本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
每年都有新技术被开发出来，使我们能够测量比以往更小、更冷、更快或更远的东西。但是，即使有了所有这些技术，有些事情我们仍然无法测量。
如果我们想测量地球核心中的某种属性呢？ 尽管像《地心抢险记》这样的电影可能会暗示，科学家们不能直接去那里并采集样本。
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如果我们想了解辐射在暴露 50 年后如何影响材料呢？ 我们不想设置一个实验，然后必须等待 50 年才能得到答案。
这就是模型的用武之地。
模型是对真实物体或系统的近似，它整合了来自现实世界测量的的信息，并用它来预测该物体或系统在新条件下的行为。
你每天都在接触模型。 其中一些是科学的，例如气象学家用来预测天气的模型。 有些则更个人化，例如你用来尝试预测当你告诉你你弄坏了她复制的宇宙飞船时，你姐姐会作何反应的心理模型。 这两者都摄取数据——天气系统或你姐姐过去的表现——来预测将该系统暴露于新输入（冷锋或损坏的宇宙飞船）的效果。
为了制作尽可能准确的模型，科学家在创建模型时需要尽可能多地考虑数据。 一旦构建了一个好的模型，研究人员就可以使用它来测试许多不同的场景。
想想 1962 年三名男子试图从阿尔卡特拉斯监狱越狱的例子。 这座监狱位于旧金山湾的一个岩石岛屿上，曾被认为是不可能逃脱的。 它被冰冷的海水和非常强大的水流所环绕，这些水流很容易将你卷入大海。 但在 1962 年 6 月 12 日，三名囚犯用大约 55 件雨衣制作了一个木筏，试图划桨上岸。 除了在天使岛附近发现的一根桨外，他们再也没有出现，也没有人听到他们的消息。 许多人想知道他们是否有可能幸存下来。
《流言终结者》是著名的电视节目主持人，他们在节目中戏剧性地对争议进行测试，曾以其特有的风格尝试测试这种逃脱是否可能：他们用雨衣制作了一个木筏，并拍摄了自己尝试划到岸边的过程。 尽管他们成功了，并且他们尽力重现了当时的条件——包括雨衣木筏——但他们仍然只能测试一种特定的情景。
现在考虑一下一组科学家，他们为了研究而创建了一个高度复杂的旧金山湾模型。 他们正在调查海平面变化或洪水可能对居住在湾区数十万居民产生的潜在影响。 该模型具有关于海湾底部、陆地地形的复杂细节，甚至可以考虑水流和一天中的时间。 研究人员需要这种程度的细节才能预测未来的状况。
在观看了《流言终结者》关于阿尔卡特拉斯的剧集后，其中一位研究人员意识到他们也可以使用他们的模型来查看过去的特定时刻——例如囚犯逃脱的时刻。
没有人确切知道囚犯们是什么时候乘船离开的，但普遍认为是在 1962 年 6 月 12 日天黑后的某个时间。 研究人员将逃脱当晚潮汐计的水流信息整合到他们的模型中。 与《流言终结者》不同，他们不局限于一次测试一艘船。 他们实际上一次从岛屿周围众多可能的逃生点释放了 50 艘虚拟船，甚至将划桨的影响纳入了他们的模拟中。
通过从晚上 8 点到凌晨 4 点每 30 分钟释放一组 50 艘“船”，他们能够测试数百种可能性。 对于在晚上 11 点之前释放的任何逃生船——这之前是最普遍认为的逃生时间范围——研究人员表示，囚犯的生存机会“实际上为零”。
晚上 11 点到午夜之间的情况就不同了。 在那个时间窗口内，水流本可以让囚犯到达金门大桥北端的马蹄湾。 同样的水流也会将碎片——比如废弃的桨——带到天使岛——桨就是在 1962 年在那里被发现的。 他们的模型视频中最佳和最坏情况的场景可以在这里和这里找到。
尽管这不能精确地确定发生了什么，并且在许多方面与《流言终结者》的测试相符，但这些结果为三名囚犯面临的关键时间和狭窄的生存窗口提供了重要的更深入的见解。 要以《流言终结者》的方式进行此类研究，将需要约 800 个木筏，由约 44,000 件雨衣制成。
除了关于海平面上升的问题，或与越狱相关的相关问题之外，科学家们还在使用模型来了解其他高度复杂且难以测试的系统。
以飞机为例。 用于制造飞机的材料都经过仔细测试，以确保它们能在空中尽可能地保障我们的安全。 但现在许多飞机都有使用了几十年的部件，并且已经暴露在飞行数千次的应力和条件下。 科学家们试图测试这些老化材料，以确保这些变化仍然能保证我们的安全。 但这些科学家也知道，影响铝在那么长时间后的许多过程实际上是从构成铝合金本身的原子尺度开始的。
