Естествознание — одна из отраслей науки, занимающаяся описанием, пониманием и предсказанием природных явлений , основанная на эмпирических данных наблюдений и экспериментов . [1] Такие механизмы, как экспертная оценка и повторяемость результатов, используются для обеспечения достоверности научных достижений.
Естествознание можно разделить на две основные отрасли: науки о жизни и физические науки . Науки о жизни также известны как биология , а физические науки подразделяются на отрасли: физика , химия , науки о Земле и астрономия . Эти отрасли естествознания можно разделить на более специализированные отрасли (также известные как области). Как эмпирические науки, естественные науки используют инструменты формальных наук , таких как математика и логика , преобразуя информацию о природе в измерения, которые можно объяснить как четкие формулировки «законов природы ». [2]
Современное естествознание пришло на смену более классическим подходам к натуральной философии . Галилей , Кеплер , Декарт , Бэкон и Ньютон обсуждали преимущества использования подходов, которые были более математическими и более экспериментальными в методическом плане. Тем не менее философские перспективы, догадки и предпосылки , часто упускаемые из виду, остаются необходимыми в естествознании. [3] Систематический сбор данных, включая науку об открытиях , пришел на смену естественной истории , которая возникла в 16 веке путем описания и классификации растений, животных, минералов и так далее. [4] Сегодня «естественная история» предполагает описания наблюдений, ориентированные на широкую аудиторию. [5]
Философы науки предложили несколько критериев, в том числе спорный критерий фальсифицируемости Карла Поппера , чтобы помочь им отличить научные усилия от ненаучных. Валидность , точность и контроль качества , такие как рецензирование и повторяемость результатов, являются одними из наиболее уважаемых критериев в современном глобальном научном сообществе.
В естествознании утверждения о невозможности широко принимаются как чрезвычайно вероятные, а не считаются доказанными до такой степени, что они неоспоримы. Основой для такого решительного признания является сочетание обширных доказательств того, что чего-то не происходит, в сочетании с лежащей в их основе теорией, очень успешной в предсказаниях, чьи предположения логически приводят к выводу, что что-то невозможно. Хотя утверждение о невозможности в естествознании никогда не может быть абсолютно доказано, оно может быть опровергнуто наблюдением единственного контрпримера. Такой контрпример потребовал бы пересмотра предположений, лежащих в основе теории, подразумевающей невозможность.
Эта область охватывает разнообразный набор дисциплин, изучающих явления, связанные с живыми организмами. Масштаб исследований может варьироваться от субкомпонентной биофизики до сложной экологии . Биология занимается характеристиками, классификацией и поведением организмов , а также тем, как образовались виды и их взаимодействием друг с другом и окружающей средой .
Биологические области ботаники , зоологии и медицины восходят к ранним периодам цивилизации, а микробиология появилась в 17 веке с изобретением микроскопа. Однако только в XIX веке биология стала единой наукой. Как только ученые обнаружили общие черты между всеми живыми существами, было решено, что их лучше всего изучать как единое целое.
Некоторыми ключевыми достижениями в биологии были открытия генетики , эволюции посредством естественного отбора , микробной теории болезней и применения методов химии и физики на уровне клетки или органической молекулы .
Современная биология разделена на субдисциплины по типу организма и масштабу изучаемого. Молекулярная биология — это изучение фундаментальной химии жизни, тогда как клеточная биология — это исследование клетки; основной строительный блок всей жизни. На более высоком уровне анатомия и физиология изучают внутренние структуры и их функции организма, а экология изучает взаимодействие различных организмов.
Науки о Земле (также известные как геонауки) — всеобъемлющий термин для наук, связанных с планетой Земля , включая геологию , географию , геофизику , геохимию , климатологию , гляциологию , гидрологию , метеорологию и океанографию .
