自然科学:科学三大领域之一-中文百科频道

简介

自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。它包括物理学、化学、生物学、天文学、地球科学等基础科学和医学、农学、气象学、材料学等应用科学，它是人类改造自然的实践经验即生产斗争经验的总结。它的发展取决于生产的发展。

原始社会中，人类对自然界的斗争，因生产工具简单、粗笨，还受到原始宗教及其他意识的影响，自然科学的发展是缓慢的。不过，人类取得的每一个科技进步，都推动了生产的发展，同时又促进自然科学知识的不断积累，预示着科技的新突破。因此，尽管当时的人们尚处于蒙昧与野蛮状态，他们在与自然界的斗争的过程中，以辛勤的劳动与聪明智慧，不断地推动着科学技术的发展。

西班牙塔拉戈纳市附近莫利·德·赛特（Molí del Salt）古人类遗址，西班牙罗维拉·维尔吉利大学（Universitat Rovira i Virgili）和加泰罗尼亚人类古生态学与社会进化研究所（the Catalan Institute of Human Paleoecology and Social Evolution）共同合作的一项考古研究表明，旧石器时代晚期的人类已开始循环使用石器类生活用品。该研究结论发表在最新一期美国《考古学期刊》（Journal of Archaeological Science）上。

研究人员是在对西班牙塔拉戈纳市附近莫利·德·赛特（Molí del Salt）古人类遗址出土的燃烧过的石器制品进行研究后得出上述结论的。他们认为，这些燃烧过的石器制品可以用来判断循环利用前后石器的不同形态。研究结果表明，循环利用生活用品的现象在旧石器时代晚期已十分普遍。这种循环利用的行为主要是为了应急。研究表明，旧石器时代晚期，人们在日常生活中遇到紧急情况时，为了避免因四处寻找制作工具的材料而浪费时间，开始选择使用此前在当地居住的部落遗弃的工具进行加工。这也成为当时的人们选择居住地所要考虑的因素之一。

方位的确定对人们的生产、生活有着重要的意义，故人们很早就掌握了方位的辨别知识。他们从日出、日落及日落后北斗等星体出现的规律中探索出东南西北的不同方位。他们在营造房舍、埋葬死者时，都注意到朝向。例如住房的朝向大多选择南向；同一个墓地，甚至同一个考古学文化的不同墓地中，绝大多数死者的头都朝着同一个方向。虽然其中有些朝向与正方向（正南、正北等）略有偏差，基本方向都是不变的（少数不同方向的墓葬，应与死因有关）。如西安半坡墓地中墓葬的排列十分整齐，它们的方向基本一致，略有偏差者也与正西方向相差不超过20°。在年代更早的新郑裴李岗墓地清理的114座墓葬，均为长方形竖穴墓，排列密集，很有规律，所有头向均朝南或稍偏西。这些事例说明，距今8000年前的人们就已基本掌握了定向的方法。

一般认为，古希腊人泰勒斯、亚里士多德是自然科学的创始人，伽利略·伽利雷是将实验引入自然科学的首倡人。18世纪以前欧洲自然科学与哲学几乎不可分开，勒内·笛卡尔、戈特弗里德·威廉·莱布尼茨、约翰·洛克等等著名的哲学家同时也是自然科学家。在自然科学发展的早期，对自然物体或者分类的系统研究称之为自然历史（英文：natural history，拉丁文：historia naturalis）。

分支

生物学

主要文章：生物学与生物学概论§生物学分支

该领域涉及检查与生物体有关的现象的各种学科。研究范围可以从子组成部分的生物物理学到复杂的生态学。生物学关注的特点，分类和行为的生物体，以及如何物种形成以及它们与彼此的交互环境。

植物学，动物学和医学的生物学领域可以追溯到文明的早期，而微生物学是在显微镜的发明于17世纪引入的。但是，直到19世纪，生物学才成为一门统一的科学。一旦科学家发现了所有生物之间的共性，便决定最好对它们进行整体研究。

