自然科學:科學三大領域之一-中文百科頻道

簡介

自然科學是研究自然界的物質形态、結構、性質和運動規律的科學。它包括物理學、化學、生物學、天文學、地球科學等基礎科學和醫學、農學、氣象學、材料學等應用科學，它是人類改造自然的實踐經驗即生産鬥争經驗的總結。它的發展取決于生産的發展。

原始社會中，人類對自然界的鬥争，因生産工具簡單、粗笨，還受到原始宗教及其他意識的影響，自然科學的發展是緩慢的。不過，人類取得的每一個科技進步，都推動了生産的發展，同時又促進自然科學知識的不斷積累，預示着科技的新突破。因此，盡管當時的人們尚處于蒙昧與野蠻狀态，他們在與自然界的鬥争的過程中，以辛勤的勞動與聰明智慧，不斷地推動着科學技術的發展。

西班牙塔拉戈納市附近莫利·德·賽特（Molí del Salt）古人類遺址，西班牙羅維拉·維爾吉利大學（Universitat Rovira i Virgili）和加泰羅尼亞人類古生态學與社會進化研究所（the Catalan Institute of Human Paleoecology and Social Evolution）共同合作的一項考古研究表明，舊石器時代晚期的人類已開始循環使用石器類生活用品。該研究結論發表在最新一期美國《考古學期刊》（Journal of Archaeological Science）上。

研究人員是在對西班牙塔拉戈納市附近莫利·德·賽特（Molí del Salt）古人類遺址出土的燃燒過的石器制品進行研究後得出上述結論的。他們認為，這些燃燒過的石器制品可以用來判斷循環利用前後石器的不同形态。研究結果表明，循環利用生活用品的現象在舊石器時代晚期已十分普遍。這種循環利用的行為主要是為了應急。研究表明，舊石器時代晚期，人們在日常生活中遇到緊急情況時，為了避免因四處尋找制作工具的材料而浪費時間，開始選擇使用此前在當地居住的部落遺棄的工具進行加工。這也成為當時的人們選擇居住地所要考慮的因素之一。

方位的确定對人們的生産、生活有着重要的意義，故人們很早就掌握了方位的辨别知識。他們從日出、日落及日落後北鬥等星體出現的規律中探索出東南西北的不同方位。他們在營造房舍、埋葬死者時，都注意到朝向。例如住房的朝向大多選擇南向；同一個墓地，甚至同一個考古學文化的不同墓地中，絕大多數死者的頭都朝着同一個方向。雖然其中有些朝向與正方向（正南、正北等）略有偏差，基本方向都是不變的（少數不同方向的墓葬，應與死因有關）。如西安半坡墓地中墓葬的排列十分整齊，它們的方向基本一緻，略有偏差者也與正西方向相差不超過20°。在年代更早的新鄭裴李崗墓地清理的114座墓葬，均為長方形豎穴墓，排列密集，很有規律，所有頭向均朝南或稍偏西。這些事例說明，距今8000年前的人們就已基本掌握了定向的方法。

一般認為，古希臘人泰勒斯、亞裡士多德是自然科學的創始人，伽利略·伽利雷是将實驗引入自然科學的首倡人。18世紀以前歐洲自然科學與哲學幾乎不可分開，勒内·笛卡爾、戈特弗裡德·威廉·萊布尼茨、約翰·洛克等等著名的哲學家同時也是自然科學家。在自然科學發展的早期，對自然物體或者分類的系統研究稱之為自然曆史（英文：natural history，拉丁文：historia naturalis）。

分支

生物學

主要文章：生物學與生物學概論§生物學分支

該領域涉及檢查與生物體有關的現象的各種學科。研究範圍可以從子組成部分的生物物理學到複雜的生态學。生物學關注的特點，分類和行為的生物體，以及如何物種形成以及它們與彼此的交互環境。

植物學，動物學和醫學的生物學領域可以追溯到文明的早期，而微生物學是在顯微鏡的發明于17世紀引入的。但是，直到19世紀，生物學才成為一門統一的科學。一旦科學家發現了所有生物之間的共性，便決定最好對它們進行整體研究。