Хотя добыча полезных ископаемых и драгоценные камни были интересами человека на протяжении всей истории цивилизации, развития смежных наук экономической геологии и минералогии не произошло до 18 века. Изучение Земли, особенно палеонтология , процветало в 19 веке. Рост других дисциплин, таких как геофизика , в 20 веке, привел к развитию теории тектоники плит в 1960-х годах, которая оказала такое же влияние на науки о Земле, как теория эволюции оказала на биологию. Науки о Земле сегодня тесно связаны с нефтью и минеральными ресурсами , исследованиями климата , а также с оценкой и восстановлением окружающей среды .
Хотя иногда ее рассматривают в сочетании с науками о Земле, из-за независимого развития ее концепций, методов и практик, а также того факта, что она имеет под своим крылом широкий спектр субдисциплин, наука об атмосфере также считается отдельной отраслью науки. естественные науки. Это поле изучает характеристики различных слоев атмосферы от уровня земли до края космоса. Временные рамки исследования также варьируются от дня к столетию. Иногда эта область также включает изучение климатических условий на других планетах, кроме Земли. [6]
Серьезное изучение Мирового океана началось в начале-середине 20 века. Как область естественных наук, это относительно молодая область, но отдельные программы предлагают специализацию по этому предмету. Хотя некоторые разногласия остаются относительно категоризации этой области наук о Земле, междисциплинарных наук или как отдельной области, большинство современных исследователей в этой области согласны с тем, что она дошла до такого состояния, что у нее есть свои собственные парадигмы и практики. .
Планетарная наука или планетология — это научное исследование планет, которое включает в себя планеты земной группы , такие как Земля, и другие типы планет, такие как газовые гиганты и другие небесные тела, такие как луны , астероиды и кометы . В основном это включает в себя Солнечную систему , но в последнее время она начала распространяться на экзопланеты , особенно на экзопланеты земной группы . Он исследует различные объекты, от микрометеороидов до газовых гигантов, с целью установить их состав, движение, генезис, взаимосвязь и прошлое. Планетология — это междисциплинарная область, возникшая из астрономии и наук о Земле и в настоящее время охватывающая множество областей, таких как планетарная геология , космохимия , наука об атмосфере , физика , океанография , гидрология , теоретическая планетология , гляциология и экзопланетология. Связанные области включают космическую физику , которая изучает воздействие Солнца на тела Солнечной системы, и астробиологию .
Планетология включает в себя взаимосвязанные наблюдательные и теоретические отрасли. Наблюдательные исследования предполагают сочетание исследования космоса , в первую очередь посредством миссий космических роботов с использованием дистанционного зондирования, и сравнительных экспериментальных работ, проводимых в наземных лабораториях. Теоретический аспект включает обширное математическое моделирование и компьютерное моделирование .
Обычно ученые-планетологи работают на факультетах астрономии и физики или наук о Земле в университетах или исследовательских центрах. Однако во всем мире существуют также специализированные институты планетарных наук. Как правило, люди, делающие карьеру в области планетологии, проходят обучение в аспирантуре по одной из наук о Земле, астрономии, астрофизике, геофизике или физике. Затем они сосредоточивают свои исследования на дисциплине планетологии. Крупные конференции проводятся ежегодно, а многочисленные рецензируемые журналы обслуживают разнообразные исследовательские интересы в области планетологии. Некоторые ученые-планетологи работают в частных исследовательских центрах и часто участвуют в совместных исследовательских инициативах.
Представляя собой научное исследование материи на атомном и молекулярном уровне, химия имеет дело в первую очередь с совокупностями атомов, таких как газы , молекулы, кристаллы и металлы . Изучены состав, статистические свойства, превращения и реакции этих материалов. Химия также предполагает понимание свойств и взаимодействий отдельных атомов и молекул для использования в более масштабных приложениях.
Большинство химических процессов можно изучать непосредственно в лаборатории, используя ряд (часто хорошо проверенных) методов работы с материалами, а также понимая основные процессы. Химию часто называют « центральной наукой » из-за ее роли в связке других естественных наук.
Ранние химические эксперименты уходят своими корнями в систему алхимии — набора верований, сочетающих мистицизм с физическими экспериментами. Наука химия начала развиваться с работ Р. Бойля , первооткрывателя газов , и А. Лавуазье , разработавшего теорию сохранения массы .