生物学的一些重要进展是遗传学的发现;通过自然选择进化;在细胞或有机分子层面上，疾病的生殖理论和化学和物理技术的应用。

现代生物学按生物的类型和所研究的规模分为子学科。分子生物学是生命基本化学的研究，而细胞生物学是细胞的研究。所有生命的基本组成部分。在较高的层次上，解剖学和生理学着眼于生物体的内部结构及其功能，而生态学着眼于各种生物体之间的相互关系。

地球科学

主要文章：地球科学和地球科学概述§地球科学的分支

地球科学（又称地球科学）是与地球有关的科学的一个全方位的术语，包括地质，地理，地球物理学，地球化学，气候学，冰川学，水文学，气象学和海洋学。

尽管在整个文明历史中采矿和宝石一直是人类的利益，但是直到18世纪才出现了有关经济地质学和矿物学的科学发展。对地球的研究，特别是对古生物学的研究，始于19世纪。20世纪，地球物理学等其他学科的发展导致了1960年代板块构造理论的发展，它对地球科学的影响与进化论对生物学的影响类似。当今的地球科学与石油和矿产资源有着紧密的联系，气候研究和对环境的评估和补救。

大气科学

主条目：大气科学

尽管有时与地球科学结合起来考虑，但由于其概念，技术和实践的独立发展以及它的机翼下有众多子学科的事实，大气科学也被认为是自然科学的一个独立分支。科学。该领域研究了从地面到空间边缘的大气不同层的特征。研究的时间范围也从几天到几个世纪不等。有时，该领域还包括研究地球以外的行星的气候模式。

海洋学

主条目：海洋学

严肃的海洋研究始于20世纪中叶。作为自然科学领域，它相对较年轻，但是独立程序提供该学科的专业化知识。尽管关于该领域在地球科学，跨学科科学或作为其自身权利中的单独领域的分类方面仍存在争议，但该领域的大多数现代工作者都同意该领域已经成熟到拥有自己的范式和实践的状态。正因为如此，横跨海洋各个方面的大量相关研究现已归入这一领域。

化学

主要文章：化学与化学概述§化学分支

化学构成了原子和分子尺度的物质科学研究，主要处理原子的集合，例如气体，分子，晶体和金属。研究了这些物质的组成，统计性质，转化和反应。化学还涉及理解用于更大规模应用的单个原子和分子的性质和相互作用。

大多数化学过程可以在实验室中直接进行研究，使用一系列（通常经过充分测试）操纵材料的技术以及对基本过程的理解。化学因其在连接其他自然科学中的作用而常被称为“中央科学”。

早期的化学实验起源于炼金术系统，这是将神秘主义与物理实验结合在一起的一套信念。化学科学随着气体发现者罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）和发展质量守恒理论的安托万·拉瓦西耶（Antoine Lavoisier）的工作而开始发展。

化学元素和原子理论的发现开始使这一科学系统化，研究人员对物质，离子，化学键和化学反应的状态有了基本的了解。该科学的成功导致了互补的化学工业，该化学工业现在在世界经济中发挥着重要作用。

物理学

主要文章：物理学与物理学概论§物理学分支

物理学体现了对宇宙基本组成部分，它们相互施加的作用力和相互作用以及这些相互作用产生的结果的研究。通常，物理学被视为基础科学，因为所有其他自然科学都使用并遵守该领域设定的原理和定律。物理在很大程度上依赖数学作为制定和量化原理的逻辑框架。

对宇宙原理的研究由来已久，并且很大程度上源于直接的观察和实验。从一开始，关于宇宙支配律的理论的形成就一直是物理学研究的中心，而哲学则逐渐屈服于系统的，定量的实验测试和观察作为验证的来源。在物理学中的关键历史发展包括艾萨克·牛顿的万有引力理论和经典力学，的理解电力及其与磁性，爱因斯坦的理论特别和广义相对论，热力学的发展以及原子和亚原子物理学的量子力学模型。

