Kaj je znanstveni model: definicija, vrste in praktični primeri
Odkrijte, kaj je znanstveni model: jasna definicija, ključne vrste in praktični primeri za razlago, napovedovanje in uporabo v raziskavah ter računalniških simulacijah.
Znanstveni model je poenostavljen, abstrakten in sistematičen prikaz kompleksne resničnosti. Model poenostavi pomembne vidike sistema ali pojava, medtem ko zanemari manj bistvene podrobnosti, da bi omogočil razlago, napovedovanje, preverjanje hipotez in gradnjo tehnologij. Znanstveni modeli so temelj znanstvenega dela in se uporabljajo tudi za razvoj računalniških programov ali matematičnih enačb, ki opisujejo obnašanje sistema.
Zakaj uporabljamo modele
Glavni nameni znanstvenih modelov so:
- razlaga: pojasnijo, kako in zakaj se pojav dogaja;
- napovedovanje: omogočijo predvidevanje prihodnjega obnašanja sistema;
- testiranje hipotez: preverjanje teorij s primerjanjem rezultatov modela s podatki;
- simulacija in oblikovanje: uporaba modelov pri načrtovanju tehnologij, zdravljenja, politike ali struktur;
- izobraževanje: olajšajo razumevanje zapletenih pojavov z intuicijo ali vizualizacijami.
Vrste znanstvenih modelov
Obstaja več načinov razvrščanja modelov. Najpogostejše vrste:
- konceptualni modeli — enostavne sheme ali metafore, ki zajamejo osnovne ideje in odnose;
- fizični oziroma skalarni modeli — konkretne zmanjšane kopije (npr. arhitekturni ali aerodinamični modeli) za preskušanje v realnih pogojih;
- matematični modeli — sistem enačb in funkcij, ki opisujejo odnose med spremenljivkami; tukaj se pogosto uporabljajo enačbe in statistične metode;
- računalniški/računski modeli — numerične implementacije matematičnih modelov, ki omogočajo simulacije kompleksnih sistemov;
- statistični modeli — modeli, ki temeljijo na verjetnostih in podatkih ter pojasnjujejo vzorce in negotovost;
- analogne in heuristične metode — modeli, ki izkoriščajo podobnosti med sistemi ali uporabljajo preprosta pravila za približke.
Primer: modeli vremena
Dobro znan primer kompleksnega modela je programska oprema za napovedovanje vremena. Tak sistem združuje matematične enačbe, numerične metode in opazovalne podatke:
- v osnovi so fizikalne enačbe za gibanje zraka, toploto, vlago in druge spremenljivke (spremenljivke, ki vplivajo na vreme);
- v model se vnašajo opazovalni meteorološki podatki (temperatura, tlak, vlažnost, hitrost vetra itd.);
- računalniški program računa razvoj atmosfere po mreži točk in časovnih korakov ter proizvaja napovedi (npr. grafe in podatke) prihodnjih vremenskih vzorcev;
- pomembni so postopki za umerjanje, asimilacijo podatkov in oceno negotovosti — modeli niso popolni, zato napoved spremlja verjetnostni interval ali več scenarijev.
Lastnosti dobrega znanstvenega modela
- jasne predpostavke: model mora izrecno navesti, kaj vključuje in kaj izpušča;
- reproducibilnost: drugi raziskovalci morajo lahko ponovijo rezultate z istimi pogoji;
- veljavnost: model mora dobro opisovati opazovani svet v območju, za katerega je namenjen;
- prediktivna moč: koristen model daje natančne in uporabne napovedi;
- preverljivost in falzificirljivost: model naj omogoča testiranje in morebitno zavrnitev ob neskladju z dokazi;
- preprostost: po pravilu Ockhamove britve naj bo model čim bolj preprost, a dovolj kompleksen, da zajame bistvo.