Открытие химических элементов и теории атома положило начало систематизации этой науки, и исследователи разработали фундаментальное понимание состояний вещества , ионов , химических связей и химических реакций . Успех этой науки привел к созданию дополнительной химической промышленности , которая сейчас играет значительную роль в мировой экономике.
Физика включает в себя изучение фундаментальных составляющих Вселенной , сил и взаимодействий, которые они оказывают друг на друга, а также результатов, получаемых в результате этих взаимодействий. В целом физика считается фундаментальной наукой, поскольку все остальные естественные науки используют и подчиняются принципам и законам этой области. Физика в значительной степени опирается на математику как логическую основу для формулирования и количественной оценки принципов.
Изучение принципов устройства Вселенной имеет долгую историю и во многом основано на прямых наблюдениях и экспериментах. Формулирование теорий о управляющих законах Вселенной с самого начала занимало центральное место в изучении физики, при этом философия постепенно уступала место систематическим количественным экспериментальным проверкам и наблюдениям в качестве источника проверки. Ключевые исторические достижения в физике включают теорию всемирного тяготения Исаака Ньютона и классическую механику , понимание электричества и его связи с магнетизмом , теории специальной и общей теории относительности Эйнштейна , развитие термодинамики и квантово-механическую модель атома. и субатомная физика.
Область физики чрезвычайно широка и может включать в себя такие разнообразные исследования, как квантовая механика и теоретическая физика , прикладная физика и оптика . Современная физика становится все более специализированной, исследователи склонны сосредотачиваться на определенной области, а не быть «универсалистами», такими как Исаак Ньютон , Альберт Эйнштейн и Лев Ландау , которые работали в нескольких областях.
Астрономия – естественная наука, изучающая небесные объекты и явления. Объекты интереса включают планеты, спутники, звезды, туманности, галактики и кометы. Астрономия – это изучение всего во Вселенной за пределами земной атмосферы. Сюда входят объекты, которые мы можем видеть невооруженным глазом. Астрономия – одна из древнейших наук.
Астрономы ранних цивилизаций проводили методические наблюдения ночного неба, и были найдены астрономические артефакты гораздо более ранних периодов. Существует два типа астрономии: наблюдательная астрономия и теоретическая астрономия. Наблюдательная астрономия ориентирована на сбор и анализ данных, в основном с использованием основных принципов физики, тогда как теоретическая астрономия ориентирована на разработку компьютерных или аналитических моделей для описания астрономических объектов и явлений.
Эта дисциплина представляет собой науку о небесных объектах и явлениях , возникающих за пределами атмосферы Земли . Он занимается эволюцией, физикой , химией , метеорологией , геологией и движением небесных объектов, а также формированием и развитием Вселенной .
Астрономия включает изучение, изучение и моделирование звезд, планет, комет. Большая часть информации, используемой астрономами, собирается путем дистанционного наблюдения, хотя некоторое лабораторное воспроизведение небесных явлений (например, молекулярной химии межзвездной среды ) выполнено . Существует значительное совпадение с физикой и в некоторых областях наук о Земле . Существуют также междисциплинарные области, такие как астрофизика , планетарные науки и космология , а также смежные дисциплины, такие как космическая физика и астрохимия .
Истоки изучения небесных особенностей и явлений уходят в глубокую древность, но научная методология этой области начала развиваться в середине 17 века. Ключевым фактором стало появление Галилеем телескопа для более детального изучения ночного неба.
Математическая обработка астрономии началась с разработки Ньютоном небесной механики и законов гравитации , хотя она была вызвана более ранними работами астрономов, таких как Кеплер . К 19 веку астрономия превратилась в формальную науку с появлением таких инструментов, как спектроскоп и фотография , а также значительно усовершенствованными телескопами и созданием профессиональных обсерваторий.
Различия между естественнонаучными дисциплинами не всегда резкие, и они разделяют множество междисциплинарных областей. Физика играет значительную роль в других естественных науках, представленных астрофизикой , геофизикой , химической физикой и биофизикой . Аналогично химия представлена такими областями, как биохимия , физическая химия , геохимия и астрохимия .