生物學的一些重要進展是遺傳學的發現;通過自然選擇進化;在細胞或有機分子層面上，疾病的生殖理論和化學和物理技術的應用。

現代生物學按生物的類型和所研究的規模分為子學科。分子生物學是生命基本化學的研究，而細胞生物學是細胞的研究。所有生命的基本組成部分。在較高的層次上，解剖學和生理學着眼于生物體的内部結構及其功能，而生态學着眼于各種生物體之間的相互關系。

地球科學

主要文章：地球科學和地球科學概述§地球科學的分支

地球科學（又稱地球科學）是與地球有關的科學的一個全方位的術語，包括地質，地理，地球物理學，地球化學，氣候學，冰川學，水文學，氣象學和海洋學。

盡管在整個文明曆史中采礦和寶石一直是人類的利益，但是直到18世紀才出現了有關經濟地質學和礦物學的科學發展。對地球的研究，特别是對古生物學的研究，始于19世紀。20世紀，地球物理學等其他學科的發展導緻了1960年代闆塊構造理論的發展，它對地球科學的影響與進化論對生物學的影響類似。當今的地球科學與石油和礦産資源有着緊密的聯系，氣候研究和對環境的評估和補救。

大氣科學

主條目：大氣科學

盡管有時與地球科學結合起來考慮，但由于其概念，技術和實踐的獨立發展以及它的機翼下有衆多子學科的事實，大氣科學也被認為是自然科學的一個獨立分支。科學。該領域研究了從地面到空間邊緣的大氣不同層的特征。研究的時間範圍也從幾天到幾個世紀不等。有時，該領域還包括研究地球以外的行星的氣候模式。

海洋學

主條目：海洋學

嚴肅的海洋研究始于20世紀中葉。作為自然科學領域，它相對較年輕，但是獨立程序提供該學科的專業化知識。盡管關于該領域在地球科學，跨學科科學或作為其自身權利中的單獨領域的分類方面仍存在争議，但該領域的大多數現代工作者都同意該領域已經成熟到擁有自己的範式和實踐的狀态。正因為如此，橫跨海洋各個方面的大量相關研究現已歸入這一領域。

化學

主要文章：化學與化學概述§化學分支

化學構成了原子和分子尺度的物質科學研究，主要處理原子的集合，例如氣體，分子，晶體和金屬。研究了這些物質的組成，統計性質，轉化和反應。化學還涉及理解用于更大規模應用的單個原子和分子的性質和相互作用。

大多數化學過程可以在實驗室中直接進行研究，使用一系列（通常經過充分測試）操縱材料的技術以及對基本過程的理解。化學因其在連接其他自然科學中的作用而常被稱為“中央科學”。

早期的化學實驗起源于煉金術系統，這是将神秘主義與物理實驗結合在一起的一套信念。化學科學随着氣體發現者羅伯特·博伊爾（Robert Boyle）和發展質量守恒理論的安托萬·拉瓦西耶（Antoine Lavoisier）的工作而開始發展。

化學元素和原子理論的發現開始使這一科學系統化，研究人員對物質，離子，化學鍵和化學反應的狀态有了基本的了解。該科學的成功導緻了互補的化學工業，該化學工業現在在世界經濟中發揮着重要作用。

物理學

主要文章：物理學與物理學概論§物理學分支

物理學體現了對宇宙基本組成部分，它們相互施加的作用力和相互作用以及這些相互作用産生的結果的研究。通常，物理學被視為基礎科學，因為所有其他自然科學都使用并遵守該領域設定的原理和定律。物理在很大程度上依賴數學作為制定和量化原理的邏輯框架。

對宇宙原理的研究由來已久，并且很大程度上源于直接的觀察和實驗。從一開始，關于宇宙支配律的理論的形成就一直是物理學研究的中心，而哲學則逐漸屈服于系統的，定量的實驗測試和觀察作為驗證的來源。在物理學中的關鍵曆史發展包括艾薩克·牛頓的萬有引力理論和經典力學，的理解電力及其與磁性，愛因斯坦的理論特别和廣義相對論，熱力學的發展以及原子和亞原子物理學的量子力學模型。

