Vetenskaplig modellering

Vetenskaplig modellering, alstring av en fysisk, konceptuell eller matematisk framställning av ett verkligt fenomen som är svårt att observera direkt. Vetenskapliga modeller används för att förklara och förutsäga beteendet hos verkliga föremål eller system och används i en mängd olika vetenskapliga discipliner, allt från fysik och kemi till ekologi och geovetenskap. Även om modellering är en central del av modern vetenskap, är vetenskapliga modeller i bästa fall approximationer av objekten och systemen som de representerar – de är inte exakta repliker. Således arbetar forskare ständigt för att förbättra och förfina modeller.

Läs mer om detta ämne

principer för fysik: Förenklade modeller

Processen för dissektion togs tidigt till sin gräns i den kinetiska teorin om gaser, som i sin moderna form väsentligen började med …

Syftet med vetenskaplig modellering varierar. Vissa modeller, såsom den tredimensionella dubbel-helix-modellen av DNA, används främst för att visualisera ett objekt eller system, ofta skapas från experimentella data. Andra modeller är avsedda att beskriva ett abstrakt eller hypotetiskt beteende eller fenomen. Till exempel är prediktiva modeller, som de som används vid väderprognoser eller för att projicera hälsoeffekter av sjukdomsepidemier, i allmänhet baserade på kunskap och data om fenomen från det förflutna och förlitar sig på matematiska analyser av denna information för att förutsäga framtida, hypotetiska förekomster av liknande fenomen. Prediktiva modeller har ett betydande värde för samhället på grund av deras potentiella roll i varningssystem, t.ex. vid jordbävningar, tsunamier, epidemier och liknande storskaliga katastrofer. Eftersom ingen enstaka prediktiv modell kan redogöra för alla variabler som kan påverka ett resultat måste forskare göra antaganden, vilket kan äventyra tillförlitligheten hos en prediktiv modell och leda till felaktiga slutsatser.

Begränsningarna för vetenskaplig modellering betonas av det faktum att modeller i allmänhet inte är fullständiga representationer. Bohr-atommodellen beskriver till exempel atomernas struktur. Men även om det var den första atommodellen som införlivade kvantteorin och fungerade som en grundläggande konceptuell modell för elektronbanor, var det inte en korrekt beskrivning av naturen hos elektroner som kretsar kring. Det kunde inte heller förutsäga energinivåerna för atomer med mer än en elektron.

I själva verket behövs flera modeller, som var och en representerar en del av objektet eller systemet, fullt ut för att förstå ett objekt eller ett system. Sammantaget kan modellerna kunna ge en mer fullständig representation eller åtminstone en mer fullständig förståelse av det verkliga objektet eller systemet. Detta illustreras av vågmodellen för ljus och partikelmodellen för ljus, som tillsammans beskriver vågpartikel dualiteten i vilken ljus förstås ha både våg- och partikelfunktioner. Vågteorin och partikelteorin om ljus ansågs länge vara i strid med varandra. I början av 1900-talet erkändes emellertid de två modellerna för dessa teorier som kompletterande, med insikten att partiklar beter sig som vågor.

Det finns många applikationer för vetenskaplig modellering. Till exempel, inom geovetenskapen, är modellering av atmosfäriska och havsfenomen relevant för inte bara väderprognoser utan också vetenskaplig förståelse för global uppvärmning. I det sistnämnda fallet är en noteringsmodell den allmänna cirkulationsmodellen, som används för att simulera klimatförändringar som orsakats av människor och inte människor. Modellering av geologiska händelser, såsom konvektion inom jorden och teoretiska rörelser av jordens plattor, har avancerat forskares kunskap om vulkaner och jordbävningar och om utvecklingen av jordens yta. I ekologi kan modellering användas för att förstå djur- och växtpopulationer och dynamiken i interaktioner mellan organismer. I biomedicinska vetenskaper används fysiska (materiella) modeller, såsom Drosophila-flugor och nematoden Caenorhabditis elegans, för att undersöka funktionerna hos gener och proteiner. På samma sätt används tredimensionella modeller av proteiner för att få insikt i proteinfunktionen och för att hjälpa till med läkemedelsdesign. Vetenskaplig modellering har också tillämpningar inom stadsplanering, byggande och återställande av ekosystem.