Конкретным примером научной дисциплины, опирающейся на множество естественных наук, является наука об окружающей среде . Эта область изучает взаимодействие физических, химических, геологических и биологических компонентов окружающей среды , уделяя особое внимание влиянию человеческой деятельности и влиянию на биоразнообразие и устойчивость . Эта наука также опирается на опыт из других областей, таких как экономика, право и социальные науки.
Сопоставимой дисциплиной является океанография , поскольку она опирается на аналогичный набор научных дисциплин. Океанография подразделяется на более специализированные междисциплины, такие как физическая океанография и морская биология . Поскольку морская экосистема очень велика и разнообразна, морская биология подразделяется на множество подотраслей, включая специализацию по конкретным видам .
Существует также подмножество междисциплинарных областей, которые имеют сильные направления, противоречащие специализации по характеру проблем, которые они решают. Другими словами: в некоторых областях интегративного применения специалисты более чем в одной области являются ключевой частью диалога. К таким интегративным областям, например, относятся нанонаука , астробиология и информатика сложных систем .
Материаловедение — относительно новая междисциплинарная область, занимающаяся изучением материи и ее свойств; а также открытие и разработка новых материалов. Первоначально развивавшаяся в области металлургии , изучение свойств материалов и твердых тел теперь распространилось на все материалы. Эта область охватывает химию, физику и инженерное применение материалов, включая металлы, керамику, искусственные полимеры и многие другие. Ядро области занимается связью структуры материалов с их свойствами.
Он находится на переднем крае исследований в области науки и техники. Это важная часть судебно-медицинской экспертизы (расследование материалов, изделий, конструкций или компонентов, которые выходят из строя или не работают или функционируют по назначению, вызывая травмы людей или материальный ущерб) и анализа отказов , причем последний является ключом к пониманию того, например, причина различных авиационных происшествий. Многие из наиболее острых научных проблем, с которыми сталкиваются сегодня, связаны с ограниченностью доступных материалов, и, как следствие, прорывы в этой области, вероятно, окажут существенное влияние на будущее технологий.
В основу материаловедения входит изучение структуры материалов и установление связи между ними и их свойствами . Как только ученый-материаловед узнает об этой корреляции между структурой и свойствами, он может приступить к изучению относительных характеристик материала в определенном применении. Основными факторами, определяющими структуру материала и, следовательно, его свойства, являются составляющие его химические элементы и то, как он был обработан до окончательной формы. Эти характеристики, взятые вместе и связанные законами термодинамики и кинетики , определяют микроструктуру материала и, следовательно, его свойства.
Некоторые ученые прослеживают истоки естествознания еще в дописьменных человеческих обществах, где понимание мира природы было необходимо для выживания. [7] Люди наблюдали и накапливали знания о поведении животных и полезности растений в качестве пищи и лекарств, которые передавались из поколения в поколение. [7] Эти примитивные представления уступили место более формализованным исследованиям около 3500–3000 гг. до н.э. в месопотамской и древнеегипетской культурах, в результате которых были созданы первые известные письменные свидетельства натурфилософии , предшественника естествознания. [8] Хотя в трудах проявляется интерес к астрономии, математике и другим аспектам физического мира, конечная цель исследования механизмов природы во всех случаях была религиозной или мифологической, а не научной. [9]
Традиция научных исследований также возникла в Древнем Китае , где даосские алхимики и философы экспериментировали с эликсирами для продления жизни и лечения недугов. [10] Они сосредоточились на инь и ян , или контрастирующих элементах в природе; Инь ассоциировался с женственностью и холодностью, а Ян – с мужественностью и теплотой. [11] Пять фаз – огонь, земля, металл, дерево и вода – описывают цикл преобразований в природе. Вода превратилась в древесину, которая, когда сгорела, превратилась в огонь. Пепел, оставшийся от огня, был землей. [12] Используя эти принципы, китайские философы и врачи исследовали анатомию человека, характеризуя органы как преимущественно инь или ян, и поняли взаимосвязь между пульсом, сердцем и потоком крови в организме за столетия до того, как это стало общепринятым на Западе. . [13]
