自然科学

定义

自然科学指以自然界为认识对象的一类知识体系。《中国大百科全书》将其概括为研究无机自然界和包含人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称^[4]，中国大百科全书的学科分类条目则表述为研究自然界的事物和现象，并与社会科学、思维科学并列为“科学三大领域”^[1]。

维基百科对科学三大分支的划分略有不同，将形式科学、自然科学、社会科学并举，并指出自然科学与社会科学同属经验科学，其结论建立在经验证据之上、可由其他研究者在相同条件下复核^[2]。两种划分的差别在于数学与逻辑学的归属：形式科学不依赖经验观察，被视为描述世界的工具而非自然对象的研究^[2]。

就学科构成看，自然科学通常分为物理科学与生命科学两大支：前者涵盖物理学、化学、天文学与地球科学，后者即生物学，各分支还可再细分为更专门的研究领域^[2]。也有学者主张按用途区分基础科学与应用科学，医学、农学、材料科学、环境科学等被归入后者^[5]。

背景

自然科学的前身是自然哲学。古希腊哲人开始追问自然事物的成因，泰勒斯、亚里士多德常被视为自然科学的开创者，而实验方法进入自然研究则一般追溯到伽利略。在古代与中世纪，关于自然的知识未从哲学中独立，17 世纪以前西方研究自然者多沿用“自然史”“混合数学”与“自然哲学”三类名目^[6]。

这一格局的转变来自方法论上的需求：依靠思辨与权威文本难以判定自然现象的真伪，而以观测数据、可控实验与数学推演相结合的做法，能够给出可核验、可预测的结论^[3]。观察与逻辑推理由此被视为自然科学的两大支柱，当观测结果与既有规律不符时，需要检查观测本身或修正规律，而不引入超自然解释。

内容

自然科学的核心是获取经验证据并据此描述、解释和预测自然现象。研究者通过设置受控的实验条件排除主体干扰，力求结论具有普遍性；同行评审与结果可重复性构成质量控制的制度安排^[5]。数学方法在其中扮演通用语言的角色，它把量及其关系抽象为符号与公式，从而推出可检验的预测^[5]。

各基础学科的对象和进路互有分工。物理学探究物质最基本的运动形式与相互作用，为其他分支提供基础；化学在原子、分子尺度上研究物质的组成、结构与反应；生物学关注生命现象及其发生发展规律；地球科学考察大气圈、水圈、岩石圈、生物圈与日地空间的过程和相互作用；天文学则借助天体辐射研究天体的位置、运动、物理性质与演化^[7]。

学科边界并非截然分明，相邻领域之间生长出大量交叉方向。物理学向其他分支渗透形成天体物理、地球物理、化学物理与生物物理，化学与地学、天文的结合产生地球化学、天体化学等，环境科学、海洋学则同时调用多门自然科学的知识^[8]。20 世纪以来，系统科学、信息科学、控制论与非线性科学等综合性学科也被纳入自然科学的范围^[9]。

影响与争议

自然科学的制度化发生在 18 世纪中叶至 19 世纪中叶之间。这一时期出现了大学实验室、专业学会与“科学家”这一职业身份，生物学、地质学、化学、物理学等以研究对象划分的学科建制在高校中确立，取代了以往按方法划分知识的旧格局^[6]。近代自然科学也并非凭空出现，哥白尼的日心说被视为近代科学革命的开端，牛顿经典力学体系的建立则被公认为其形成标志^[3]。

学科归属上仍存在未决问题。数学是否属于自然科学意见不一：有辞典将其列入，也有哲学工具书与科学素养课程把数学视为与自然科学并列的独立领域^[10]。心理学与地理学的定位同样有分歧，较流行的处理是认为二者横跨自然科学与社会科学的范围。

就适用边界而言，自然科学处理可观测、可测量的对象，对价值判断与主观体验一类问题并无解释力^[5]。科学哲学中的可证伪性标准也被用作区分科学与非科学的划界依据，理论须能经受潜在的反驳检验^[5]。

参见

• 物理学 —— 研究物质最基本运动形式与相互作用的自然科学基础学科。

• 化学 —— 在原子、分子层面研究物质组成、结构与变化规律的学科。

• 生物学 —— 研究生命现象与生命活动规律的生命科学分支。

• 天文学 —— 通过天体辐射研究宇宙天体结构、运动与演化的学科。

• 地球科学 —— 以地球各圈层过程及其相互作用为对象的学科群。

• 自然哲学 —— 自然科学独立之前的学科形态，现代自然科学的前身。