物理學領域極為廣泛，可以包括諸如量子力學和理論物理學，應用物理學和光學等多種研究。現代物理學正變得越來越專業化，研究人員傾向于專注于特定領域，而不是像艾薩克·牛頓，艾伯特·愛因斯坦和列夫·蘭道那樣在多個領域工作的“普世主義者” 。

天文學

主要文章：天文學和天文學綱要§天文學的分支

天文學是研究天體和現象的自然科學。感興趣的對象包括行星，衛星，恒星，星雲，星系和彗星。天文學是對地球大氣層以外的宇宙中所有事物的研究。其中包括我們可以用肉眼看到的物體。天文學是最古老的科學之一。

早期文明的天文學家對夜空進行了有條不紊的觀察，并且從更早的時期就已經發現了天文文物。天文學有兩種類型，觀測天文學和理論天文學。觀測天文學側重于獲取和分析數據，主要使用物理學的基本原理，而理論天文學則以開發描述天文物體和現象的計算機或分析模型為導向。

這門學科是起源于地球大氣之外的天體和現象的科學。它涉及天體的演化，物理，化學，氣象和天體運動，以及宇宙的形成和發展。

天文學包括對恒星，行星，彗星的檢查，研究和建模。天文學家使用的大多數信息都是通過遠程觀察收集的，盡管已經對天象進行了一些實驗室複制（例如星際介質的分子化學）。

雖然研究天體特征和現象的起源可以追溯到上古時代，但該領域的科學方法卻在17世紀中葉開始發展。一個關鍵因素是伽利略（Galileo）引入望遠鏡以更詳細地檢查夜空。

天文學的數學處理是從牛頓的天體力學和引力定律的發展開始的，盡管它是由開普勒等天文學家的早期工作引發的。到19世紀，天文學已經發展成為一門形式科學，它引入了諸如分光鏡和攝影機之類的儀器，以及經過大幅度改進的望遠鏡和專業天文台的創建。

跨學科研究

概論

自然科學學科之間的區别并不總是很明顯，它們共享許多交叉學科領域。物理學在其他自然科學中發揮着重要作用，以天體物理學，地球物理學，化學物理學和生物物理學為代表。同樣，化學也以生物化學，化學生物學，地球化學和天體化學等領域為代表。

環境科學是借鑒多種自然科學的科學學科的一個特殊例子。該領域的研究物理，化學，地質，以及之間的相互作用的生物成分的的環境，特别是關于人類活動的影響，對影響生物多樣性和可持續發展。該科學還借鑒了其他領域的專業知識，例如經濟學，法律和社會科學。

海洋學是一門可比的學科，因為它借鑒了相似的科學學科的廣度。海洋學被細分為更專業的跨學科，例如物理海洋學和海洋生物學。由于海洋生态系統非常龐大且多樣化，因此海洋生物學被進一步細分為許多子領域，包括特定物種的專長。

還有一個跨學科領域的子集，由于其所解決的問題的性質，它們具有與專業化背道而馳的強大潮流。換句話說，在集成應用程序的某些領域中，多個領域的專家是大多數對話的關鍵部分。例如，此類綜合領域包括納米科學，天體生物學和複雜的系統信息學。

材料科學

主條目：材料科學

材料科學是一個相對較新的跨學科領域，涉及物質及其特性的研究。以及新材料的發現和設計。最初是通過冶金學領域發展起來的，對材料和固體性質的研究現已擴展到所有材料。該領域涵蓋材料的化學，物理和工程應用，包括金屬，陶瓷，人造聚合物等。該領域的核心涉及具有屬性的材料的相關結構。

它處于科學與工程研究的最前沿。這是法醫工程（調查無法運行，無法正常運行的功能，材料，産品，結構或組件，造成人身傷害或财産損失）和故障分析的重要組成部分，而故障分析是理解，例如，各種航空事故的原因。當今面臨的許多最緊迫的科學問題是由于可用材料的局限性所緻，因此，該領域的突破可能會對技術的未來産生重大影響。

材料科學的基礎涉及研究材料的結構，并将其與它們的特性相關聯。一旦材料科學家了解了這種結構-特性的相關性，他們便可以繼續研究材料在特定應用中的相對性能。材料結構及其性能的主要決定因素是其組成化學元素以及将其加工成最終形式的方式。這些特性通過熱力學和動力學定律結合在一起并相互關聯，支配着材料的微觀結構，進而決定了材料的性能。