在每次飞行前，在原子尺度上检查每架飞机的每个部件是否损坏是不可能的。 甚至不可能检查整架飞机上的那种损坏并使其再次飞行，因此研究人员使用模型来找出最重要的检查部位，并确定最有可能出现问题的时间。 通过使用模型，研究人员可以模拟原子尺度上可能在几天、几周甚至几年内发生的变化。
你可以很容易地亲自看到模型在试图理解你可能无法测量的事物时变得多么有用。 想想一下，扔下一个篮球，测量第一次弹跳，并将其与你最初扔球的高度进行比较。 你可能可以测量一英尺或两英尺，甚至六英尺的高度。 如果你有梯子或高楼梯，也许你甚至可以测量十英尺的高度。
但是，如果你想知道从 80 英尺高的地方扔下篮球会怎么样呢？ 即使你能找到那么高的建筑物来扔球，你如何准确地测量弹跳高度？ 150 英尺呢？ 还是 200 英尺？ 很快，这个问题就变得不切实际，但并非不可能。
想想你如何制作自己的模型。 从你可以进行的测量开始——在 1 英尺、2 英尺、3 英尺、4 英尺和 5 英尺处——并制作一个图表。 它是否形成一条清晰的线？ 是一条曲线吗？ 你能看出来吗？ 添加更多测量值——1.5 英尺、2.5 英尺，甚至在一些帮助下达到 8 英尺。 模式是否变得更清晰？ 看看你能估算出从 20 英尺高的地方扔下篮球的第一次弹跳会是什么样子。 你认为是什么阻碍了你的模型？ 是否可能存在一个高度限制，超过这个高度，掉落的篮球的行为可能会发生变化？ 为什么会这样？
请记住，你一直在使用模型来理解你周围的系统，但是通过仔细的测量和大量的数据，这些模型可以变得足够复杂，可以预测重要的事件，例如地震或流感在你社区的传播。 开始寻找你每天使用的模型，你可能会惊讶地发现你找到了多少模型。
来源
Sumner, T. (2014年12月17日) 阿尔卡特拉斯越狱者可能已安全上岸。 检索自 https://www.sciencenews.org/article/alcatraz-escapees-could-have-made-it-safely-shore
F. Baart 等人。 重建阿尔卡特拉斯越狱。 美国地球物理联合会年度秋季会议，旧金山，2014年12月16日。 美国地球物理联合会。(2014) 1962 年阿尔卡特拉斯越狱是可能的 [新闻稿]。 检索自 http://fallmeeting.agu.org/2014/press-item/press-release-the-1962-alcatraz-escape-was-possible/
美国地球物理联合会。(2014) 1962 年阿尔卡特拉斯越狱是可能的 [新闻稿]。 检索自 http://fallmeeting.agu.org/2014/press-item/press-release-the-1962-alcatraz-escape-was-possible/
Baker, K.L. & Warner, D.H. (2014) 铝合金近阈值疲劳裂纹扩展性质的原子研究。《工程断裂力学》。115 doi:10.1016/j.engfracmech.2013.10.019
电子海报：https://agu.confex.com/agu/fm14/meetingapp.cgi#https://agu.confex.com/data/handout/agu/fm14/Paper_25480_handout_563_0.pdf （经 Rolf Hut 许可）
图片来源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bouncing_ball_strobe_edit.jpg?uselang=en-gb
“AA 和 SAS 767”，作者：Lars Söderström
http://commons.wikimedia.org/wiki/Alcatraz#mediaviewer/File:LocationAlcatraz.svg
http://commons.wikimedia.org/wiki/Alcatraz#mediaviewer/File:Alcatraz_pano_MC.jpg
电子海报：https://agu.confex.com/agu/fm14/meetingapp.cgi#https://agu.confex.com/data/handout/agu/fm14/Paper_25480_handout_563_0.pdf （经 Rolf Hut 许可）