Hvad er en videnskabelig model? Definition, typer og eksempler
Få en klar forklaring på hvad en videnskabelig model er — definition, typer og konkrete eksempler på hvordan modeller forklarer, forudsiger og simulerer verden.
En videnskabelig model er et forenklet, abstrakt billede af en kompleks virkelighed. Modeller udtrykker centrale antagelser og relationer mellem størrelser, så forskere kan forstå, teste og kommunikere ideer om hvordan tingene hænger sammen. De virker som mentale eller formelle redskaber i forskning og beslutningsprocesser og kan være både kvalitative og kvantitative.
Modeller anvendes som grundlag for videnskabeligt arbejde: de kan bruges til at forklare observationer, forudsige fremtidige hændelser, teste hypoteser og til at udvikle computerprogrammer eller matematiske ligninger som beskriver systemets opførsel. En god model gør komplekse sammenhænge håndterbare ved at fokusere på de vigtigste variable og relationer.
Et konkret eksempel på en kompleks model er den software, der anvendes til vejrudsigter. Programmet bygger på ligninger for de variabler, der påvirker vejret: temperatur, tryk, fugtighed, vind og stråling. Meteorologiske data indlæses fra målinger og satellitter, og programmet producerer forudsigelser i form af grafer og data over fremtidige vejrmønstre. Sådanne modeller kræver også valg af rumlig og tidslig opløsning, initial- og randbetingelser samt kalibrering mod observationer—derfor bruges ofte ensemble-beregninger for at vurdere usikkerheden.
En videnskabelig model repræsenterer komplekse objekter, begivenheder og fysiske processer på en logisk måde. Den forklarer hvordan enkelte dele interagerer, og gør det muligt at afprøve konsekvenserne af ændrede betingelser uden nødvendigvis at udføre dyre eller uføreksperimenter i virkeligheden.
Typer af videnskabelige modeller
- Konceptuelle modeller: Enkle diagrammer eller skitser, der viser relationer og begreber (f.eks. fødekæder eller flowcharts).
- Matematiske modeller: Ligninger og analytiske udtryk, der beskriver sammenhænge kvantitativt (f.eks. populationstilvækst eller Newtons love).
- Computermodeler (numeriske): Programkode, der løser komplekse ligningssystemer ved numeriske metoder (f.eks. klimamodeller eller CFD—computational fluid dynamics).
- Statistiske og probabilistiske modeller: Bruges når data er usikre eller tilfældige; estimerer sandsynligheder og usikkerheder (f.eks. regressionsmodeller, Bayesianske netværk).
- Fysiske/analogiske modeller: Skala-modeller eller laboratorieforsøg, der efterligner et systems adfærd (f.eks. vindtunneller eller modelbygninger).
- Fenomenologiske vs. mekanistiske modeller: Fenomenologiske modeller beskriver observerede relationer uden nødvendigvis at forklare mekanismen; mekanistiske modeller forklarer årsagssammenhænge på komponentniveau.
Hvordan modeller bruges i praksis
- Forklare observationer og give en struktureret forståelse af et fænomen.
- Forudsige fremtidige hændelser eller systemers respons på ændringer (scenarieanalyse).
- Designe eksperimenter og pege på hvilke målinger der er mest informative.
- Understøtte beslutninger i politik, ingeniørarbejde, sundhed og forvaltning ved at sammenligne alternativer.
- Uddannelse og formidling: modeller gør komplekse emner tilgængelige for studerende og offentligheden.
Validering, usikkerhed og begrænsninger
Modeller er altid forenklinger og har begrænsninger, fordi de bygger på antagelser (f.eks. lineæritet, homogene betingelser eller fravær af visse processer). Derfor er det vigtigt at:
- Kalibrere modellen mod observationer og teste dens forudsigelsesevne (validering).
- Udvise og kvantificere usikkerheder gennem følsomhedsanalyser og statistiske metoder.
- Forstå modelens anvendelsesområde—en model kan være korrekt inden for et bestemt skala- eller tidsrum, men misvisende uden for dette.
- Være opmærksom på at simplificeringer kan overse vigtige mekanismer; modeller skal derfor løbende revideres når ny viden eller data fremkommer.
Eksempler på videnskabelige modeller
- Vejr- og klimamodeller (GCM'er): store numeriske modeller, der simulerer atmosfære, hav og land.
- Population- og økosystemmodeller (f.eks. Lotka–Volterra): beskriver interaktioner mellem arter.
- Fysikmodeller (f.eks. Bohrs atommodel eller kvantemekaniske modeller): beskriver mikroskopiske fænomener.
- Økonomiske modeller: analyserer markeders reaktion på politik eller chok.
- Medicinske modeller: simulering af sygdomsspredning (epidemiologiske modeller) eller farmakokinetik.
Kort sagt er en videnskabelig model et værktøj til at reducere kompleksitet, teste ideer og generere forudsigelser. Valg af modeltype og graden af detaljer afhænger altid af formålet: forklaring, forudsigelse, beslutningsstøtte eller undervisning. Gode modeller kombinerer enkelhed med tilstrækkelig realisme og dokumenterer de antagelser, der er lagt til grund.
Eksempel på videnskabelig modellering. En skematisk fremstilling af kemiske processer og transportprocesser i forbindelse med atmosfærens sammensætning.
