Naturwissenschaft

Die Naturwissenschaften versuchen zu verstehen, wie die Welt und das Universum um uns herum funktionieren. Es gibt fünf Hauptzweige, die durch die obigen, im Uhrzeigersinn von links oben aufgenommenen Fotos verdeutlicht werden: Astronomie , Chemie , Geowissenschaften , Biologie und Physik .

Die Naturwissenschaft oder empirische Wissenschaft ist ein Wissenschaftszweig, der sich mit der Beschreibung, dem Verständnis und der Vorhersage von Naturphänomenen auf der Grundlage empirischer Erkenntnisse aus Beobachtung und Experiment befasst . ^{[ 1 ]} Mechanismen wie das Peer-Review-Verfahren und die Reproduzierbarkeit von Ergebnissen dienen dazu, die Gültigkeit wissenschaftlicher Fortschritte zu gewährleisten.

Die Naturwissenschaften lassen sich in zwei Hauptzweige unterteilen: die Lebenswissenschaften und die physikalischen Wissenschaften . Die Lebenswissenschaften werden auch als Biologie bezeichnet . Die physikalischen Wissenschaften gliedern sich in Physik , Astronomie , Geowissenschaften und Chemie . Diese Zweige der Naturwissenschaften können weiter in spezialisierte Bereiche, sogenannte Felder, unterteilt werden. Als empirische Wissenschaften nutzen die Naturwissenschaften Methoden der formalen Wissenschaften wie Mathematik und Logik , um Informationen über die Natur in Messwerte umzuwandeln, die sich als klare Aussagen der „ Naturgesetze “ erklären lassen. ^{[ 2 ]}

Die moderne Naturwissenschaft löste klassische Ansätze der Naturphilosophie ab . Galileo Galilei , Johannes Kepler , René Descartes , Francis Bacon und Isaac Newton diskutierten die Vorzüge einer eher mathematischen gegenüber einer eher experimentellen Methode in der Naturforschung. Dennoch bleiben philosophische Perspektiven, Vermutungen und Annahmen , die oft übersehen werden, in der Naturwissenschaft unerlässlich. ^{[ 3 ]} Die systematische Datenerhebung, einschließlich der Entdeckungsforschung , folgte auf die Naturgeschichte , die im 16. Jahrhundert durch die Beschreibung und Klassifizierung von Pflanzen, Tieren, Mineralien usw. entstand. ^{[ 4 ]} Heute bezeichnet „Naturgeschichte“ beobachtende Beschreibungen für ein breites Publikum. ^{[ 5 ]}

Wissenschaftsphilosophen haben verschiedene Kriterien vorgeschlagen, darunter Karl Poppers umstrittenes Falsifizierbarkeitskriterium , um wissenschaftliche von nicht-wissenschaftlichen Bestrebungen zu unterscheiden. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Validität , Genauigkeit und Qualitätskontrolle, wie beispielsweise Peer-Review und Reproduzierbarkeit von Ergebnissen, zählen zu den angesehensten Kriterien in der heutigen globalen Wissenschaftsgemeinschaft. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

In den Naturwissenschaften werden Unmöglichkeitsaussagen weithin als äußerst wahrscheinlich akzeptiert, anstatt als unumstößlich bewiesen zu gelten. Grundlage dieser weitverbreiteten Akzeptanz ist eine Kombination aus umfangreichen Belegen für das Nicht-Eintreten eines Phänomens und einer zugrundeliegenden Theorie, die sehr erfolgreiche Vorhersagen trifft und deren Annahmen logisch zu dem Schluss führen, dass etwas unmöglich ist. Obwohl eine Unmöglichkeitsaussage in den Naturwissenschaften niemals bewiesen werden kann, ließe sie sich durch die Beobachtung eines einzigen Gegenbeispiels widerlegen. Ein solches Gegenbeispiel würde eine erneute Überprüfung der Annahmen der Theorie erfordern, die die Unmöglichkeit impliziert.

Die Astronomie ist eine Naturwissenschaft, die Himmelskörper und -phänomene erforscht. Zu den untersuchten Objekten gehören Planeten, Monde, Sterne, Nebel, Galaxien und Kometen. Die Astronomie befasst sich mit allem im Universum jenseits der Erdatmosphäre, einschließlich der mit bloßem Auge sichtbaren Objekte. Sie zählt zu den ältesten Wissenschaften.

Astronomen früher Zivilisationen führten systematische Beobachtungen des Nachthimmels durch, und es wurden astronomische Artefakte aus viel früheren Epochen gefunden. Man unterscheidet zwei Arten der Astronomie: die beobachtende und die theoretische Astronomie. Die beobachtende Astronomie konzentriert sich auf die Datenerfassung und -analyse, hauptsächlich mithilfe grundlegender physikalischer Prinzipien. Die theoretische Astronomie hingegen zielt darauf ab, Computer- oder analytische Modelle zur Beschreibung astronomischer Objekte und Phänomene zu entwickeln.

Diese Disziplin ist die Wissenschaft von Himmelskörpern und Phänomenen , die außerhalb der Erdatmosphäre entstehen . Sie befasst sich mit der Entwicklung, Physik , Chemie , Meteorologie , Geologie und Bewegung von Himmelskörpern sowie mit der Entstehung und Entwicklung des Universums .

Die Astronomie umfasst die Untersuchung, Erforschung und Modellierung von Sternen, Planeten und Kometen. Die meisten Informationen, die Astronomen nutzen, werden durch Fernbeobachtung gewonnen. Es wurden jedoch auch einige experimentelle Nachbildungen von Himmelsphänomenen durchgeführt (wie beispielsweise die molekulare Chemie des interstellaren Mediums ). Es gibt erhebliche Überschneidungen mit der Physik und einigen Bereichen der Geowissenschaften . Darüber hinaus existieren interdisziplinäre Felder wie Astrophysik , Planetenwissenschaften und Kosmologie sowie verwandte Disziplinen wie Weltraumphysik und Astrochemie .

