naturvetenskap

Termen naturvetenskap sammanfattar vetenskap som arbetar empiriskt och behandlar naturstudier . Naturvetare observerar , mäter och analyserar naturens förhållanden och beteende med metoder som är avsedda att säkerställa reproducerbarheten av deras resultat i syfte att känna igen regelbundenheter. Förutom att förklara naturfenomen är en av naturvetenskapens viktigaste uppgifter att göra naturen användbar. Naturvetenskapen bildar z. B. Del av den teoretiska grunden för olika discipliner som teknik , psykologi , medicin eller miljöskydd .

På 1600-talet gjorde naturvetenskapen det avgörande genombrottet i de intellektuella klasserna i samhället. I samband med upplysningen utlöste detta en vetenskaplig revolution, som på 1700-talet ledde till den industriella tidsåldern med många nya upptäckter och uppfinningar och som kraftigt förändrade samhället, särskilt i västvärlden . Hittills har den påverkats så starkt av den allmänna vetenskapliga verksamheten att sociologi talar om ett vetenskapligt och tekniskt samhälle.

Underområdena för naturvetenskapen inkluderar astronomi , fysik , kemi , biologi , samt vissa miljövetenskaper som geologi , men också jordbruksvetenskap . Naturlagarnas tekniska användbarhet har alltid behandlats inom olika tekniska vetenskaper .

Klassificering och avgränsning

Enligt en klassisk uppfattning kan naturvetenskapen klassificeras vid sidan av humaniora och samhällsvetenskap . På grund av framväxten av en mängd nya vetenskapliga grenar i modern tid, finns det ingen enighet om en allmän klassificering av de enskilda vetenskaperna . Klassificeringen visar sig vara särskilt svår på grund av de många överlappningarna mellan olika vetenskapliga områden. Naturvetenskapen tillhör de empiriska vetenskaperna . De kännetecknas främst av sitt forskningsämne, animerade och livlösa materia. Vissa naturvetenskaper kännetecknas av en matematisk syn på sitt forskningsämne. Dessa kallas exakt vetenskap . Matematik är också en exakt vetenskap, men med sin studie av abstrakta strukturer omfattar den både humaniora och naturvetenskap. Av denna anledning är det ofta bredvid datavetenskap de struktur Sciences delas.

Vetenskaplig forskning handlar främst om frågor som kan besvaras genom att undersöka regelbundna relationer i naturen. Fokus ligger på beskrivningen av själva processen och inte på att hitta en mening. I förenklade termer kan det presenteras med frågan om hur istället för vad för. Frågan varför finns det regn? hittar inte sin förklaring med Så att växter kan växa , men svaras objektivt : Eftersom vatten avdunstar , stiger, samlas i moln och slutligen kondenserar , vilket leder till nederbörd . För det första svarar naturvetenskapen inte på några teleologiska (syfte- eller målinriktade) frågor, utan spårar de granskade processerna tillbaka till naturlagar eller till fakta som redan är kända. I den mån detta lyckas tilldelas naturvetenskapen inte bara en beskrivande utan också en förklarande karaktär.

Vetenskapshistoria

Antikens naturfilosofi

Skildring av den ptolemaiska världsbilden av Andreas Cellarius (1660)

Vetenskaplig kunskap började å ena sidan i manuell och teknisk aktivitet och å andra sidan i den andliga överföringen av människans lärda tradition. Observationer av naturen i antika kulturer - särskilt i astronomi - gav ofta exakta kvantitativa och kvalitativa uttalanden, men tolkades övervägande mytologiskt - till exempel i astrologi . Den grekiska naturfilosofin tog avgörande framsteg med utvecklingen av en metodologi baserad på filosofi och matematik. Den märkbara världen betraktades, som i fyrelementsteorin, som sammansättningen av "elementen" eld, luft, vatten och jord och olika transformationsprocesser beskrivs. Idén om de minsta, odelbara partiklarna ( atomism ), som hela världen består av, utvecklades också. Periodiska rörelser himlakroppar , känd för en lång tid , tolkades geometriskt och idén om ett världssystem har utvecklats där solen, månen och planeterna kända vid den tiden gick vidare cirkulära banor runt jorden vilar i centrum ( geocentrisk syn på världen ). Jordens sfäriska form antogs och motiverades slutgiltigt av Aristoteles senast , förekomsten av sol- och månförmörkelser förklarades, relativa avstånd mellan jorden, solen och månen uppskattades och till och med jordens omkrets bestämdes ganska exakt genom vinkelmätning och geometriska överväganden.

I det romerska riket antogs och utvecklades den grekiska kulturens intellektuella prestationer till stor del med en storhetstid under den kejserliga eran , men förlorades till stor del med imperiets kollaps under 500-talet e.Kr. I medeltida Europa, under teologins och filosofins företräde, kunde naturvetenskapen bara utvecklas långsamt både i den kristna och den islamiska världen och inom ramen för ideologiska förutsättningar.