Сохранилось мало свидетельств того, как древние индийские культуры вокруг реки Инд понимали природу, но некоторые из их взглядов могут быть отражены в Ведах , наборе священных индуистских текстов. [13] Они раскрывают концепцию Вселенной как постоянно расширяющейся, постоянно перерабатываемой и реформируемой. [13] Хирурги аюрведической традиции рассматривали здоровье и болезнь как комбинацию трёх жидкостей: ветра , желчи и слизи . [13] Здоровая жизнь была результатом баланса между этими юморами. [13] В аюрведической мысли тело состоит из пяти элементов: земли, воды, огня, ветра и пространства. [13] Аюрведические хирурги проводили сложные операции и разработали детальное понимание анатомии человека. [13]
Философы -досократики древнегреческой культуры приблизили натурфилософию на шаг ближе к прямому исследованию причин и следствий в природе между 600 и 400 годами до нашей эры, хотя элемент магии и мифологии остался. [14] Природные явления, такие как землетрясения и затмения, все чаще объяснялись в контексте самой природы, а не приписывались разгневанным богам. [14] Фалес Милетский , ранний философ, живший с 625 по 546 год до нашей эры, объяснял землетрясения, выдвигая теорию о том, что мир плавает на воде и что вода является фундаментальным элементом в природе. [15] В V веке до нашей эры Левкипп был одним из первых сторонников атомизма , идеи о том, что мир состоит из фундаментальных неделимых частиц. [16] Пифагор применил греческие инновации в математике к астрономии и предположил, что Земля имеет сферическую форму . [16]
Более поздняя сократическая и платоническая мысль сосредоточилась на этике, морали и искусстве и не пыталась исследовать физический мир; Платон критиковал мыслителей-досократиков как материалистов и антирелигиозников. [17] Однако Аристотель , ученик Платона, живший с 384 по 322 г. до н. э., в своей философии уделял более пристальное внимание миру природы. [18] В своей «Истории животных» он описал внутреннюю работу 110 видов, включая ската , сома и пчелу . [19] Он исследовал куриные эмбрионы, разбивая яйца и наблюдая за ними на разных стадиях развития. [20] Работы Аристотеля оказали влияние на протяжении 16 века, и он считается отцом биологии за свою новаторскую работу в этой науке . [21] Он также представил философию о физике, природе и астрономии, используя индуктивные рассуждения в своих работах «Физика и метеорология» . [22]
Хотя Аристотель рассматривал натурфилософию более серьезно, чем его предшественники, он подходил к ней как к теоретической отрасли науки. [23] Тем не менее, вдохновленные его работами, древнеримские философы начала I века нашей эры, в том числе Лукреций , Сенека и Плиний Старший , писали трактаты, в которых рассматривались законы мира природы с разной степенью глубины. [24] Многие древнеримские неоплатоники 3-6 веков также адаптировали учение Аристотеля о физическом мире к философии, которая делала упор на спиритуализм. [25] Ранние средневековые философы, в том числе Макробий , Кальцидий и Марсиан Капелла, также исследовали физический мир, в основном с космологической и космографической точки зрения, выдвигая теории об устройстве небесных тел и небес, которые, как утверждалось, состоят из эфира . [26]
Работы Аристотеля по натуральной философии продолжали переводиться и изучаться на фоне расцвета Византийской империи и Аббасидского халифата . [27]
В Византийской империи Иоанн Филопон , александрийский комментатор Аристотеля и христианский богослов, был первым, кто поставил под сомнение учение Аристотеля о физике. В отличие от Аристотеля, который основывал свою физику на словесных аргументах, Филопон вместо этого полагался на наблюдение и приводил доводы в пользу наблюдения, а не прибегал к словесным аргументам. [28] Он представил теорию импульса . Критика Иоанном Филопоном аристотелевских принципов физики послужила источником вдохновения для Галилео Галилея во время научной революции . [29] [30]