Die Erforschung von Himmelskörpern und -phänomenen lässt sich zwar bis in die Antike zurückverfolgen, doch die wissenschaftliche Methodik dieses Fachgebiets begann sich erst Mitte des 17. Jahrhunderts zu entwickeln. Ein Schlüsselfaktor war Galileis Einführung des Teleskops, mit dem der Nachthimmel genauer untersucht werden konnte.

Die mathematische Behandlung der Astronomie begann mit Newtons Entwicklung der Himmelsmechanik und der Gravitationsgesetze . Auslöser waren jedoch frühere Arbeiten von Astronomen wie Kepler . Im 19. Jahrhundert entwickelte sich die Astronomie zu einer formalen Wissenschaft, mit der Einführung von Instrumenten wie dem Spektroskop und der Fotografie sowie deutlich verbesserten Teleskopen und der Gründung professioneller Observatorien.

Die Chemie, die sich mit der Erforschung der Materie auf atomarer und molekularer Ebene befasst, untersucht vorwiegend Ansammlungen von Atomen, wie Gase , Moleküle, Kristalle und Metalle . Ihre Zusammensetzung, statistischen Eigenschaften, Umwandlungen und Reaktionen werden erforscht. Darüber hinaus befasst sich die Chemie mit den Eigenschaften und Wechselwirkungen einzelner Atome und Moleküle für Anwendungen im größeren Maßstab.

Die meisten chemischen Prozesse lassen sich direkt im Labor untersuchen, indem man eine Reihe (oftmals gut erprobter) Techniken zur Manipulation von Materialien sowie das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse nutzt. Die Chemie wird aufgrund ihrer verbindenden Rolle mit den anderen Naturwissenschaften oft als „ zentrale Wissenschaft “ bezeichnet.

Die Anfänge der Chemie hatten ihre Wurzeln in der Alchemie , einem Glaubenssystem, das Mystik mit physikalischen Experimenten verband. Die Chemie als Wissenschaft entwickelte sich mit den Arbeiten von Robert Boyle , dem Entdecker der Gase , und Antoine Lavoisier , der die Theorie der Massenerhaltung entwickelte .

Die Entdeckung der chemischen Elemente und der Atomtheorie trug zur Systematisierung dieser Wissenschaft bei, und Forscher entwickelten ein grundlegendes Verständnis von Aggregatzuständen , Ionen , chemischen Bindungen und chemischen Reaktionen . Der Erfolg dieser Wissenschaft führte zu einer komplementären chemischen Industrie , die heute eine bedeutende Rolle in der Weltwirtschaft spielt.

Dieses Feld umfasst eine Vielzahl von Disziplinen, die Phänomene im Zusammenhang mit lebenden Organismen untersuchen. Der Untersuchungsbereich reicht von der Biophysik einzelner Teilbereiche bis hin zu komplexen Ökosystemen . Die Biologie befasst sich mit den Eigenschaften, der Klassifizierung und dem Verhalten von Organismen sowie mit der Entstehung der Arten und ihren Wechselwirkungen untereinander und mit der Umwelt .

Die biologischen Disziplinen Botanik , Zoologie und Medizin reichen bis in die Anfänge der Zivilisation zurück, während die Mikrobiologie im 17. Jahrhundert mit der Erfindung des Mikroskops Einzug hielt. Doch erst im 19. Jahrhundert entwickelte sich die Biologie zu einer einheitlichen Wissenschaft. Nachdem Wissenschaftler Gemeinsamkeiten zwischen allen Lebewesen entdeckt hatten, entschied man, dass diese am besten als Ganzes erforscht werden sollten.

Zu den wichtigsten Entwicklungen in der Biologie gehörten die Entdeckung der Genetik , die Evolution durch natürliche Selektion , die Keimtheorie der Krankheiten und die Anwendung der Techniken der Chemie und Physik auf der Ebene der Zelle oder des organischen Moleküls .

Die moderne Biologie gliedert sich in verschiedene Teildisziplinen, je nach Organismengruppe und Untersuchungsmaßstab. Die Molekularbiologie erforscht die grundlegenden chemischen Prozesse des Lebens, während die Zellbiologie die Zelle selbst, den Grundbaustein allen Lebens, untersucht. Auf einer höheren Ebene betrachten Anatomie und Physiologie die inneren Strukturen und Funktionen eines Organismus, während die Ökologie die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Organismen erforscht.

Die Erdwissenschaft (auch Geowissenschaft genannt) ist ein Oberbegriff für die Wissenschaften, die sich mit dem Planeten Erde befassen , einschließlich Geologie , Geographie , Geophysik , Geochemie , Klimatologie , Glaziologie , Hydrologie , Meteorologie und Ozeanographie .

Obwohl Bergbau und Edelsteine ​​seit jeher menschliche Interessen begründen, entwickelten sich die verwandten Wissenschaften der Lagerstättenkunde und Mineralogie erst im 18. Jahrhundert. Die Erforschung der Erde, insbesondere der Paläontologie , erlebte im 19. Jahrhundert eine Blütezeit. Das Wachstum anderer Disziplinen wie der Geophysik im 20. Jahrhundert führte in den 1960er Jahren zur Entwicklung der Plattentektonik , die einen ähnlichen Einfluss auf die Geowissenschaften hatte wie die Evolutionstheorie auf die Biologie. Die Geowissenschaften sind heute eng mit Erdöl- und Mineralressourcen , der Klimaforschung sowie der Umweltbewertung und -sanierung verknüpft .