Omejitve in negotovost
Modeli so vedno poenostavitve — zato imajo omejitve. Pomembno je razumeti vira negotovosti:
- nepopolni ali napačni podatki;
- poenostavitve v fizikalnih ali statističnih predpostavkah;
- numerične napake in diskretizacija pri računski rešitvi;
- strukturna negotovost — morebitno izpuščanje ključnih procesov ali interakcij.
Za oceno robustnosti modelov pogosto izvajamo senzitivnostne analize, presejalne teste in primerjave z neodvisnimi podatki.
Kako nastane znanstveni model
Postopek običajno vključuje:
- opazovanje in zbiranje podatkov;
- formulacijo hipotez in izbiro spremenljivk;
- izbiro vrste modela (matematični, statistični, računalniški ...);
- izpeljavo ali kodiranje modela ter umerjanje s podatki;
- testiranje in validacijo z neodvisnimi opazovanji;
- uporabo modela za napovedi, optimizacijo ali izobraževanje;
- nenehno izboljševanje na podlagi novih podatkov in spoznanj.
Praktični primeri iz različnih področij
- ekologija: modeli rasti populacij in interakcij plenilec–plen;
- medicina: modeli širjenja bolezni, farmakokinetični modeli za odmerjanje zdravil;
- gospodarstvo: ekonomski modeli za napovedovanje rasti, tržne dinamike in tveganj;
- inženirstvo: strukturni modeli mostov in zgradb, simulacije odpornosti na potrese;
- podnebne znanosti: globalni modeli podnebja za napoved podnebnih sprememb in scenarije politik.
Zaključek
Znanstveni model je ključno orodje za razumevanje, napovedovanje in ukrepanje v svetu kompleksnih pojavov. Pomembno je, da so modeli jasno dokumentirani, preverjeni in uporabljeni z zavedanjem njihovih omejitev. Dobri modeli povezujejo teorijo in opazovanja ter služijo kot most med abstraktnimi idejami in praktičnimi odločitvami.
Primer znanstvenega modeliranja. Shema kemičnih in transportnih procesov, povezanih s sestavo ozračja.
Primeri
Modeli našega vesolja so na primer del astrofizike, ki se ukvarja z največjimi stvarmi v naravi, in fizike, ki se ukvarja z najmanjšimi. Vendar pa to običajno ni tisto, kar mislimo z naravo. V mislih imamo modele, ki jih preučujemo v biologiji, ekologiji, ekonomiji, okoljskem zdravju in zdravljenju. Večina modelov narave se nanaša na stvari, na katere ljudje resnično neposredno vplivajo in ki na ljudi vplivajo nazaj:
Strupeni odpadki
Če na primer v reko odvržete strupene odpadke, to škoduje drugim po reki navzdol. Toda brez modelov narave ne vemo, kdo in ne moremo reči, koliko je škodljivo ali škodljivo.
Učinki
Modeli narave vplivajo na človekovo odločanje. So zelo pomembni za zdravje, dobro počutje in ekonomijo ljudi. Pomembni so tudi na področju etike, saj želi večina ljudi s svojimi odločitvami zmanjšati škodo. Pomembni so tudi v pravu, saj je škodo, ki je bila povzročena, mogoče dokazati na sodišču.
Gozdovi
Ko je gozd enkrat degradiran, ga je zelo težko ponovno oživiti. Manjši modeli koščkov narave pomagajo razumeti, koliko jih je treba pustiti, da bodo lahko naravo uporabljale tudi prihodnje generacije.
Učinki na naravo
Za človeka in naravo lahko rečemo, da sta si v številnih pogledih v nasprotju. Naravni kapital, kot so zemlja in velika zdrava drevesa, ki jih narava potrebuje, da lahko sama proizvaja več, je kot naravni viri koristen tudi za ljudi. Pomembno je vedeti, koliko lahko iz narave črpamo, preden umre. To je še en razlog za model:
Modeli narave vplivajo na človekovo življenje na tri glavne načine:
Okolje
- Okolje in dobro počutje sta povezana z zdravjem, zdravljenjem in prehrano ljudi. Osredotočata se na to, kaj je v človeškem telesu ali čutilih, ter na to, kako podaljšati življenjsko dobo in povečati vitalnost. Po tem mnenju je človekova sreča odvisna od tega, da je del nečesa živega zunaj njega. Na primer, vrtnarjenje jih lahko osreči že samo zato, ker se osredotočijo na rast in se postavijo zunaj.