Возрождение математики и естественных наук произошло во времена Аббасидского халифата, начиная с IX века, когда мусульманские ученые расширили греческую и индийскую натурфилософию. [31] Слова «алкоголь» , «алгебра» и «зенит» имеют арабские корни. [32]
Работы Аристотеля и другая греческая натурфилософия не достигли Запада примерно до середины XII века, когда произведения были переведены с греческого и арабского языка на латынь . [33] Развитие европейской цивилизации позднее, в средние века, принесло с собой дальнейшие успехи в натурфилософии. [34] Европейские изобретения, такие как подкова , конский ошейник и севооборот , обеспечили быстрый рост населения, что в конечном итоге уступило место урбанизации и основанию школ, связанных с монастырями и соборами в современной Франции и Англии . [35] С помощью школ был разработан подход к христианскому богословию , который стремился ответить на вопросы о природе и других предметах, используя логику. [36] Однако этот подход был воспринят некоторыми недоброжелателями как ересь . [36] К XII веку западноевропейские ученые и философы столкнулись с массивом знаний, о котором они ранее не знали: большим корпусом работ на греческом и арабском языках, которые были сохранены исламскими учеными. [37] Благодаря переводу на латынь, Западная Европа познакомилась с Аристотелем и его натуральной философией. [37] К началу 13 века эти произведения преподавали в новых университетах Парижа и Оксфорда , хотя католическая церковь не одобряла эту практику. [38] Декрет Парижского Синода от 1210 г. предписывал, что «никакие лекции не должны проводиться в Париже ни публично, ни конфиденциально с использованием книг Аристотеля по натуральной философии или комментариев, и мы запрещаем все это под страхом отлучения от общения». [38]
В позднем средневековье испанский философ Доминик Гундиссалин перевел на латынь трактат более раннего персидского ученого Аль-Фараби под названием «О науках» , назвав изучение механики природы Scientia naturalis , или естествознанием. [39] Гундиссалин также предложил свою собственную классификацию естественных наук в своей работе 1150 года «О разделении философии» . [39] Это была первая подробная классификация наук, основанная на греческой и арабской философии, которая достигла Западной Европы. [39] Гундиссалин определял естествознание как «науку, рассматривающую только неабстрактные и движущиеся вещи», в отличие от математики и наук, опирающихся на математику. [40] Следуя за Аль-Фараби, он затем разделил науки на восемь частей, включая физику, космологию, метеорологию, минераловедение, а также науку о растениях и животных. [40]
Позднее философы создали свои собственные классификации естественных наук. Роберт Килвордби написал «Орден наук» в 13 веке, в котором медицина классифицировалась как механическая наука, наряду с сельским хозяйством, охотой и театром, а естествознание определялось как наука, изучающая тела в движении. [41] Роджер Бэкон , английский монах и философ, писал, что естествознание имеет дело с «принципом движения и покоя, как в частях элементов огня, воздуха, земли и воды, так и во всех неодушевленных вещах, созданных из них». ." [42] Эти науки также охватывали растения, животных и небесные тела. [42] Позже, в 13 веке, католический священник и богослов Фома Аквинский определил естествознание как дело с «подвижными существами» и «вещами, которые зависят от материи не только в своем существовании, но и в своем определении». [43] В средние века среди ученых существовало широкое согласие в том, что естественные науки изучают тела в движении, хотя существовали разногласия по поводу включения таких областей, как медицина, музыка и перспектива. [44] Философы размышляли над такими вопросами, как существование вакуума, может ли движение производить тепло, цвета радуги, движение Земли, существуют ли химические элементы и где в атмосфере образуется дождь. [45]