Obwohl die Atmosphärenwissenschaft aufgrund ihrer eigenständigen Entwicklung von Konzepten, Techniken und Methoden sowie ihrer zahlreichen Teildisziplinen mitunter zusammen mit den Geowissenschaften betrachtet wird, gilt sie auch als eigenständiger Zweig der Naturwissenschaften. Dieses Fachgebiet untersucht die Eigenschaften verschiedener Atmosphärenschichten vom Boden bis zum Rand des Weltraums. Der Untersuchungszeitraum reicht von Tagen bis zu Jahrhunderten. Manchmal umfasst die Atmosphärenwissenschaft auch die Erforschung von Klimamustern auf anderen Planeten. ^{[ 10 ]}

Die ernsthafte Erforschung der Ozeane begann im 19. Jahrhundert. Als naturwissenschaftliches Fachgebiet ist sie relativ jung, doch bieten eigenständige Studiengänge Spezialisierungen in diesem Bereich an. Obwohl die Einordnung der Ozeane in die Geowissenschaften, die interdisziplinären Wissenschaften oder als eigenständiges Fachgebiet weiterhin umstritten ist, herrscht unter den meisten modernen Forschern Einigkeit darüber, dass sie sich zu einem Forschungsgebiet mit eigenen Paradigmen und Methoden entwickelt hat. ^{[ 11 ]}

Die Planetenwissenschaft , auch Planetologie genannt, ist die wissenschaftliche Erforschung von Planeten. Dazu gehören erdähnliche Planeten wie die Erde sowie andere Planetentypen wie Gas- und Eisriesen . Die Planetenwissenschaft befasst sich auch mit anderen Himmelskörpern wie Zwergplaneten , Monden , Asteroiden und Kometen . Ihr Fokus liegt größtenteils auf dem Sonnensystem , doch in jüngster Zeit weitet sie sich auf Exoplaneten , insbesondere erdähnliche Exoplaneten, aus. Sie erforscht verschiedenste Objekte, von Mikrometeoriten bis hin zu Gasriesen, um deren Zusammensetzung, Bewegungen, Entstehung, Wechselwirkungen und Vergangenheit zu verstehen. Die Planetenwissenschaft ist ein interdisziplinäres Gebiet, das aus der Astronomie und den Geowissenschaften hervorgegangen ist und heute eine Vielzahl von Bereichen umfasst, darunter Planetengeologie , Kosmochemie , Atmosphärenwissenschaft , Physik , Ozeanographie , Hydrologie , theoretische Planetologie , Glaziologie und Exoplanetologie. Verwandte Gebiete sind die Weltraumphysik , die sich mit dem Einfluss der Sonne auf die Körper im Sonnensystem befasst, und die Astrobiologie .

Die Planetenforschung umfasst miteinander verbundene beobachtende und theoretische Bereiche. Die beobachtende Forschung kombiniert Weltraumerkundung , vorwiegend durch robotische Raumsondenmissionen mit Fernerkundung , mit vergleichenden experimentellen Arbeiten in erdgebundenen Laboren. Der theoretische Aspekt beinhaltet umfangreiche mathematische Modellierung und Computersimulationen .

Planetenforscher sind typischerweise in den Fachbereichen Astronomie, Physik oder Geowissenschaften an Universitäten oder Forschungszentren angesiedelt. Weltweit gibt es jedoch auch spezialisierte Institute für Planetenforschung. Wer eine Karriere in der Planetenforschung anstrebt, absolviert in der Regel ein Masterstudium in einer der Geowissenschaften, Astronomie, Astrophysik, Geophysik oder Physik. Anschließend konzentrieren sie sich in ihrer Forschung auf die Planetenforschung. Jährlich finden bedeutende Konferenzen statt, und zahlreiche Fachzeitschriften mit Peer-Review-Verfahren decken die vielfältigen Forschungsinteressen in diesem Bereich ab. Einige Planetenforscher sind in privaten Forschungseinrichtungen angestellt und beteiligen sich häufig an Forschungskooperationen.

Die Physik umfasst die Erforschung der fundamentalen Bausteine ​​des Universums , der Kräfte und Wechselwirkungen, die sie aufeinander ausüben, sowie der Folgen dieser Wechselwirkungen. Sie gilt allgemein als Grundlagenwissenschaft, da alle anderen Naturwissenschaften ihre Prinzipien und Gesetze anwenden und befolgen. Die Physik stützt sich maßgeblich auf die Mathematik , insbesondere die Analysis , als logisches Gerüst zur Formulierung und Quantifizierung von Prinzipien.

Die Erforschung der Prinzipien des Universums hat eine lange Geschichte und basiert größtenteils auf direkter Beobachtung und Experimenten. Die Formulierung von Theorien über die grundlegenden Gesetze des Universums war von Anfang an zentral für die Physik, wobei die Philosophie allmählich systematischen, quantitativen experimentellen Untersuchungen und Beobachtungen als Quelle der Bestätigung wich. Zu den wichtigsten historischen Entwicklungen der Physik zählen Isaac Newtons Theorie der universellen Gravitation und die klassische Mechanik , das Verständnis der Elektrizität und ihres Zusammenhangs mit dem Magnetismus , Einsteins spezielle und allgemeine Relativitätstheorie , die Entwicklung der Thermodynamik sowie das quantenmechanische Modell der Atom- und Subatomphysik.

Die Physik ist ein weites Feld und umfasst so unterschiedliche Bereiche wie Quantenmechanik und theoretische Physik , angewandte Physik und Optik . Die moderne Physik spezialisiert sich zunehmend, wobei sich Forscher eher auf ein bestimmtes Gebiet konzentrieren, anstatt wie Isaac Newton , Albert Einstein und Lew Landau „Universalisten“ zu sein , die in mehreren Bereichen arbeiteten.

Die Grenzen zwischen den naturwissenschaftlichen Disziplinen sind nicht immer klar definiert, und sie überschneiden sich in vielen Bereichen. Die Physik spielt eine bedeutende Rolle in den anderen Naturwissenschaften, wie beispielsweise in der Astrophysik , Geophysik , Chemischen Physik und Biophysik . Ebenso ist die Chemie in Bereichen wie Biochemie , Physikalischer Chemie , Geochemie und Astrochemie vertreten .

Ein konkretes Beispiel für eine wissenschaftliche Disziplin, die auf mehreren Naturwissenschaften basiert, ist die Umweltwissenschaft . Dieses Fachgebiet untersucht die Wechselwirkungen physikalischer, chemischer, geologischer und biologischer Umweltkomponenten , insbesondere im Hinblick auf die Auswirkungen menschlicher Aktivitäten und deren Folgen für Biodiversität und Nachhaltigkeit . Die Umweltwissenschaft greift zudem auf Expertise aus anderen Bereichen wie Wirtschaftswissenschaften, Rechtswissenschaften und Sozialwissenschaften zurück.