與社會科學聯系

區别

自然科學通常是客觀的，而社會科學是主觀的，同時也是有不同立場的。自然科學含括了許多領域的研究，自然科學通常試圖解釋世界是依照自然程序而運作，而非經由超自然的方式，其實建立于敬畏宇宙自然本身。自然科學一詞也是用來定位“科學”是遵守科學方法的一個學科。自然科學（natural science）是研究無機自然界和包括人的生物屬性在内的有機自然界的各門科學的總稱。其認識的對象是整個自然界，即自然界物質的各種類型、狀态、屬性及運動形式。其認識的任務在于揭示自然界發生的現象和過程的實質，進而把握這些現象和過程的規律性，并預見新的現象和過程，為在社會實踐中合理而有目的地利用自然界的規律開辟各種可能的途徑。

社會科學是關于社會事物的本質及其規律的科學。社會科學是科學化的研究人類社會現象的科學。如社會學研究人類社會（主要是當代），政治學研究政治、政策和有關的活動，經濟學研究資源分配。廣義的“社會科學”，它是人文科學和社會科學的統稱，包括了人文科學。

聯系

在現代科學的發展進程中，新科技革命為社會科學的研究提供了新的方法手段，社會科學與自然科學相互滲透，相互聯系的趨勢日益加強。

科學實驗法

科學實驗、生産實踐和社會實踐并稱為人類的三大實踐活動。實踐不僅是理論的源泉，而且也是檢驗理論正确與否的惟一标準，科學實驗就是自然科學理論的源泉和檢驗标準。特别是現代自然科學研究中，任何新的發現、新的發明、新的理論的提出都必須以能夠重現的實驗結果為依據，否則就不能被他人所接受，甚至連已發表的學術論文都可能被撤稿。即便是一個純粹的理論研究者，他也必須對他所關注的實驗結果，甚至實驗過程有相當深入的了解才行。因此，可以說，科學實驗是自然科學發展中極為重要的活動和研究方法。

數學方法

數學方法有兩個不同的概念，在方法論全書中的數學方法指研究和發展數學時的思想方法，而這裡所要闡述的數學方法則是在自然科學研究中經常采用的一種思想方法，其内涵是；它是科學抽象的一種思維方法，其根本特點在于撇開研究對象的其他一切特性，隻抽取出各種量、量的變化及各量之間的關系，也就是在符合客觀的前提下，使科學概念或原理符号化、公式化，利用數學語言（即數學工具）對符号進行邏輯推導、運算、演算和量的分析，以形成對研究對象的數學解釋和預測，從量的方面揭示研究對象的規律性。這種特殊的抽象方法，稱為數學方法。

系統科學方法

系統科學是關于系統及其演化規律的科學。盡管這門學科自20世紀上半葉才産生，但由于其具有廣泛的應用價值，發展十分迅速，現已成為一個包括衆多分支的科學領域。它包括有：一般系統論、控制論、信息論、系統工程、大系統理論、系統動力學、運籌學、博弈論、耗散結構理論、協同學、超循環理論、一般生命系統論、社會系統論、泛系分析、灰色系統理論等分支。這些分支，各自研究不同的系統。自然界本身就是一個無限大、無限複雜的系統，在自然界中包括着許許多多不同的系統，系統是一種普遍存在。

一切事物和過程都可以看作組織性程度不同的系統，從而使系統科學的原理具有一般性和較高的普遍性。利用系統科學的原理，研究各種系統的結構、功能及其進化的規律，稱為系統科學方法，它已得到各研究領域的廣泛應用，目前尤其在生物學領域（生态系統）和經濟領域（經濟管理系統）中的應用最為引人注目。系統科學研究有兩個基本特點：其一是它與工程技術、經濟建設、企業管理、環境科學等聯系密切，具有很強的應用性；其二是它的理論基礎不僅是系統論，而且還依賴于各有關的專門學科，與現代一些數學分支學科有密切關系。正因為如此，人們認為系統科學方法一般指研究系統的數學模型及系統的結構和設計方法。