什么是科学模型？

要点
• 模型是一种抽象出复杂系统各个部分的方法，以便更容易理解它。
• 最好的预测模型是数学模型，这使得定量技能对科学至关重要。
• 新模型可能会试图弥合复杂的科学模型和简单的外行解释之间的差距。
通俗地说，模型是指你建造、把玩、观察并与更大、更复杂的东西联系在一起的东西。或者它是一个工作是展示产品或想法的人。两者都有自己的用处：模型飞机具有全尺寸飞机的一些重要特征，但随身携带要容易得多（也更便宜）。按照不同的思路，服装模型可以帮助你了解某样东西是如何合身、外观、移动的，并向一些观众展示可购买的产品。这个词的不同用法可能看起来像一个模型有很多东西，但从本质上讲，模型只是其他东西的简化或例子，通常是为了让“其他东西”更容易理解。
在过去的几年里，科学模型已经成为人们关注的焦点，尤其是在气候变化、飓风或新冠病毒等热点问题上。它们仍然有一种神秘的气氛，部分原因是大多数人无法理解它们是如何工作的，我们为什么使用它们，或者创建和使用它们到底需要什么。如果模型是为了简化世界，那么为什么它们不简单呢？
简而言之，模型是我们想要理解的东西和我们理解它们的能力之间的桥梁。它们让我们把极其复杂的东西分解成不同的参数或方面，我们可以操纵和处理这些参数或方面，以弄清楚复杂的东西是如何工作的。尤其是当我们处理相互关联且难以简化为独立组成部分的系统时，模型允许我们一次至少看一块。
模型可以像一个非常好的隐喻一样简单明了。例如，人类的记忆有时被“建模”成录音机、地铁地图、鸟舍（柏拉图）、钱包、计算机程序、肌肉，甚至牛肚。每个隐喻都抓住了它试图阐明的事物（记忆）的一些基本属性，把差异放在一边，这样思想就可以被娱乐足够长的时间来获得一些新的洞察力。没有一个隐喻真正抓住了人类记忆的全部，但是它们足够有效地帮助我们了解大脑是如何工作的。

变得复杂
问题是，这些隐喻模型只能让我们到此为止。要开始真正预测事物，我们需要开始做数学。尽管我们中的许多人可能讨厌数学，但数学绝对是我们得出预测的最佳工具，它让我们可以清楚地与彼此交流，也可以与科学事业中一些最重要的合作伙伴——我们的计算机——交流。你的计算机使用1和0的二进制语言进行所有建模，这意味着你想要帮助的任何问题——现实世界的问题——都需要抽象成数学问题。
这总是意味着做一些简化的假设或者忽略你想建模的东西的一些属性。就像模型飞机不能有功能齐全的喷气式飞机或机组人员一样，我们的大脑或天气模型必须忽略我们想理解的东西的某些部分。
这就是问题所在——忽略或假设我们想要理解的部分内容会让模型变得更简单，但它会降低对你想要建模的东西的忠诚度。做出无效的假设或简化会给模型带来偏见。它变得越简单，偏见就越多，模型在预测它试图近似的真实系统的行为方面就越差。因此，易于理解的模型通常是不准确的。科学家们必须在简单和偏见之间进行权衡，或者拥有一个复杂到无法使用的模型（或者可以预测任何事情，甚至是错误的答案！）。

为什么是模型？
在相互交谈时，我们可以使用极其复杂的模型，并消除模型中的许多假设。但是，当科学家试图交流一些事情时——比如为什么有人应该为飓风撤离，或者为什么他们应该在新冠疫情期间戴口罩——很难将复杂的模型转化为简单到每个人都能理解的东西。这就是为什么建立对科学的信任如此重要——有时我们无法向你解释模型预测某事的所有细节（为什么我需要使用更少的水？或者接种疫苗？）。
在对科学和科学家的信任似乎岌岌可危的时候，思考这种平衡很重要。我们的科学比以往任何时候都更加先进，但这伴随着在复杂模型（对科学家来说）和简单模型（对其他人来说）之间转换的挑战。我们越能想出不同的模型来弥合我们试图理解的困难事物和致力于理解它们的人——或者至少是那些会受到天气、大脑或疾病等因素影响的人——之间的差距，我们就会越强大。这使得模型成为我们可以开发的最重要的东西之一。希望对它们的更深入理解将使科学更容易支持和交流。