Eine vergleichbare Disziplin ist die Ozeanographie , da sie auf ein ähnliches Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen zurückgreift. Die Ozeanographie gliedert sich in spezialisierte interdisziplinäre Bereiche wie die physikalische Ozeanographie und die Meeresbiologie . Da das marine Ökosystem riesig und vielfältig ist, ist die Meeresbiologie wiederum in zahlreiche Teilgebiete unterteilt, darunter Spezialisierungen auf bestimmte Arten .

Es gibt auch eine Untergruppe interdisziplinärer Felder mit starken Strömungen, die aufgrund der Art der von ihnen behandelten Probleme der Spezialisierung entgegenwirken. Anders ausgedrückt: In einigen integrativen Anwendungsgebieten sind Spezialisten mehrerer Fachgebiete ein wesentlicher Bestandteil des wissenschaftlichen Diskurses. Zu diesen integrativen Feldern gehören beispielsweise die Nanowissenschaften , die Astrobiologie und die Informatik komplexer Systeme .

Die Materialwissenschaft ist ein relativ junges, interdisziplinäres Feld, das sich mit der Erforschung von Materie und ihren Eigenschaften sowie der Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien befasst. Ursprünglich aus der Metallurgie hervorgegangen , umfasst die Untersuchung der Eigenschaften von Werkstoffen und Festkörpern heute alle Materialien. Das Feld deckt die chemischen, physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen von Werkstoffen ab, darunter Metalle, Keramiken, künstliche Polymere und viele andere. Im Kern geht es um den Zusammenhang zwischen der Struktur von Materialien und ihren Eigenschaften.

Die Materialwissenschaft zählt zu den führenden Forschungsgebieten in Wissenschaft und Technik. Sie ist ein wesentlicher Bestandteil der forensischen Ingenieurwissenschaft (der Untersuchung von Materialien, Produkten, Strukturen oder Bauteilen, die versagen oder nicht wie vorgesehen funktionieren und dadurch Personen- oder Sachschäden verursachen) und der Schadensanalyse . Letztere ist der Schlüssel zum Verständnis beispielsweise der Ursachen verschiedener Flugunfälle. Viele der drängendsten wissenschaftlichen Probleme unserer Zeit sind auf die Grenzen der verfügbaren Materialien zurückzuführen. Daher dürften Durchbrüche auf diesem Gebiet die Zukunft der Technologie maßgeblich beeinflussen.

Die Grundlage der Materialwissenschaft besteht in der Untersuchung der Struktur von Materialien und deren Zusammenhang mit ihren Eigenschaften . Durch das Verständnis dieser Struktur-Eigenschafts-Korrelation können Materialwissenschaftler die relative Leistungsfähigkeit eines Materials in einer bestimmten Anwendung untersuchen. Die wichtigsten Bestimmungsfaktoren der Materialstruktur und damit seiner Eigenschaften sind seine chemischen Bestandteile und die Art der Verarbeitung. Diese Eigenschaften bestimmen gemeinsam, in Verbindung mit den Gesetzen der Thermodynamik und Kinetik , die Mikrostruktur eines Materials und somit seine Eigenschaften.

Manche Wissenschaftler führen die Ursprünge der Naturwissenschaften auf schriftlose Gesellschaften zurück, in denen das Verständnis der Natur überlebensnotwendig war. ^{[ 12 ]} Die Menschen beobachteten das Verhalten von Tieren und den Nutzen von Pflanzen als Nahrung und Medizin und sammelten so Wissen, das von Generation zu Generation weitergegeben wurde. ^{[ 12 ]} Diese ursprünglichen Erkenntnisse wichen um 3500 bis 3000 v. Chr. in den mesopotamischen und altägyptischen Kulturen einer formalisierten Forschung, die die ersten bekannten schriftlichen Zeugnisse der Naturphilosophie , der Vorläuferin der Naturwissenschaften, hervorbrachte. ^{[ 13 ]} Obwohl die Schriften ein Interesse an Astronomie, Mathematik und anderen Aspekten der physikalischen Welt erkennen lassen, war das letztendliche Ziel der Erforschung der Naturgesetze in allen Fällen religiöser oder mythologischer und nicht wissenschaftlicher Natur. ^{[ 14 ]}

Auch im alten China entwickelte sich eine Tradition wissenschaftlicher Forschung . Taoistische Alchemisten und Philosophen experimentierten dort mit Elixieren, um das Leben zu verlängern und Krankheiten zu heilen. ^{[ 15 ]} Sie konzentrierten sich auf Yin und Yang , die gegensätzlichen Elemente der Natur. Yin wurde mit Weiblichkeit und Kälte, Yang hingegen mit Männlichkeit und Wärme assoziiert. ^{[ 16 ]} Die fünf Elemente – Feuer, Erde, Metall, Holz und Wasser – beschrieben einen Kreislauf der Wandlungen in der Natur. Wasser verwandelte sich in Holz, welches beim Verbrennen zu Feuer wurde. Die Asche des Feuers war Erde. ^{[ 17 ]} Mithilfe dieser Prinzipien erforschten chinesische Philosophen und Ärzte die menschliche Anatomie, charakterisierten Organe als überwiegend Yin oder Yang und verstanden den Zusammenhang zwischen Puls, Herz und Blutfluss im Körper Jahrhunderte, bevor dies im Westen anerkannt wurde. ^{[ 18 ]}