物理学领域极为广泛，可以包括诸如量子力学和理论物理学，应用物理学和光学等多种研究。现代物理学正变得越来越专业化，研究人员倾向于专注于特定领域，而不是像艾萨克·牛顿，艾伯特·爱因斯坦和列夫·兰道那样在多个领域工作的“普世主义者” 。

天文学

主要文章：天文学和天文学纲要§天文学的分支

天文学是研究天体和现象的自然科学。感兴趣的对象包括行星，卫星，恒星，星云，星系和彗星。天文学是对地球大气层以外的宇宙中所有事物的研究。其中包括我们可以用肉眼看到的物体。天文学是最古老的科学之一。

早期文明的天文学家对夜空进行了有条不紊的观察，并且从更早的时期就已经发现了天文文物。天文学有两种类型，观测天文学和理论天文学。观测天文学侧重于获取和分析数据，主要使用物理学的基本原理，而理论天文学则以开发描述天文物体和现象的计算机或分析模型为导向。

这门学科是起源于地球大气之外的天体和现象的科学。它涉及天体的演化，物理，化学，气象和天体运动，以及宇宙的形成和发展。

天文学包括对恒星，行星，彗星的检查，研究和建模。天文学家使用的大多数信息都是通过远程观察收集的，尽管已经对天象进行了一些实验室复制（例如星际介质的分子化学）。

虽然研究天体特征和现象的起源可以追溯到上古时代，但该领域的科学方法却在17世纪中叶开始发展。一个关键因素是伽利略（Galileo）引入望远镜以更详细地检查夜空。

天文学的数学处理是从牛顿的天体力学和引力定律的发展开始的，尽管它是由开普勒等天文学家的早期工作引发的。到19世纪，天文学已经发展成为一门形式科学，它引入了诸如分光镜和摄影机之类的仪器，以及经过大幅度改进的望远镜和专业天文台的创建。

跨学科研究

概论

自然科学学科之间的区别并不总是很明显，它们共享许多交叉学科领域。物理学在其他自然科学中发挥着重要作用，以天体物理学，地球物理学，化学物理学和生物物理学为代表。同样，化学也以生物化学，化学生物学，地球化学和天体化学等领域为代表。

环境科学是借鉴多种自然科学的科学学科的一个特殊例子。该领域的研究物理，化学，地质，以及之间的相互作用的生物成分的的环境，特别是关于人类活动的影响，对影响生物多样性和可持续发展。该科学还借鉴了其他领域的专业知识，例如经济学，法律和社会科学。

海洋学是一门可比的学科，因为它借鉴了相似的科学学科的广度。海洋学被细分为更专业的跨学科，例如物理海洋学和海洋生物学。由于海洋生态系统非常庞大且多样化，因此海洋生物学被进一步细分为许多子领域，包括特定物种的专长。

还有一个跨学科领域的子集，由于其所解决的问题的性质，它们具有与专业化背道而驰的强大潮流。换句话说，在集成应用程序的某些领域中，多个领域的专家是大多数对话的关键部分。例如，此类综合领域包括纳米科学，天体生物学和复杂的系统信息学。

材料科学

主条目：材料科学

材料科学是一个相对较新的跨学科领域，涉及物质及其特性的研究。以及新材料的发现和设计。最初是通过冶金学领域发展起来的，对材料和固体性质的研究现已扩展到所有材料。该领域涵盖材料的化学，物理和工程应用，包括金属，陶瓷，人造聚合物等。该领域的核心涉及具有属性的材料的相关结构。

它处于科学与工程研究的最前沿。这是法医工程（调查无法运行，无法正常运行的功能，材料，产品，结构或组件，造成人身伤害或财产损失）和故障分析的重要组成部分，而故障分析是理解，例如，各种航空事故的原因。当今面临的许多最紧迫的科学问题是由于可用材料的局限性所致，因此，该领域的突破可能会对技术的未来产生重大影响。

材料科学的基础涉及研究材料的结构，并将其与它们的特性相关联。一旦材料科学家了解了这种结构-特性的相关性，他们便可以继续研究材料在特定应用中的相对性能。材料结构及其性能的主要决定因素是其组成化学元素以及将其加工成最终形式的方式。这些特性通过热力学和动力学定律结合在一起并相互关联，支配着材料的微观结构，进而决定了材料的性能。

