本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
每年都有新技術被開發出來，使我們能夠測量比以往更小、更冷、更快或更遠的東西。但是，即使有了所有這些技術，有些事情我們仍然無法測量。
如果我們想測量地球核心中的某種屬性呢？ 儘管像《地心搶險記》這樣的電影可能會暗示，科學家們不能直接去那裡並採集樣本。
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
如果我們想了解輻射在暴露 50 年後如何影響材料呢？ 我們不想設定一個實驗，然後必須等待 50 年才能得到答案。
這就是模型的用武之地。
模型是對真實物體或系統的近似，它整合了來自現實世界測量的的資訊，並用它來預測該物體或系統在新條件下的行為。
你每天都在接觸模型。 其中一些是科學的，例如氣象學家用來預測天氣的模型。 有些則更個人化，例如你用來嘗試預測當你告訴你你弄壞了她複製的宇宙飛船時，你姐姐會作何反應的心理模型。 這兩者都攝取資料——天氣系統或你姐姐過去的表現——來預測將該系統暴露於新輸入（冷鋒或損壞的宇宙飛船）的效果。
為了製作儘可能準確的模型，科學家在建立模型時需要儘可能多地考慮資料。 一旦構建了一個好的模型，研究人員就可以使用它來測試許多不同的場景。
想想 1962 年三名男子試圖從阿爾卡特拉斯監獄越獄的例子。 這座監獄位於舊金山灣的一個岩石島嶼上，曾被認為是不可能逃脫的。 它被冰冷的海水和非常強大的水流所環繞，這些水流很容易將你捲入大海。 但在 1962 年 6 月 12 日，三名囚犯用大約 55 件雨衣製作了一個木筏，試圖划槳上岸。 除了在天使島附近發現的一根槳外，他們再也沒有出現，也沒有人聽到他們的訊息。 許多人想知道他們是否有可能倖存下來。
《流言終結者》是著名的電視節目主持人，他們在節目中戲劇性地對爭議進行測試，曾以其特有的風格嘗試測試這種逃脫是否可能：他們用雨衣製作了一個木筏，並拍攝了自己嘗試划到岸邊的過程。 儘管他們成功了，並且他們盡力重現了當時的條件——包括雨衣木筏——但他們仍然只能測試一種特定的情景。
現在考慮一下一組科學家，他們為了研究而建立了一個高度複雜的舊金山灣模型。 他們正在調查海平面變化或洪水可能對居住在灣區數十萬居民產生的潛在影響。 該模型具有關於海灣底部、陸地地形的複雜細節，甚至可以考慮水流和一天中的時間。 研究人員需要這種程度的細節才能預測未來的狀況。
在觀看了《流言終結者》關於阿爾卡特拉斯的劇集後，其中一位研究人員意識到他們也可以使用他們的模型來檢視過去的特定時刻——例如囚犯逃脫的時刻。
沒有人確切知道囚犯們是什麼時候乘船離開的，但普遍認為是在 1962 年 6 月 12 日天黑後的某個時間。 研究人員將逃脫當晚潮汐計的水流資訊整合到他們的模型中。 與《流言終結者》不同，他們不侷限於一次測試一艘船。 他們實際上一次從島嶼周圍眾多可能的逃生點釋放了 50 艘虛擬船，甚至將划槳的影響納入了他們的模擬中。
透過從晚上 8 點到凌晨 4 點每 30 分鐘釋放一組 50 艘“船”，他們能夠測試數百種可能性。 對於在晚上 11 點之前釋放的任何逃生船——這之前是最普遍認為的逃生時間範圍——研究人員表示，囚犯的生存機會“實際上為零”。
晚上 11 點到午夜之間的情況就不同了。 在那個時間視窗內，水流本可以讓囚犯到達金門大橋北端的馬蹄灣。 同樣的水流也會將碎片——比如廢棄的槳——帶到天使島——槳就是在 1962 年在那裡被發現的。 他們的模型影片中最佳和最壞情況的場景可以在這裡和這裡找到。
儘管這不能精確地確定發生了什麼，並且在許多方面與《流言終結者》的測試相符，但這些結果為三名囚犯面臨的關鍵時間和狹窄的生存視窗提供了重要的更深入的見解。 要以《流言終結者》的方式進行此類研究，將需要約 800 個木筏，由約 44,000 件雨衣製成。
除了關於海平面上升的問題，或與越獄相關的相關問題之外，科學家們還在使用模型來了解其他高度複雜且難以測試的系統。