Es gibt nur wenige Belege dafür, wie die altindischen Kulturen entlang des Indus die Natur verstanden, doch einige ihrer Ansichten spiegeln sich möglicherweise in den Veden wider , einer Sammlung heiliger hinduistischer Texte. ^{[ 18 ]} Sie offenbaren ein Verständnis des Universums als stetig expandierend und in einem fortwährenden Kreislauf der Erneuerung und Umgestaltung. ^{[ 18 ]} Chirurgen der ayurvedischen Tradition betrachteten Gesundheit und Krankheit als ein Zusammenspiel der drei Körpersäfte: Wind , Galle und Schleim . ^{[ 18 ]} Ein gesundes Leben resultierte aus einem Gleichgewicht dieser Säfte. ^{[ 18 ]} Im Ayurveda bestand der Körper aus fünf Elementen: Erde, Wasser, Feuer, Wind und Raum. ^{[ 18 ]} Ayurvedische Chirurgen führten komplexe Operationen durch und entwickelten ein detailliertes Verständnis der menschlichen Anatomie. ^{[ 18 ]}

Die vorsokratischen Philosophen der altgriechischen Kultur brachten die Naturphilosophie zwischen 600 und 400 v. Chr. der direkten Untersuchung von Ursache und Wirkung in der Natur einen Schritt näher. Ein Element von Magie und Mythologie blieb jedoch bestehen. ^{[ 19 ]} Naturphänomene wie Erdbeben und Sonnenfinsternisse wurden zunehmend im Kontext der Natur selbst erklärt, anstatt sie zornigen Göttern zuzuschreiben. ^{[ 19 ]} Thales von Milet , ein früher Philosoph (625–546 v. Chr.), erklärte Erdbeben mit der Theorie, dass die Welt auf Wasser schwimme und Wasser das grundlegende Element der Natur sei. ^{[ 20 ]} Im 5. Jahrhundert v. Chr. war Leukipp ein früher Vertreter des Atomismus , der Vorstellung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen besteht. ^{[ 21 ]} Pythagoras wandte griechische Neuerungen der Mathematik auf die Astronomie an und nahm an, dass die Erde eine Kugel sei . ^{[ 21 ]}

Später konzentrierten sich sokratische und platonische Denker auf Ethik, Moral und Kunst und unternahmen keine Untersuchungen der physischen Welt; Platon kritisierte die vorsokratischen Denker als Materialisten und Religionsgegner. ^{[ 22 ]} Aristoteles hingegen, ein Schüler Platons (384–322 v. Chr.), widmete der Natur in seiner Philosophie größere Aufmerksamkeit. ^{[ 23 ]} In seiner „Historia Animalia“ beschrieb er die inneren Vorgänge von 110 Arten, darunter Stachelrochen , Wels und Biene . ^{[ 24 ]} Er untersuchte Hühnerembryonen, indem er Eier öffnete und sie in verschiedenen Entwicklungsstadien beobachtete. ^{[ 25 ]} Aristoteles’ Werke waren bis ins 16. Jahrhundert einflussreich, und er gilt aufgrund seiner Pionierarbeit auf diesem Gebiet als Vater der Biologie . ^{[ 26 ]} In seinen Werken „Physik“ und „Meteorologie“ präsentierte er zudem Philosophien über Physik, Natur und Astronomie, die auf induktivem Denken basierten . ^{[ 27 ]}

Aristoteles widmete der Naturphilosophie zwar mehr Bedeutung als seine Vorgänger, betrachtete sie aber als theoretischen Zweig der Wissenschaft. ^{[ 28 ]} Dennoch verfassten, inspiriert von seinem Werk, antike römische Philosophen des frühen 1. Jahrhunderts n. Chr., darunter Lukrez , Seneca und Plinius der Ältere , Abhandlungen, die sich in unterschiedlicher Tiefe mit den Gesetzmäßigkeiten der Natur befassten. ^{[ 29 ]} Viele antike römische Neuplatoniker des 3. bis 6. Jahrhunderts adaptierten Aristoteles’ Lehren über die physische Welt ebenfalls für eine Philosophie, die den Spiritualismus betonte. [30] Frühmittelalterliche ^{Philosophen wie Macrobius} , Calcidius und Martianus Capella untersuchten die physische Welt ebenfalls, vorwiegend aus kosmologischer und kosmographischer Perspektive, und stellten Theorien über die Anordnung der Himmelskörper und des Himmels auf, der ihrer Ansicht nach aus Äther bestand . ^{[ 31 ]}

Aristoteles' Werke zur Naturphilosophie wurden auch während des Aufstiegs des Byzantinischen Reiches und des Abbasidenkalifats weiterhin übersetzt und studiert . ^{[ 32 ]}

Im Byzantinischen Reich war Johannes Philoponos , ein alexandrinischer Aristoteleskommentator und christlicher Theologe, der Erste, der Aristoteles’ Physiklehre in Frage stellte. Anders als Aristoteles, der seine Physik auf verbalen Argumenten gründete, stützte sich Philoponos auf Beobachtungen und argumentierte für diese, anstatt auf verbale Argumente zurückzugreifen. ^{[ 33 ]} Er führte die Theorie des Impetus ein . Die Kritik des Johannes Philoponos an den aristotelischen Prinzipien der Physik diente Galilei während der Wissenschaftlichen Revolution als Inspiration . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

Während der Zeit des Abbasidenkalifats ab dem 9. Jahrhundert erlebten Mathematik und Naturwissenschaften eine Blütezeit , in der muslimische Gelehrte die griechische und indische Naturphilosophie weiterentwickelten. ^{[ 36 ]} Die Wörter Alkohol , Algebra und Zenit haben alle arabische Wurzeln. ^{[ 37 ]}

Aristoteles' Werke und andere griechische Naturphilosophien gelangten erst Mitte des 12. Jahrhunderts in den Westen, als ihre Schriften aus dem Griechischen und Arabischen ins Lateinische übersetzt wurden . ^{[ 38 ]} Die Entwicklung der europäischen Zivilisation im späteren Mittelalter brachte weitere Fortschritte in der Naturphilosophie mit sich. ^{[ 39 ]} Europäische Erfindungen wie das Hufeisen , das Pferdegeschirr und die Fruchtfolge ermöglichten ein rasches Bevölkerungswachstum, das schließlich zur Urbanisierung und zur Gründung von Schulen führte, die mit Klöstern und Kathedralen im heutigen Frankreich und England verbunden waren . ^{[ 40 ]} Mithilfe dieser Schulen entwickelte sich ein Ansatz in der christlichen Theologie , der Fragen zur Natur und anderen Themen mithilfe der Logik zu beantworten suchte. ^{[ 41 ]} Dieser Ansatz wurde jedoch von einigen Kritikern als Ketzerei angesehen . ^{[ 41 ]}

