Modelagem científica

Modelagem científica, a geração de uma representação física, conceitual ou matemática de um fenômeno real que é difícil de observar diretamente. Modelos científicos são usados para explicar e prever o comportamento de objetos ou sistemas reais e são usados em uma variedade de disciplinas científicas, desde física e química até ecologia e ciências da Terra. Embora a modelagem seja um componente central da ciência moderna, os modelos científicos, na melhor das hipóteses, são aproximações dos objetos e sistemas que representam – não são réplicas exatas. Assim, os cientistas estão trabalhando constantemente para melhorar e refinar os modelos.

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O propósito da modelagem científica varia. Alguns modelos, como o modelo tridimensional de dupla hélice de DNA, são usados principalmente para visualizar um objeto ou sistema, muitas vezes sendo criado a partir de dados experimentais. Outros modelos destinam-se a descrever um comportamento ou fenômeno abstrato ou hipotético. Por exemplo, modelos preditivos, como aqueles empregados na previsão do tempo ou na projeção de resultados de saúde de epidemias de doenças, geralmente são baseados em conhecimento e dados de fenômenos do passado e contam com análises matemáticas dessas informações para prever futuras ocorrências hipotéticas de semelhantes fenômenos. Os modelos preditivos têm um valor significativo para a sociedade por causa de seu papel potencial nos sistemas de alerta, como no caso de terremotos, tsunamis, epidemias e desastres semelhantes de grande escala. No entanto, como nenhum modelo preditivo único pode explicar todas as variáveis que podem afetar um resultado, os cientistas devem fazer suposições, o que pode comprometer a confiabilidade de um modelo preditivo e levar a conclusões incorretas.

As limitações da ciência modelagem são enfatizadas pelo fato de que os modelos geralmente não são representações completas. O modelo atômico de Bohr, por exemplo, descreve a estrutura dos átomos. Mas, embora tenha sido o primeiro modelo atômico a incorporar a teoria quântica e serviu como um modelo conceitual básico de órbitas de elétrons, não era uma descrição precisa da natureza dos elétrons em órbita. Nem foi capaz de prever os níveis de energia para átomos com mais de um elétron.

Na verdade, na tentativa de compreender completamente um objeto ou sistema, vários modelos, cada um representando uma parte do objeto ou sistema, são necessários. Coletivamente, os modelos podem ser capazes de fornecer uma representação mais completa, ou pelo menos uma compreensão mais completa, do objeto ou sistema real. Isso é ilustrado pelo modelo de onda de luz e o modelo de partícula de luz, que juntos descrevem a dualidade onda-partícula em que se entende que a luz possui funções de onda e partícula. A teoria das ondas e a teoria das partículas da luz foram consideradas por muito tempo como conflitantes. No início do século 20, no entanto, com a constatação de que as partículas se comportam como ondas, os dois modelos dessas teorias foram reconhecidos como complementares, uma etapa que facilitou muito novos insights no campo da mecânica quântica.

Existem inúmeras aplicações para modelagem científica. Por exemplo, nas ciências da Terra, a modelagem de fenômenos atmosféricos e oceânicos é relevante não apenas para a previsão do tempo, mas também para a compreensão científica do aquecimento global. No último caso, um modelo digno de nota é o modelo de circulação geral, que é usado para simular mudanças climáticas induzidas por humanos e não humanos. A modelagem de eventos geológicos, como a convecção dentro da Terra e os movimentos teóricos das placas da Terra, avançou o conhecimento dos cientistas sobre vulcões e terremotos e da evolução da superfície da Terra. Em ecologia, a modelagem pode ser usada para entender as populações de animais e plantas e a dinâmica das interações entre os organismos. Nas ciências biomédicas, modelos físicos (materiais), como as moscas Drosophila e o nematóide Caenorhabditis elegans, são usados para investigar as funções de genes e proteínas. Da mesma forma, modelos tridimensionais de proteínas são usados para obter informações sobre a função da proteína e para auxiliar no projeto de drogas. A modelagem científica também tem aplicações em planejamento urbano, construção e restauração de ecossistemas.