Vědecké modelování

Ve vědě je model reprezentací myšlenky, objektu nebo dokonce procesu či systému, který se používá k popisu a vysvětlení jevů, které nelze zažil přímo. Modely jsou ústředním bodem toho, co vědci dělají, a to jak při výzkumu, tak při komunikaci s vysvětlením.

Modely představují mentálně vizuální způsob propojení teorie s experimentem a řídí výzkum tím, že jsou zjednodušenou reprezentací imaginární reality, která umožňuje vývoj a testování predikcí pomocí experimentu.

Proč vědci používají modely

Modely mají různé využití – od poskytnutí způsobu vysvětlení složitých údajů až po prezentaci jako hypotézu. Vědci mohou navrhnout více než jeden model, který by vysvětlil nebo předpověděl, co se může stát za konkrétních okolností. Vědci budou často argumentovat o „správnosti“ svého modelu a v průběhu procesu se model vyvine nebo bude odmítnut. V důsledku toho jsou modely ústředním bodem procesu budování znalostí ve vědě a ukazují, jak jsou vědecké znalosti nezávazné.

Přemýšlejte o modelu zobrazujícím Zemi – zeměkoule. Do roku 2005 byly glóby vždy umělcovým vyjádřením toho, jak jsme si mysleli, že planeta vypadá. (V roce 2005 byla vyrobena první zeměkoule využívající satelitní snímky z NASA.) První známá zeměkoule, která měla být vyrobena (v roce 150 př. N.l.), nebyla příliš přesná. Zeměkoule byla postavena v Řecku, takže možná v Evropě ukazovala jen malé množství půdy a nebyla by na ní Austrálie, Čína nebo Nový Zéland! Vzhledem k tomu, že množství znalostí se budovalo stovky let, model se zlepšoval, dokud v době, kdy byla vytvořena zeměkoule vytvořená ze skutečných obrazů, nebyl patrný žádný rozdíl mezi reprezentací a skutečnou věcí.

Budování modelu

Vědci začínají s malým množstvím dat a postupem času vytvářejí stále lepší a lepší reprezentaci jevů, které vysvětlují nebo používají pro predikci. V dnešní době je pravděpodobné, že mnoho modelů bude matematických a budou spuštěny na počítačích, nikoli jako vizuální reprezentace, ale princip je stejný.

Používání modelů k předpovídání

V některých situacích jsou vědci vyvinuty modely, které se snaží věci předvídat. Nejlepším příkladem jsou klimatické modely a změna klimatu. Lidé neznají plný účinek, který mají na planetu, ale víme toho hodně o uhlíkových cyklech, vodních cyklech a počasí. S využitím těchto informací a pochopení toho, jak tyto cykly interagují, se vědci snaží přijít na to, co se může stát. Modely se dále spoléhají na práci vědců při shromažďování kvalitních dat, která se do modelů dostávají. Chcete-li se dozvědět více o práci na shromažďování údajů pro modely, podívejte se na projekt Argo a na práci prováděnou při shromažďování rozsáhlých údajů o teplotě a slanosti, abyste pochopili, jakou roli hraje oceán v podnebí a změně klimatu.

Mohou například pomocí údajů předpovědět, jaké by mohlo být klima za 20 let, pokud budeme i nadále produkovat oxid uhličitý současnou rychlostí – co by se mohlo stát, kdybychom vyrobili více oxidu uhličitého a co by se stalo, kdybychom produkovali méně. Výsledky slouží k informování politiků o tom, co by se mohlo stát s podnebím a co lze změnit.

Dalším běžným používáním modelů je řízení rybolovu. Rybolov a prodej ryb na vývozní trhy je důležitým průmyslovým odvětvím pro mnoho zemí včetně Nového Zélandu (v roce 2009 činil 1,4 miliardy dolarů). Nadměrný rybolov však představuje skutečné riziko a může způsobit zhroucení rybářských revírů. Vědci využívají informace o životních cyklech ryb, vzorcích chovu, počasí, pobřežních proudech a stanovištích k předpovědi toho, kolik ryb lze z určité oblasti ulovit, než se populace sníží pod bod, kde se nemůže zotavit.

Modely lze také použít, když jsou polní experimenty příliš drahé nebo nebezpečné, například modely, které se používají k předpovědi toho, jak se oheň šíří v silničních tunelech a jak by se oheň mohl vyvíjet v budově.

Jak zjistíme, zda model funguje?

Modely se často používají k přijímání velmi důležitých rozhodnutí, například ke snížení množství ryb, které může být odebráno z oblasti, může vést k ukončení činnosti společnosti nebo zabránit rybáři v kariéře, která je v jejich rodině po celé generace.

Náklady spojené s bojem proti změně klimatu jsou téměř nepředstavitelné, takže je důležité, že modely mají pravdu, ale často se jedná o použití nejlepších informací, jaké jsou k dispozici. Je třeba neustále testovat modely, aby se zjistilo, zda použitá data poskytují užitečné informace. Vědci si od modelu mohou položit otázku: Hodí se to k datům, která známe?

Pro změnu klimatu je to trochu obtížné. Mohlo by se to hodit k tomu, co víme nyní, ale víme toho dost? Jedním ze způsobů, jak otestovat model změny klimatu, je spustit jej zpět.Dokáže přesně předpovědět, co se již stalo? Vědci mohou měřit, co se stalo v minulosti, takže pokud model odpovídá údajům, považuje se to za trochu důvěryhodnější. Pokud se nevejde, je na čase udělat ještě více práce.

Tento proces porovnání modelových předpovědí s pozorovatelnými daty je znám jako „pozemský průzkum“. Pokud jde o řízení rybolovu, pozemní výkop zahrnuje vyjíždění a odebírání vzorků ryb v různých oblastech. Pokud v této oblasti není tolik ryb, kolik model předpovídá, je na čase udělat další práci.

Další informace o pozemských výkyvech v satelitech měří tloušťku mořského ledu. Zde vědci ověřují satelitní data o tloušťce ledu v Antarktidě, aby mohla být použita k modelování toho, jak se může měnit podnebí, teplota moře a hladiny moře.