Im 12. Jahrhundert kamen westeuropäische Gelehrte und Philosophen mit einem ihnen bis dahin unbekannten Wissenskorpus in Berührung: einem umfangreichen Korpus griechischer und arabischer Werke, die von islamischen Gelehrten bewahrt worden waren. ^{[ 42 ]} Durch Übersetzungen ins Lateinische wurde Westeuropa mit Aristoteles und seiner Naturphilosophie vertraut gemacht. ^{[ 42 ]} Diese Werke wurden bereits im frühen 13. Jahrhundert an den neu gegründeten Universitäten in Paris und Oxford gelehrt , obwohl dies von der katholischen Kirche missbilligt wurde. ^{[ 43 ]} Ein Dekret der Pariser Synode aus dem Jahr 1210 ordnete an, dass „weder öffentlich noch privat in Paris Vorlesungen gehalten werden dürfen, in denen Aristoteles’ Bücher zur Naturphilosophie oder die Kommentare verwendet werden, und wir verbieten dies alles unter Androhung der Exkommunikation.“ ^{[ 43 ]}

Im späten Mittelalter übersetzte der spanische Philosoph Dominicus Gundissalinus eine Abhandlung des persischen Gelehrten Al-Farabi mit dem Titel „ Über die Wissenschaften“ ins Lateinische und bezeichnete das Studium der Naturmechanik als „Scientia naturalis“ oder Naturwissenschaft. ^{[ 44 ]} In seinem Werk „Über die Einteilung der Philosophie“ von 1150 ^{[ 44 ]} schlug Gundissalinus auch seine Klassifizierung der Naturwissenschaften vor . Dies war die erste detaillierte, auf der griechischen und arabischen Philosophie basierende Klassifizierung der Wissenschaften, die Westeuropa erreichte. ^{[ 44 ]} Gundissalinus definierte Naturwissenschaft als „die Wissenschaft, die sich nur mit nicht abstrahierten und bewegten Dingen befasst“, im Gegensatz zur Mathematik und den auf Mathematik basierenden Wissenschaften. ^{[ 45 ]} In Anlehnung an Al-Farabi unterteilte er die Wissenschaften in acht Bereiche: Physik, Kosmologie, Meteorologie, Mineralogie sowie Pflanzen- und Tierkunde. ^{[ 45 ]}

Später entwickelten Philosophen ihre eigenen Klassifizierungen der Naturwissenschaften. Robert Kilwardby schrieb im 13. Jahrhundert „ Über die Ordnung der Wissenschaften“ , in dem er die Medizin zusammen mit Landwirtschaft, Jagd und Theater als mechanische Wissenschaft einordnete und die Naturwissenschaft als die Wissenschaft definierte, die sich mit Körpern in Bewegung befasst. ^{[ 46 ]} Roger Bacon , ein englischer Mönch und Philosoph, schrieb, die Naturwissenschaft befasse sich mit „einem Prinzip von Bewegung und Ruhe, wie es in den Bestandteilen der Elemente Feuer, Luft, Erde und Wasser sowie in allen daraus hergestellten unbelebten Dingen zu finden ist.“ ^{[ 47 ]} Diese Wissenschaften umfassten auch Pflanzen, Tiere und Himmelskörper. ^{[ 47 ]}

Im späteren 13. Jahrhundert definierte der katholische Priester und Theologe Thomas von Aquin die Naturwissenschaft als die Lehre von „beweglichen Wesen“ und „Dingen, die nicht nur für ihre Existenz, sondern auch für ihre Definition von einer Materie abhängen“. ^{[ 48 ]} Unter den Gelehrten des Mittelalters herrschte weitgehend Einigkeit darüber, dass sich die Naturwissenschaft mit Körpern in Bewegung befasste. Uneinigkeit bestand jedoch darüber, ob Bereiche wie Medizin, Musik und Perspektive einbezogen werden sollten. ^{[ 49 ]} Philosophen beschäftigten sich unter anderem mit Fragen wie der Existenz eines Vakuums, der Frage, ob Bewegung Wärme erzeugen kann, den Farben des Regenbogens, der Bewegung der Erde, der Existenz elementarer Chemikalien und dem Entstehungsort des Regens in der Atmosphäre. ^{[ 50 ]}

In den Jahrhunderten bis zum Ende des Mittelalters vermischte sich die Naturwissenschaft häufig mit Philosophien über Magie und Okkultismus. ^{[ 51 ]} Die Naturphilosophie trat in verschiedenen Formen auf, von Abhandlungen über Enzyklopädien bis hin zu Kommentaren zu Aristoteles. ^{[ 52 ]} Die Wechselwirkung zwischen Naturphilosophie und Christentum war in dieser Zeit komplex; einige frühe Theologen, darunter Tatian und Eusebius , betrachteten die Naturphilosophie als Auswuchs heidnischer griechischer Wissenschaft und begegneten ihr mit Misstrauen. ^{[ 53 ]} Obwohl einige spätere christliche Philosophen, darunter Thomas von Aquin, die Naturwissenschaft als Mittel zur Auslegung der Heiligen Schrift ansahen, hielt dieses Misstrauen bis ins 12. und 13. Jahrhundert an. ^{[ 54 ]} Die Verurteilung von 1277 , die es verbot, die Philosophie der Theologie gleichzustellen und religiöse Konstrukte in einem wissenschaftlichen Kontext zu diskutieren, verdeutlichte die Beharrlichkeit, mit der sich katholische Würdenträger der Entwicklung der Naturphilosophie selbst aus theologischer Perspektive widersetzten. ^{[ 55 ]} Thomas von Aquin und Albertus Magnus , ein weiterer katholischer Theologe jener Zeit, bemühten sich in ihren Werken um eine Trennung der Theologie von den Wissenschaften. ^{[ 56 ]} „Ich sehe nicht, was die Interpretation des Aristoteles mit der Glaubenslehre zu tun hat“, schrieb er 1271. ^{[ 57 ]}