Kopernikansk vändning och vetenskaplig revolution

Nicholas Copernicus. Gravyr från 1597 av Robert Boissard . Den latinska inskriptionen betyder: "Copernicus lär inte att himmelens banor är ostadiga, utan han säger att jordens omlopp är ostadigt."

Det var inte förrän renässansen att det fanns ett förnyat intresse för naturobservation. När vetenskapen närmade sig det traditionella hantverket i den empiriska metoden fick man ny kunskap inom alla områden. Samspelet mellan alkemi och medicin berikade båda disciplinerna när de utvecklades till empiriska vetenskaper. Korrigeringen av den gamla julianska kalendern och navigering inom havsgående sjöfart krävde en intensiv studie av astronomi. Baserat på jordens rörelse runt solen utvecklade Nicolaus Copernicus ett världssystem som förklarade planeternas himmelska vägar, som tycktes vara komplicerade från jorden, på ett enklare sätt och, jämfört med det ptolemaiska systemet, möjliggjorde en enklare men inte mer exakt beräkning av positionerna. Francis Bacon och Galileo Galilei krävde att naturlig forskning skulle baseras på experiment , med Galileo särskilt framgångsrika för att främja den matematiska utvärderingen av numeriska mätresultat. Emellertid började det kopernikanska världssystemet först hävda sig över den geocentriska världsbilden efter att Johannes Kepler bestämde elliptiska banor på jorden och de andra planeterna från exakta mätningar av Tycho Brahe , Galileo Galilei hade observerat Jupiters månar och faserna på planeten Venus. och Isaac Newton hade allt detta i Kunde teoretiskt bekräfta ramen för den mekanik som utvecklats av honom genom hans gravitationslag . För dessa revolutionära upptäckter från 1500- och 1600-talet myntades termen den kopernikanska vändningen . Vetenskapshistoriker börjar också denna vetenskapliga revolution som pionjärer för modern naturvetenskap.

Modern vetenskap

Experter är inte överens om en exakt definition och den tid då modern naturvetenskap började . Ofta, i överlappning med den vetenskapliga revolutionen, ges 1600-talet som tidsramen för början av modern naturvetenskap. Professionell vetenskaplig verksamhet , utveckling och tillämpning av vetenskaplig metodik och senare utveckling av specialområden genom specialisering ses som viktiga egenskaper .

Med inrättandet av vetenskapliga samhällen, akademier och nya universitet började inrättandet av en oberoende vetenskaplig tradition i Europa. I Frankrike, forskare - påverkas av Descartes " rationalistiska filosofi - ägnade sig åt den teoretiska beskrivning av naturfenomen med betoning på deduktiv metod. I England, men på grund av Bacons inflytande, var intresset för den empiriska metoden, varför experimentet medförde mer tekniska utmaningar. Detta ses också som en av anledningarna till att den industriella revolutionen började i England under andra hälften av 1700-talet. Många banbrytande upptäckter och uppfinningar inledde en omisskännlig social och ekonomisk förändring som spred sig till fastlandet Europa och Amerika under decennierna som följde.

Med den kraftiga kunskapsökningen sedan 1700-talet utvecklades successivt en grundläggande förståelse för strukturen i den empiriskt tillgängliga världen, vilket gjorde det möjligt att dela upp naturvetenskapen i ämnesområden som biologi, kemi, geologi och fysik. Även om skillnader i metodiken för disciplinerna utvecklades påverkade de och kompletterade varandra. Metaboliska processer som studerats i biologi kan till exempel förklaras och forskas mer detaljerat med hjälp av organisk kemi . Vidare gav moderna atomteorier i fysik förklaringar till atomernas struktur och bidrog således till en bättre förståelse av egenskaperna hos grundämnen och kemiska bindningar i kemin . Dessutom utvecklades discipliner som medicin, jordbruks- eller ingenjörsvetenskap som utvecklade möjliga tillämpningar för teoretisk kunskap.

Under första hälften av 1900-talet upplevde fysiken en anmärkningsvärd omvälvning som skulle få allvarliga konsekvenser för naturvetenskapens självbild. Med grunda av kvantfysik , Max Planck och Albert Einstein fastställt att energi - särskilt i ljusvågor - endast förekommer i diskreta kvantiteter, dvs är kvantiseras . Dessutom utvecklade Einstein den speciella (1905) och den allmänna relativitetsteorin (1915), vilket ledde till en ny förståelse av rum, tid, gravitation, energi och materia. Kvantmekanik , som grundades på 1920- och 30-talet, markerar en annan omvälvning , som i beskrivningen av föremål på atomnivå visar markanta skillnader mot den klassiska idén om atomer. Där visade det sig att vissa egenskaper hos partiklar inte kan mätas samtidigt så exakt som önskat ( Heisenbergs osäkerhetsprincip ) och till exempel kan elektroner från en atom inte lokaliseras exakt, utan kan bara beskrivas med vissa sannolikheter via deras plats . Dessa upptäckter eliminerar till stor del mänsklig uppfattning, men utvecklar sin stora betydelse i deras matematiska formulering och är av stor betydelse för många tillämpningar av modern teknik.