На протяжении веков вплоть до конца Средневековья естествознание часто смешивалось с философией магии и оккультизма. [46] Натуральная философия появлялась в самых разных формах: от трактатов до энциклопедий и комментариев к Аристотелю. [47] Взаимодействие между натуральной философией и христианством в этот период было сложным; некоторые ранние богословы, в том числе Татиан и Евсевий , считали натурфилософию проявлением языческой греческой науки и относились к ней с подозрением. [48] Хотя некоторые более поздние христианские философы, в том числе Фома Аквинский, стали рассматривать естественные науки как средство интерпретации Священного Писания, это подозрение сохранялось до XII и XIII веков. [49] Осуждение 1277 года , запрещавшее ставить философию на один уровень с теологией и дискуссию о религиозных конструкциях в научном контексте, показало настойчивость, с которой католические лидеры сопротивлялись развитию натуральной философии даже с теологической точки зрения. [50] Фома Аквинский и Альберт Великий , еще один католический теолог той эпохи, стремились дистанцировать богословие от науки в своих работах. [51] «Я не понимаю, какое отношение интерпретация Аристотеля имеет к учению веры», — писал он в 1271 году. [52]
К XVI и XVII векам натурфилософия претерпела эволюцию, выйдя за рамки комментариев к Аристотелю, поскольку была открыта и переведена более ранняя греческая философия. [53] Изобретение печатного станка в 15 веке, изобретение микроскопа и телескопа, а также протестантская Реформация фундаментально изменили социальный контекст, в котором развивались научные исследования на Западе. [53] Открытие Христофором Колумбом нового мира изменило представления о физическом устройстве мира, а наблюдения Коперника , Тико Браге и Галилея создали более точную картину Солнечной системы как гелиоцентрической и доказали многие теории Аристотеля о небесные тела ложны. [54] Несколько философов 17-го века, в том числе Томас Гоббс , Джон Локк и Фрэнсис Бэкон, оторвались от прошлого, полностью отвергнув Аристотеля и его средневековых последователей, назвав их подход к натурфилософии поверхностным. [55]
Названия работ Галилея «Две новые науки» и «Новая астрономия» Иоганна Кеплера подчеркивали атмосферу перемен, которая установилась в 17 веке, когда Аристотель был отвергнут в пользу новых методов исследования мира природы. [57] Бэкон сыграл важную роль в популяризации этого изменения; он утверждал, что люди должны использовать искусство и науку, чтобы получить власть над природой. [58] Чтобы добиться этого, он писал, что «человеческая жизнь [должна] быть наделена открытиями и силами». [59] Он определил натурфилософию как «знание причин и тайных движений вещей и расширение границ человеческой империи для достижения всех возможных вещей». [57] Бэкон предложил, чтобы научные исследования поддерживались государством и питались совместными исследованиями ученых, и это видение было беспрецедентным по своим масштабам, амбициям и формам в то время. [59] Натурфилософы все чаще стали рассматривать природу как механизм, который можно разобрать и понять, подобно сложным часам. [60] Натурфилософы, в том числе Исаак Ньютон , Евангелиста Торричелли и Франческо Реди, проводили эксперименты, фокусируясь на потоке воды, измеряя атмосферное давление с помощью барометра и опровергая самопроизвольное зарождение . [61] Появились научные общества и научные журналы, которые широко распространились через печатный станок, положив начало научной революции . [62] Ньютон в 1687 году опубликовал свои « Математические принципы естественной философии» , или Principia Mathematica , которые заложили основу для физических законов, которые оставались актуальными до 19 века. [63]
Некоторые современные ученые, в том числе Эндрю Каннингем, Перри Уильямс и Флорис Коэн , утверждают, что натурфилософию нельзя правильно назвать наукой и что подлинные научные исследования начались только с научной революцией. [64] По словам Коэна, «освобождение науки от всеобъемлющей сущности, называемой «натурфилософией, является одной из определяющих характеристик научной революции». [64] Другие историки науки, в том числе Эдвард Грант , утверждают, что научная революция, которая расцвела в 17, 18 и 19 веках, произошла, когда принципы, изученные в точных науках оптики, механики и астрономии, начали применяться к поднятым вопросам. по натуральной философии. [64] Грант утверждает, что Ньютон попытался раскрыть математическую основу природы – непреложные правила, которым она подчинялась – и при этом впервые соединил натурфилософию и математику, создав раннюю работу современной физики. [65]