Im 16. und 17. Jahrhundert entwickelte sich die Naturphilosophie über die Kommentare zu Aristoteles hinaus, da immer mehr frühe griechische Philosophie entdeckt und übersetzt wurde. ^{[ 58 ]} Die Erfindung des Buchdrucks im 15. Jahrhundert, die Erfindung des Mikroskops und des Teleskops sowie die Reformation veränderten den gesellschaftlichen Kontext, in dem sich die wissenschaftliche Forschung im Westen entwickelte, grundlegend. ^{[ 58 ]} Christoph Kolumbus ' Entdeckung einer neuen Welt veränderte die Vorstellungen über die physikalische Beschaffenheit der Erde, während die Beobachtungen von Kopernikus , Tyco Brahe und Galilei ein genaueres Bild des heliozentrischen Sonnensystems lieferten und viele von Aristoteles' Theorien über die Himmelskörper widerlegten. ^{[ 59 ]} Mehrere Philosophen des 17. Jahrhunderts, darunter René Descartes , Pierre Gassendi , Marin Mersenne , Nicolas Malebranche , Thomas Hobbes , John Locke und Francis Bacon , brachen mit der Vergangenheit, indem sie Aristoteles und seine mittelalterlichen Anhänger rundweg ablehnten und deren Ansatz zur Naturphilosophie als oberflächlich bezeichneten. ^{[ 60 ]}

Die Titel von Galileis Werk „ Zwei neue Wissenschaften“ und Johannes Keplers „ Neue Astronomie“ unterstrichen die Atmosphäre des Wandels, der sich im 17. Jahrhundert durchsetzte, als Aristoteles zugunsten neuer Methoden der Erforschung der Natur verworfen wurde. ^{[ 62 ]} Bacon trug maßgeblich zur Popularisierung dieses Wandels bei; er argumentierte, dass die Menschen die Künste und Wissenschaften nutzen sollten, um die Natur zu beherrschen. ^{[ 63 ]} Um dies zu erreichen, schrieb er, dass „das menschliche Leben mit Entdeckungen und Fähigkeiten ausgestattet sein muss“. ^{[ 64 ]} Er definierte Naturphilosophie als „die Erkenntnis der Ursachen und geheimen Bewegungen der Dinge und die Erweiterung der Grenzen des menschlichen Reiches, um alles Mögliche zu verwirklichen“. ^{[ 62 ]} Bacon schlug vor, dass die wissenschaftliche Forschung vom Staat gefördert und durch die gemeinsame Forschung von Wissenschaftlern genährt werden sollte – eine Vision, die in ihrem Umfang, ihrem Anspruch und ihren Formen für die damalige Zeit beispiellos war. ^{[ 64 ]}

Naturphilosophen begannen, die Natur zunehmend als einen Mechanismus zu betrachten, der sich zerlegen und verstehen ließ, ähnlich einer komplexen Uhr. ^{[ 65 ]} Naturphilosophen wie Isaac Newton , Evangelista Torricelli und Francesco Redi , Edme Mariotte , Jean-Baptiste Denis und Jacques Rohault führten Experimente durch, die sich mit dem Wasserfluss befassten, den Luftdruck mithilfe eines Barometers maßen und die Urzeugung widerlegten . ^{[ 66 ]} Wissenschaftliche Gesellschaften und Zeitschriften entstanden und wurden durch den Buchdruck weit verbreitet, was die Wissenschaftliche Revolution auslöste . ^{[ 67 ]} Newton veröffentlichte 1687 seine „Mathematisch-Naturphilosophischen Prinzipien“ ( Principia Mathematica ), die die Grundlage für physikalische Gesetze bildeten, die bis ins 19. Jahrhundert Gültigkeit behielten. ^{[ 68 ]}

Einige moderne Wissenschaftler, darunter Andrew Cunningham, Perry Williams und Floris Cohen , argumentieren, dass die Naturphilosophie nicht korrekt als Wissenschaft bezeichnet werden sollte und dass die eigentliche wissenschaftliche Forschung erst mit der wissenschaftlichen Revolution begann. ^{[ 69 ]} Laut Cohen ist „die Emanzipation der Wissenschaft von einer übergeordneten Instanz namens ‚Naturphilosophie‘ ein definierendes Merkmal der wissenschaftlichen Revolution.“ ^{[ 69 ]} Andere Wissenschaftshistoriker, darunter Edward Grant , vertreten die Ansicht, dass die wissenschaftliche Revolution, die im 17., 18. und 19. Jahrhundert ihre Blütezeit erlebte, stattfand, als man begann, Prinzipien der exakten Wissenschaften Optik, Mechanik und Astronomie auf Fragen der Naturphilosophie anzuwenden. ^{[ 69 ]} Grant argumentiert, dass Newton versuchte, die mathematische Grundlage der Natur – die unveränderlichen Gesetze, denen sie gehorcht – offenzulegen und damit erstmals Naturphilosophie und Mathematik miteinander verband, wodurch er ein frühes Werk der modernen Physik schuf. ^{[ 70 ]}

Die wissenschaftliche Revolution, die im 17. Jahrhundert ihren Anfang nahm, bedeutete einen radikalen Bruch mit den aristotelischen Forschungsmethoden. ^{[ 71 ]} Einer ihrer wichtigsten Fortschritte war die Anwendung der wissenschaftlichen Methode zur Erforschung der Natur. Es wurden Daten gesammelt und in Experimenten wiederholbare Messungen durchgeführt . ^{[ 72 ]} Anschließend formulierten Wissenschaftler Hypothesen , um die Ergebnisse dieser Experimente zu erklären. ^{[ 73 ]} Die Hypothese wurde dann mithilfe des Falsifizierbarkeitsprinzips überprüft , um ihre Richtigkeit zu beweisen oder zu widerlegen. ^{[ 73 ]} Die Naturwissenschaften wurden weiterhin als Naturphilosophie bezeichnet, doch die Anwendung der wissenschaftlichen Methode führte die Wissenschaft über den Bereich philosophischer Spekulationen hinaus und etablierte eine strukturiertere Methode zur Untersuchung der Natur. ^{[ 71 ]}