以飛機為例。 用於製造飛機的材料都經過仔細測試，以確保它們能在空中儘可能地保障我們的安全。 但現在許多飛機都有使用了幾十年的部件，並且已經暴露在飛行數千次的應力和條件下。 科學家們試圖測試這些老化材料，以確保這些變化仍然能保證我們的安全。 但這些科學家也知道，影響鋁在那麼長時間後的許多過程實際上是從構成鋁合金本身的原子尺度開始的。
在每次飛行前，在原子尺度上檢查每架飛機的每個部件是否損壞是不可能的。 甚至不可能檢查整架飛機上的那種損壞並使其再次飛行，因此研究人員使用模型來找出最重要的檢查部位，並確定最有可能出現問題的時間。 透過使用模型，研究人員可以模擬原子尺度上可能在幾天、幾周甚至幾年內發生的變化。
你可以很容易地親自看到模型在試圖理解你可能無法測量的事物時變得多麼有用。 想想一下，扔下一個籃球，測量第一次彈跳，並將其與你最初扔球的高度進行比較。 你可能可以測量一英尺或兩英尺，甚至六英尺的高度。 如果你有梯子或高樓梯，也許你甚至可以測量十英尺的高度。
但是，如果你想知道從 80 英尺高的地方扔下籃球會怎麼樣呢？ 即使你能找到那麼高的建築物來扔球，你如何準確地測量彈跳高度？ 150 英尺呢？ 還是 200 英尺？ 很快，這個問題就變得不切實際，但並非不可能。
想想你如何製作自己的模型。 從你可以進行的測量開始——在 1 英尺、2 英尺、3 英尺、4 英尺和 5 英尺處——並製作一個圖表。 它是否形成一條清晰的線？ 是一條曲線嗎？ 你能看出來嗎？ 新增更多測量值——1.5 英尺、2.5 英尺，甚至在一些幫助下達到 8 英尺。 模式是否變得更清晰？ 看看你能估算出從 20 英尺高的地方扔下籃球的第一次彈跳會是什麼樣子。 你認為是什麼阻礙了你的模型？ 是否可能存在一個高度限制，超過這個高度，掉落的籃球的行為可能會發生變化？ 為什麼會這樣？
請記住，你一直在使用模型來理解你周圍的系統，但是透過仔細的測量和大量的資料，這些模型可以變得足夠複雜，可以預測重要的事件，例如地震或流感在你社群的傳播。 開始尋找你每天使用的模型，你可能會驚訝地發現你找到了多少模型。
來源
Sumner, T. (2014年12月17日) 阿爾卡特拉斯越獄者可能已安全上岸。 檢索自 https://www.sciencenews.org/article/alcatraz-escapees-could-have-made-it-safely-shore
F. Baart 等人。 重建阿爾卡特拉斯越獄。 美國地球物理聯合會年度秋季會議，舊金山，2014年12月16日。 美國地球物理聯合會。(2014) 1962 年阿爾卡特拉斯越獄是可能的 [新聞稿]。 檢索自 http://fallmeeting.agu.org/2014/press-item/press-release-the-1962-alcatraz-escape-was-possible/
美國地球物理聯合會。(2014) 1962 年阿爾卡特拉斯越獄是可能的 [新聞稿]。 檢索自 http://fallmeeting.agu.org/2014/press-item/press-release-the-1962-alcatraz-escape-was-possible/
Baker, K.L. & Warner, D.H. (2014) 鋁合金近閾值疲勞裂紋擴充套件性質的原子研究。《工程斷裂力學》。115 doi:10.1016/j.engfracmech.2013.10.019
電子海報：https://agu.confex.com/agu/fm14/meetingapp.cgi#https://agu.confex.com/data/handout/agu/fm14/Paper_25480_handout_563_0.pdf （經 Rolf Hut 許可）
圖片來源：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
電子海報：https://agu.confex.com/agu/fm14/meetingapp.cgi#https://agu.confex.com/data/handout/agu/fm14/Paper_25480_handout_563_0.pdf （經 Rolf Hut 許可）