与社会科学联系

区别

自然科学通常是客观的，而社会科学是主观的，同时也是有不同立场的。自然科学含括了许多领域的研究，自然科学通常试图解释世界是依照自然程序而运作，而非经由超自然的方式，其实建立于敬畏宇宙自然本身。自然科学一词也是用来定位“科学”是遵守科学方法的一个学科。自然科学（natural science）是研究无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称。其认识的对象是整个自然界，即自然界物质的各种类型、状态、属性及运动形式。其认识的任务在于揭示自然界发生的现象和过程的实质，进而把握这些现象和过程的规律性，并预见新的现象和过程，为在社会实践中合理而有目的地利用自然界的规律开辟各种可能的途径。

社会科学是关于社会事物的本质及其规律的科学。社会科学是科学化的研究人类社会现象的科学。如社会学研究人类社会（主要是当代），政治学研究政治、政策和有关的活动，经济学研究资源分配。广义的“社会科学”，它是人文科学和社会科学的统称，包括了人文科学。

联系

在现代科学的发展进程中，新科技革命为社会科学的研究提供了新的方法手段，社会科学与自然科学相互渗透，相互联系的趋势日益加强。

科学实验法

科学实验、生产实践和社会实践并称为人类的三大实践活动。实践不仅是理论的源泉，而且也是检验理论正确与否的惟一标准，科学实验就是自然科学理论的源泉和检验标准。特别是现代自然科学研究中，任何新的发现、新的发明、新的理论的提出都必须以能够重现的实验结果为依据，否则就不能被他人所接受，甚至连已发表的学术论文都可能被撤稿。即便是一个纯粹的理论研究者，他也必须对他所关注的实验结果，甚至实验过程有相当深入的了解才行。因此，可以说，科学实验是自然科学发展中极为重要的活动和研究方法。

数学方法

数学方法有两个不同的概念，在方法论全书中的数学方法指研究和发展数学时的思想方法，而这里所要阐述的数学方法则是在自然科学研究中经常采用的一种思想方法，其内涵是；它是科学抽象的一种思维方法，其根本特点在于撇开研究对象的其他一切特性，只抽取出各种量、量的变化及各量之间的关系，也就是在符合客观的前提下，使科学概念或原理符号化、公式化，利用数学语言（即数学工具）对符号进行逻辑推导、运算、演算和量的分析，以形成对研究对象的数学解释和预测，从量的方面揭示研究对象的规律性。这种特殊的抽象方法，称为数学方法。

系统科学方法

系统科学是关于系统及其演化规律的科学。尽管这门学科自20世纪上半叶才产生，但由于其具有广泛的应用价值，发展十分迅速，现已成为一个包括众多分支的科学领域。它包括有：一般系统论、控制论、信息论、系统工程、大系统理论、系统动力学、运筹学、博弈论、耗散结构理论、协同学、超循环理论、一般生命系统论、社会系统论、泛系分析、灰色系统理论等分支。这些分支，各自研究不同的系统。自然界本身就是一个无限大、无限复杂的系统，在自然界中包括着许许多多不同的系统，系统是一种普遍存在。

一切事物和过程都可以看作组织性程度不同的系统，从而使系统科学的原理具有一般性和较高的普遍性。利用系统科学的原理，研究各种系统的结构、功能及其进化的规律，称为系统科学方法，它已得到各研究领域的广泛应用，目前尤其在生物学领域（生态系统）和经济领域（经济管理系统）中的应用最为引人注目。系统科学研究有两个基本特点：其一是它与工程技术、经济建设、企业管理、环境科学等联系密切，具有很强的应用性；其二是它的理论基础不仅是系统论，而且还依赖于各有关的专门学科，与现代一些数学分支学科有密切关系。正因为如此，人们认为系统科学方法一般指研究系统的数学模型及系统的结构和设计方法。