Newton, ein englischer Mathematiker und Physiker, war eine Schlüsselfigur der wissenschaftlichen Revolution. ^{[ 74 ]} Aufbauend auf den astronomischen Erkenntnissen von Kopernikus, Brahe und Kepler leitete Newton das universelle Gravitationsgesetz und die Bewegungsgesetze ab . ^{[ 75 ]} Diese Gesetze galten sowohl auf der Erde als auch im Weltraum und vereinten zwei Bereiche der physikalischen Welt, die zuvor als unabhängig voneinander und nach unterschiedlichen physikalischen Gesetzen funktionierend galten. ^{[ 76 ]} Newton zeigte beispielsweise, dass die Gezeiten durch die Gravitationskraft des Mondes verursacht werden . ^{[ 77 ]} Ein weiterer Fortschritt Newtons bestand darin, die Mathematik zu einem wirkungsvollen Erklärungsinstrument für Naturphänomene zu machen. ^{[ 78 ]} Während Naturphilosophen die Mathematik schon lange als Mittel zur Messung und Analyse nutzten, wurden ihre Prinzipien erst durch Newton dazu verwendet, Ursache und Wirkung in der Natur zu verstehen. ^{[ 78 ]}

Im 18. und 19. Jahrhundert erweiterten Wissenschaftler wie Charles-Augustin de Coulomb , Alessandro Volta und Michael Faraday die Newtonsche Mechanik durch die Erforschung des Elektromagnetismus , also des Zusammenspiels von Kräften mit positiven und negativen Ladungen elektrisch geladener Teilchen. ^{[ 79 ]} Faraday postulierte, dass Naturkräfte in „ Feldern “ wirken, die den Raum erfüllen. ^{[ 80 ]} Diese Vorstellung von Feldern stand im Gegensatz zum Newtonschen Gravitationskonzept, das Gravitation lediglich als „Fernwirkung“ oder Anziehung zwischen Objekten ohne dazwischenliegende Wechselwirkung verstand. ^{[ 80 ]} James Clerk Maxwell vereinte diese Entdeckungen im 19. Jahrhundert in einer kohärenten Theorie der Elektrodynamik . ^{[ 79 ]} Mithilfe mathematischer Gleichungen und Experimenten entdeckte Maxwell, dass der Raum mit geladenen Teilchen gefüllt ist, die aufeinander einwirken und ein Medium zur Übertragung geladener Wellen darstellen. ^{[ 79 ]}

Während der wissenschaftlichen Revolution wurden auch in der Chemie bedeutende Fortschritte erzielt. Der französische Chemiker Antoine Lavoisier widerlegte die Phlogistontheorie , der zufolge Stoffe durch die Freisetzung von Phlogiston in die Luft verbrennen. ^{[ 80 ]} Joseph Priestley hatte im 18. Jahrhundert den Sauerstoff entdeckt , doch Lavoisier erkannte, dass Verbrennung auf Oxidation beruht . ^{[ 80 ]} Er erstellte außerdem eine Tabelle mit 33 Elementen und entwickelte die moderne chemische Nomenklatur. ^{[ 80 ]} Die formale Biologie steckte im 18. Jahrhundert noch in den Kinderschuhen; der Schwerpunkt lag auf der Klassifizierung und Kategorisierung der Natur. Diese Entwicklung der Naturgeschichte wurde maßgeblich von Carl von Linné vorangetrieben , dessen Taxonomie der Natur aus dem Jahr 1735 noch heute Verwendung findet. In den 1750er Jahren führte Linné wissenschaftliche Namen für alle seine Arten ein. ^{[ 81 ]}

Im 19. Jahrhundert wurde die Wissenschaftsforschung zum Gegenstand von Fachleuten und Institutionen. Dadurch erhielt sie allmählich die modernere Bezeichnung Naturwissenschaft. Der Begriff „Wissenschaftler“ wurde 1834 von William Whewell in einer Rezension von Mary Somervilles Werk „ On the Connexion of the Sciences“ geprägt . ^{[ 82 ]} Der Begriff setzte sich jedoch erst gegen Ende desselben Jahrhunderts allgemein durch. ^{[ 83 ] [ 84 ]}

Nach dem berühmten Lehrbuch „ Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances “ von 1923, verfasst von dem amerikanischen Chemiker Gilbert N. Lewis und dem amerikanischen Physikochemiker Merle Randall , ^{[ 85 ]} umfassen die Naturwissenschaften drei große Zweige:

Abgesehen von den logischen und mathematischen Wissenschaften gibt es drei große Zweige der Naturwissenschaften , die sich durch die Vielfalt der weitreichenden Schlussfolgerungen aus einer kleinen Anzahl primärer Postulate auszeichnen – dies sind die Mechanik , die Elektrodynamik und die Thermodynamik . ^{[ 86 ]}

Heute werden die Naturwissenschaften üblicherweise in Lebenswissenschaften wie Botanik und Zoologie und physikalische Wissenschaften wie Physik, Chemie, Astronomie und Geowissenschaften unterteilt.

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• Empirismus
• Liste der akademischen Disziplinen und Unterdisziplinen
• Naturgeschichte
• Naturwissenschaften (Cambridge) , für den Tripos an der Universität Cambridge

• Ledoux, SF, 2002: Defining Natural Sciences, Behaviourology Today , 5(1) , 34–36.
• Stokes, Donald E. (1997). Pasteurs Quadrant: Grundlagenforschung und technologische Innovation . Überarbeitet und übersetzt von Albert V. Carozzi und Marguerite Carozzi. Washington, DC: Brookings Institution Press . ISBN 978-0-8157-8177-6Die

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