Modelowanie naukowe, generowanie fizycznej, koncepcyjnej lub matematycznej reprezentacji rzeczywistego zjawiska, które jest trudne do bezpośredniej obserwacji. Modele naukowe są wykorzystywane do wyjaśniania i przewidywania zachowania rzeczywistych obiektów lub systemów i są wykorzystywane w różnych dyscyplinach naukowych, od fizyki i chemii po ekologię i nauki o Ziemi. Chociaż modelowanie jest centralnym elementem współczesnej nauki, modele naukowe w najlepszym przypadku są przybliżeniami obiektów i systemów, które reprezentują – nie są dokładnymi replikami. Dlatego naukowcy nieustannie pracują nad ulepszaniem i udoskonalaniem modeli.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Cel modelowania naukowego jest różny. Niektóre modele, takie jak trójwymiarowy model podwójnej helisy DNA, są używane głównie do wizualizacji obiektu lub systemu, często tworzone na podstawie danych eksperymentalnych. Inne modele mają opisywać abstrakcyjne lub hipotetyczne zachowanie lub zjawisko. Na przykład modele predykcyjne, takie jak te wykorzystywane do prognozowania pogody lub prognozowania skutków zdrowotnych epidemii chorób, generalnie opierają się na wiedzy i danych dotyczących zjawisk z przeszłości i opierają się na matematycznej analizie tych informacji w celu prognozowania przyszłych, hipotetycznych wystąpień podobnych zjawisk. zjawiska. Modele predykcyjne mają znaczną wartość dla społeczeństwa ze względu na ich potencjalną rolę w systemach ostrzegania, takich jak trzęsienia ziemi, tsunami, epidemie i podobne katastrofy na dużą skalę. Ponieważ jednak żaden model predykcyjny nie może uwzględniać wszystkich zmiennych, które mogą wpływać na wynik, naukowcy muszą poczynić założenia, które mogą zagrozić wiarygodności modelu predykcyjnego i prowadzić do błędnych wniosków.
Ograniczenia naukowe modelowanie podkreśla fakt, że modele generalnie nie są kompletnymi reprezentacjami. Na przykład model atomowy Bohra opisuje strukturę atomów. Ale chociaż był to pierwszy model atomowy, który zawierał teorię kwantową i służył jako podstawowy model pojęciowy orbit elektronów, nie był to dokładny opis natury krążących elektronów. Nie był też w stanie przewidzieć poziomów energii atomów z więcej niż jednym elektronem.
Encyclopædia Britannica, Inc.
W rzeczywistości, aby w pełni zrozumieć obiekt lub system, potrzeba wielu modeli, z których każdy reprezentuje część obiektu lub systemu. Łącznie modele mogą być w stanie zapewnić pełniejszą reprezentację lub przynajmniej pełniejsze zrozumienie rzeczywistego obiektu lub systemu. Ilustruje to falowy model światła i cząsteczkowy model światła, które razem opisują dualizm korpuskularno-falowy, w którym światło ma zarówno funkcje falowe, jak i cząstkowe. Od dawna uważano, że teoria falowa i cząstkowa teoria światła są ze sobą sprzeczne. Jednak na początku XX wieku, kiedy zdano sobie sprawę, że cząstki zachowują się jak fale, oba modele dla tych teorii uznano za komplementarne, co znacznie ułatwiło nowe spojrzenie na mechanikę kwantową.
University of Oxford / Getty Images
Istnieje wiele zastosowań modelowania naukowego. Na przykład w naukach o Ziemi modelowanie zjawisk atmosferycznych i oceanicznych jest istotne nie tylko dla prognozowania pogody, ale także dla naukowego zrozumienia globalnego ocieplenia. W tym drugim przypadku należy zwrócić uwagę na model ogólnego obiegu, który jest używany do symulacji zmian klimatycznych wywołanych przez człowieka i innych. Modelowanie zjawisk geologicznych, takich jak konwekcja wewnątrz Ziemi i teoretyczne ruchy płyt Ziemi, poszerzyło wiedzę naukowców na temat wulkanów i trzęsień ziemi oraz ewolucji powierzchni Ziemi. W ekologii modelowanie można wykorzystać do zrozumienia populacji zwierząt i roślin oraz dynamiki interakcji między organizmami. W naukach biomedycznych do badania funkcji genów i białek wykorzystuje się modele fizyczne (materiałowe), takie jak muchy Drosophila i nicień Caenorhabditis elegans. Podobnie trójwymiarowe modele białek są wykorzystywane do uzyskiwania wglądu w funkcje białek i wspomagania projektowania leków. Modelowanie naukowe ma również zastosowanie w planowaniu urbanistycznym, budowie i przywracaniu ekosystemów.
NOAA Center for Tsunami Research