Ekonomija
- Ekologija in ekonomija preučujeta vire, odpadke, energijo, hrano in prehrano ter kako odločitve vplivajo na naravo na številnih drugih mestih. Te ideje pravijo, da se osredotočimo na to, kako kupovati lokalno, varčevati z energijo ter zmanjšati, ponovno uporabiti in reciklirati blago, da bi zmanjšali konkurenco med ljudmi. Človeška telesa so po tem mnenju del narave in jih je treba obravnavati kot del ekologije - na primer urbane ekologije mest.
Ekologija
- Globoka ekologija in pravice živali pravita, da bi morala narava obstajati le zase. Človeška morala bi jo morala pustiti pri miru. Ta ideologija pravi, da se je treba osredotočiti le na prizadevanja za ohranjanje habitatov, povečanje biotske raznovrstnosti in moralno kupovanje, da ne bi pomagali poškodovati stvari. Vse to naj bi počeli brez merljivih neposrednih koristi za ljudi, celo za njih same. Ljudje so v tem pogledu, ki je pogosto del religije, bolj kot skrbniki. Postavlja etične omejitve za delovanje znanstvenikov, na primer nasprotuje poskusom na živalih ali gensko spremenjeni hrani. Običajno se obravnava kot nasprotje znanosti in ne kot njen del. Njeni modeli narave običajno niso sprejeti s strani večine znanstvenikov, vendar so pomembni v politiki.
Ohranjanje
Da bi ohranili naravo, aktivisti ekoloških gibanj zdaj sodelujejo v globalni mreži moči. Ta ne vključuje le političnih strank, temveč tudi nevladne organizacije, kot so Greenpeace, Earth First ali World Wide Fund for Nature.
Učinki na zemljevide
Eden od modelov narave, o katerem so se dogovorili, je zemljevid, ki prikazuje ekoregije, ki so naravne meje ekoloških zemljevidov. Na tem zemljevidu je 867 regij, razdeljenih na 8 ekocelic - in še druge, ki so v oceanu.
Učinki na jezik
Večina antropologov se strinja, da je v domorodnih jezikih prisoten majhen model lokalne narave. V arktičnem jeziku je na primer več besed za opis snega, v deževnem gozdu pa več besed za opis zelenih odtenkov. To je eden od razlogov za uporabo ekoloških meja v politiki, saj ljudje, ki ne živijo znotraj meje, ne vidijo ali ne razlikujejo enako o naravi.
Učinki na ljudi
Zelo majhno število ljudi meni, da ljudje narave sploh ne potrebujemo in da lahko nadomestimo vse, kar počne. Da bi jim dokazali, da se motijo, so nekateri ekonomisti izdelali drug model narave:
Ekonomisti preučujejo storitve narave, da bi ugotovili, kako težko bi bilo nadomestiti to, kar narava počne za ljudi. Leta 1995 so dokazali, da so storitve, ki jih narava opravlja za ljudi, dragocenejše od vseh storitev, ki jih ljudje opravljajo drug za drugega po vsem svetu. Vrednost Zemlje kot živega bitja je bila veliko večja, kot bi si lahko privoščili nadomestiti z lastno tehnologijo. O tem ni bilo nobenega pravega nesoglasja.
Če določimo ceno vse vrednosti Zemlje za ljudi, dobimo ogromno število, kar dokazuje, da je cena pravilna, saj moramo postaviti visoko ceno vsemu, česar ne moremo nadomestiti.
Iskati