en worden gebruikt in verschillende wetenschappelijke disciplines, variërend van natuurkunde en scheikunde tot ecologie en aardwetenschappen. Hoewel modellering een centraal onderdeel is van de moderne wetenschap, zijn wetenschappelijke modellen op zijn best benaderingen van de objecten en systemen die ze vertegenwoordigen – het zijn geen exacte replicas. Wetenschappers werken daarom voortdurend aan het verbeteren en verfijnen van modellen.

Lees meer over dit onderwerp

principes van de fysische wetenschap: vereenvoudigde modellen

Het proces van dissectie was al vroeg tot het uiterste gegaan in de kinetische theorie van gassen, die in zijn moderne vorm in wezen begon met …

Het doel van wetenschappelijke modellen varieert. Sommige modellen, zoals het driedimensionale model met dubbele helix van DNA, worden voornamelijk gebruikt om een object of systeem te visualiseren, en worden vaak gemaakt op basis van experimentele gegevens. Andere modellen zijn bedoeld om een abstract of hypothetisch gedrag of fenomeen te beschrijven. Voorspellende modellen, zoals die worden gebruikt bij weersvoorspellingen of bij het projecteren van gezondheidsresultaten van ziekte-epidemieën, zijn bijvoorbeeld over het algemeen gebaseerd op kennis en gegevens van verschijnselen uit het verleden en vertrouwen op wiskundige analyses van deze informatie om toekomstige, hypothetische gebeurtenissen van soortgelijke fenomenen. Voorspellende modellen zijn van grote waarde voor de samenleving vanwege hun mogelijke rol in waarschuwingssystemen, zoals in het geval van aardbevingen, tsunamis, epidemieën en vergelijkbare grootschalige rampen. Omdat echter geen enkel voorspellend model alle variabelen kan verklaren die een uitkomst kunnen beïnvloeden, moeten wetenschappers aannames doen die de betrouwbaarheid van een voorspellend model in gevaar kunnen brengen en tot onjuiste conclusies kunnen leiden.

De beperkingen van wetenschappelijk onderzoek modellering wordt benadrukt door het feit dat modellen over het algemeen geen volledige representaties zijn. Het atoommodel van Bohr beschrijft bijvoorbeeld de structuur van atomen. Maar hoewel het het eerste atomaire model was waarin de kwantumtheorie was opgenomen en het diende als een conceptueel basismodel van elektronenbanen, was het geen nauwkeurige beschrijving van de aard van ronddraaiende elektronen. Het was ook niet in staat om de energieniveaus te voorspellen voor atomen met meer dan één elektron.

In feite zijn er meerdere modellen nodig, die elk een deel van het object of systeem vertegenwoordigen, om een object of systeem volledig te begrijpen. Gezamenlijk kunnen de modellen mogelijk een completere weergave bieden, of op zijn minst een vollediger begrip van het werkelijke object of systeem. Dit wordt geïllustreerd door het golfmodel van licht en het deeltjesmodel van licht, die samen de golf-deeltje dualiteit beschrijven waarin wordt aangenomen dat licht zowel golf- als deeltjesfuncties bezit. De golftheorie en de deeltjestheorie van het licht werden lang als strijdig met elkaar beschouwd. In het begin van de 20e eeuw, met het besef dat deeltjes zich gedragen als golven, werd erkend dat de twee modellen voor deze theorieën complementair waren, een stap die veel nieuwe inzichten op het gebied van de kwantummechanica mogelijk maakte.

Er zijn talloze toepassingen voor wetenschappelijke modellen. In de aardwetenschappen is het modelleren van atmosferische en oceaanverschijnselen bijvoorbeeld niet alleen relevant voor weersvoorspellingen, maar ook voor wetenschappelijk begrip van de opwarming van de aarde. In het laatste geval is een opmerkelijk model het algemene circulatiemodel, dat wordt gebruikt voor het simuleren van door mensen en niet door mensen veroorzaakte klimaatverandering. Modellering van geologische gebeurtenissen, zoals convectie binnen de aarde en theoretische bewegingen van aardplaten, heeft de kennis van wetenschappers over vulkanen en aardbevingen en over de evolutie van het aardoppervlak ontwikkeld. In de ecologie kan modellering worden gebruikt om de populaties van dieren en planten en de dynamiek van interacties tussen organismen te begrijpen. In de biomedische wetenschappen worden fysische (materiële) modellen, zoals Drosophila-vliegen en de nematode Caenorhabditis elegans, gebruikt om de functies van genen en eiwitten te onderzoeken. Evenzo worden driedimensionale modellen van eiwitten gebruikt om inzicht te krijgen in de eiwitfunctie en om te helpen bij het ontwerpen van geneesmiddelen. Wetenschappelijke modellering heeft ook toepassingen bij stadsplanning, constructie en het herstel van ecosystemen.