Научная революция, начавшаяся в 17 веке, представляла собой резкий отход от аристотелевских методов исследования. [66] Одним из его основных достижений было использование научного метода для исследования природы. Были собраны данные и проведены повторяемые измерения в экспериментах . [67] Затем ученые сформировали гипотезы , объясняющие результаты этих экспериментов. [68] Затем гипотеза была проверена с использованием принципа фальсифицируемости , чтобы доказать или опровергнуть ее точность. [68] Естественные науки продолжали называться естественной философией, но принятие научного метода вывело науку за рамки философских догадок и ввело более структурированный способ изучения природы. [66]
Ньютон, английский математик и физик, был выдающейся фигурой в научной революции. [69] Опираясь на достижения астрономии Коперника, Браге и Кеплера, Ньютон вывел универсальный закон гравитации и законы движения . [70] Эти законы применяются как на Земле, так и в космическом пространстве, объединяя две сферы физического мира, которые, как считалось ранее, функционируют независимо друг от друга, в соответствии с отдельными физическими правилами. [71] Ньютон, например, показал, что приливы были вызваны гравитационным притяжением Луны . [72] Еще одним достижением Ньютона было превращение математики в мощный инструмент объяснения природных явлений. [73] Хотя натурфилософы уже давно использовали математику как средство измерения и анализа, ее принципы не использовались как средство понимания причины и следствия в природе до Ньютона. [73]
В 18 и 19 веках ученые, в том числе Шарль-Огюстен де Кулон , Алессандро Вольта и Майкл Фарадей, опирались на ньютоновскую механику, исследуя электромагнетизм или взаимодействие сил с положительными и отрицательными зарядами на электрически заряженных частицах. [74] Фарадей предположил, что силы природы действуют в « полях », заполняющих пространство. [75] Идея полей контрастировала с ньютоновской конструкцией гравитации как просто «действия на расстоянии» или притяжения объектов, в пространстве между которыми нет ничего, что могло бы вмешаться. [75] Джеймс Клерк Максвелл в 19 веке объединил эти открытия в последовательную теорию электродинамики . [74] Используя математические уравнения и эксперименты, Максвелл обнаружил, что пространство заполнено заряженными частицами, которые могут действовать на себя и друг на друга, и что они являются средой для передачи заряженных волн. [74]
Значительные успехи в химии также произошли во время научной революции. Антуан Лавуазье , французский химик, опроверг теорию флогистона , которая утверждала, что вещи горят, выделяя «флогистон» в воздух. [75] Джозеф Пристли открыл кислород в 18 веке, но Лавуазье обнаружил, что горение является результатом окисления . [75] Он также построил таблицу из 33 элементов и изобрел современную химическую номенклатуру. [75] Формальная биологическая наука оставалась в зачаточном состоянии в 18 веке, когда основное внимание уделялось классификации и категоризации естественной жизни. Этот рост естествознания возглавил Карл Линней , чья таксономия мира природы 1735 года используется до сих пор. Линней в 1750-х годах ввёл научные названия всем своим видам. [76]
.svg/1280px-Michelson-Morley_experiment_(en).svg.png)
К 19 веку изучение науки стало прерогативой профессионалов и учреждений. При этом она постепенно приобрела более современное название естествознания . Термин «ученый» был придуман Уильямом Уэвеллом в 1834 году в обзоре книги Мэри Сомервилл « О связи наук» . [77] Но это слово не вошло в общее употребление почти до конца того же столетия. [ нужна цитата ]
Согласно известному учебнику 1923 года « Термодинамика и свободная энергия химических веществ» , написанному американским химиком Гилбертом Н. Льюисом и американским физико-химиком Мерлом Рэндаллом [78] , естественные науки состоят из трех больших разделов:
Помимо логических и математических наук, существуют три большие отрасли естествознания, которые выделяются из-за разнообразия далеко идущих выводов, сделанных из небольшого числа первичных постулатов, — это механика , электродинамика и термодинамика . [79]
Сегодня естественные науки чаще делятся на науки о жизни, такие как ботаника и зоология; и физические науки, которые включают физику, химию, астрономию и науки о Земле.
По сути, естественные науки определяются как дисциплины, которые изучают только естественные явления (т.е. независимые и зависимые переменные в природе) с использованием научных методов.