Eksempler
F.eks. er modeller af vores univers en del af astrofysikken - de største ting i naturen - og fysikken - de mindste ting i naturen. Det er dog normalt ikke det, vi mener med natur. Vi mener de modeller, der studeres inden for biologi, økologi, økonomi, miljøhygiejne og healing. De fleste naturmodeller er af ting, som mennesker virkelig påvirker direkte, og som påvirker mennesker tilbage:
Giftigt affald
Hvis man f.eks. smider giftigt affald i en flod, vil det skade andre længere nede ad floden. Men uden naturmodeller ved vi ikke hvem og kan ikke sige, hvor meget der bliver skadet eller skadet.
Virkninger
Naturmodeller påvirker menneskers beslutningstagning. De er meget vigtige for menneskers sundhed, velvære og økonomi. De har også betydning for etikken, da de fleste mennesker ønsker at reducere den skade, som deres beslutninger forårsager. De har betydning inden for juraen, fordi det kan bevises, at der er sket skade i en domstol.
Skove
Det er meget vanskeligt at genoplive en skov, når den først er nedbrudt. Mindre modeller af dele af naturen hjælper til at forstå, hvor meget der skal være tilbage, så fremtidige generationer også kan bruge naturen.
Virkninger på naturen
På mange måder kan man sige, at mennesket og naturen er i konflikt med hinanden. Naturkapital som jordbund og store sunde træer, som naturen har brug for for at skabe mere af sig selv, er også nyttig for mennesket som naturressourcer. Det er vigtigt at vide, hvor meget der kan hentes ud af naturen, før den dør. Dette er endnu en grund til at have en model:
Naturmodellerne påvirker menneskets liv på tre måder:
Miljøet
- Miljø og velvære handler om menneskers sundhed, helbredelse og ernæring. Disse fokuserer på, hvad der skal ind i menneskets krop eller sanser, og på hvordan man kan forlænge levetiden og øge vitaliteten. Ifølge denne opfattelse afhænger menneskers lykke af, at de er en del af noget levende uden for dem selv. Havearbejde kan f.eks. gøre dem lykkelige, blot ved at fokusere dem på at dyrke og sætte sig selv udenfor.
Økonomi
- Økologi og økonomi undersøger ressourcer, affald, energi, mad og kost, og hvordan valg påvirker naturen mange andre steder. Disse idéer siger, at man skal fokusere på, hvordan man køber lokalt, sparer på energien og reducerer, genbruger og genanvender varer for at mindske konkurrencen mellem mennesker. Ifølge dette synspunkt er menneskekroppen en del af naturen og skal ses som en del af økologien - f.eks. byernes byøkologi.
Økologi
- Dyb økologi og dyrs rettigheder siger, at naturen kun bør eksistere for sig selv. Den menneskelige moral bør handle om at lade den være i fred. Denne ideologi siger, at man kun skal fokusere på at arbejde på at bevare levesteder, øge biodiversiteten og købe moralsk at lade være med til at skade ting. Den siger, at man skal gøre alt dette uden nogen målbar direkte fordel for mennesker, selv for dem selv. Mennesker er mere som plejere i denne opfattelse, som ofte er en del af religionen. Den sætter etiske grænser for videnskabsfolks handlinger, f.eks. argumenterer den mod dyreforsøg eller genetisk modificerede fødevarer. Det ses normalt som en modsætning til videnskaben og ikke som en del af den. Dens naturmodeller accepteres normalt ikke af de fleste videnskabsmænd, men de er vigtige i politik.
Bevaring
For at bevare naturen samarbejder aktivisterne i den økologiske bevægelse nu i et globalt magtnetværk for at bevare naturen. Det omfatter ikke kun politiske partier, men også ngo'er som Greenpeace, Earth First og World Wide Fund for Nature.
Virkninger på kort
En model af naturen, som de er blevet enige om, er et kort, der viser økoregioner, som er de naturlige grænser for økologiske kort. Ifølge dette kort er der 867 regioner fordelt på 8 økozoner - plus andre, som ligger i havet.
Virkninger på sproget
De fleste antropologer er enige om, at de oprindelige sprog har en lille model af den lokale natur i sig. Der vil f.eks. være flere ord til at beskrive sne i et arktisk sprog og flere ord til at beskrive grønne nuancer i en regnskov. Dette er en del af grunden til at bruge økologiske grænser i politik, da folk, der ikke bor inden for grænsen, ikke ser eller foretager de samme sondringer om naturen.
Virkninger på mennesker
Et meget lille antal mennesker mener, at mennesket slet ikke har brug for naturen og kan erstatte alt det, som den gør. For at bevise, at de tager fejl, har nogle økonomer lavet en anden model af naturen:
Økonomer undersøger naturens tjenester for at se, hvor svært det ville være at erstatte det, som naturen gør for mennesket. De viste i 1995, at de tjenester, som naturen yder mennesker, er mere værdifulde end alle de tjenester, som mennesker yder hinanden i hele verden. Jordens værdi som levende væsen var meget større end det, vi nogensinde ville have råd til at erstatte med vores egen teknologi. Der har ikke været nogen reel uenighed om noget af dette.
Når man beregner alle jordens værdier for mennesker, får man et enormt tal - hvilket beviser, at prisfastsættelsen er rigtig, da vi må sætte en høj pris på alt, som vi ikke kan erstatte.
Søge