Under andra världskriget och det kalla kriget främjades vetenskaplig forskning - särskilt kärnteknik - starkt eftersom det var en förutsättning för stormakternas tekniska och militära överlägsenhet. Sedan dess har termen storskalig forskning etablerat sig för den massiva utbyggnaden av forskningsanläggningar .

Metoder

Metafysiska och epistemologiska förutsättningar

Naturvetenskapens teoretiska metoder samt deras krav och mål beskrivs och diskuteras i vetenskapens filosofi . De bygger huvudsakligen på matematik , logik och epistemologi , men också på kulturformade metodologiska och ontologiska antaganden som är föremål för naturfilosofisk reflektion. Naturvetenskapens mål - utforskningen av naturen - förutsätter som ett grundläggande metafysiskt antagande att naturen existerar och att naturliga processer går enligt lag. Dessutom utgår naturvetare från den teoretiska förutsättningen att den systematiska kunskapen om naturen är möjlig inom vissa gränser. När det gäller frågan var exakt dessa gränser finns, finns det olika synpunkter, varav de vanligaste varianterna kan grovt delas in i två grupper, den empiriska positionen och den vetenskapliga realismens position . Empiriker antar att möjligheten till vetenskaplig kunskap är begränsad till empiriska observationer. Enligt empirism tillåter emellertid teorier eller modeller inga uttalanden om naturen. En svårighet associerad med denna uppfattning är avgränsningen mellan empirisk observation och teoretiska uttalanden, eftersom de flesta observationer inom naturvetenskapen är indirekt. Till exempel kan elektriska fält , atomer , kvasarer eller DNA- molekyler inte observeras direkt; snarare kan egenskaperna hos dessa föremål endast härledas med hjälp av komplexa experimentella hjälpmedel, där den teoretiska tolkningen av de uppmätta data spelar en oumbärlig roll.

Vetenskapliga realister, å andra sidan, intar den ståndpunkten att vetenskapliga teorier eller modeller härledda från teorier tillåter en idealiserad, men ungefär exakt beskrivning av verkligheten. Enligt detta existerar till exempel DNA-molekyler verkligen, och de nuvarande teorierna om arv är ungefär korrekta, även om detta inte utesluter framtida förlängningar eller till och med partiella förändringar av dessa teorier. Vetenskapliga realister betraktar därför sina uttalanden som den bästa säkra kunskapen om naturen som finns, men hävdar inte att de är formuleringen av förbehållslöst giltiga och yttersta sanningar. Vissa kritiker av vetenskaplig realism - positivismrörelsen i början av 1900-talet var särskilt inflytelserik här - avvisar all metafysik som spekulativ. Andra kritiker pekar på specifika epistemologiska problem inom vetenskaplig realism, inklusive särskilt problemet med underbestämning av teorier.

Empirism och experiment

Avståndet som täcks av den fallande bollen ökar kvadratiskt över tiden - bollen accelereras därför.

För att få objektiv kunskap om naturens beteende utförs antingen tester eller processer som redan äger rum i naturen observeras och dokumenteras intensivt. I ett experiment utförs en process ofta under konstgjorda förhållanden i laboratoriet och analyseras kvantitativt med hjälp av olika mätanordningar . I fältforskning å andra sidan undersöks naturliga processer empiriskt eller slumpmässiga undersökningar genomförs. Experimentet eller naturobservation kan upprepas var som helst i världen, oavsett plats och tid - förutsatt att det utförs under samma, relevanta förhållanden - och måste leda till samma resultat inom ramen för mätnoggrannheten ( reproducerbarhet ). Det empiriska tillvägagångssättet har varit en viktig pelare i vetenskapens filosofi , särskilt sedan dess teoretiska beskrivning av Francis Bacon och dess praktiska tillämpning av Galileo Galilei, och garanterar att forskningsresultat kan kontrolleras oberoende och därmed uppfylla kraven på objektivitet.

Empiriska fakta strider ofta mot vardagens erfarenheter. Till exempel verkar lätta föremål som ett pappersark alltid falla långsammare på golvet än tunga föremål som en metallbit. Som representerat Aristoteles uppfattningen att varje fysisk kropp har sin naturliga plats som han vill uppnå. Tunga kroppar skulle falla eftersom deras naturliga plats ligger nedanför. Han antog att varje kropp faller med konstant hastighet , vilket beror på dess massa . Galileo frågade emellertid inte först om orsaken till fallet utan undersökte själva processen genom att registrera falltid, fallhöjd och hastighet hos olika kroppar och sätta dem i relation. Bland annat fann han att falltiden inte beror på kroppens massa - som tidigare antagits - utan på dess form och därmed på luftfriktionen som uppstår . Så om du tappar en bordtennisboll och en blyboll av samma storlek från samma höjd, i motsats till ett intuitivt antagande , kommer du att upptäcka att båda träffar marken samtidigt.

Betydelsen av experimentet beror på olika faktorer. När man använder en mätanordning måste dess noggrannhet vara känd för att alls kunna bedöma hur tillförlitliga data som mäts med den är ( tillförlitlighet ). Hela experimentkonceptet måste också kontrolleras för giltighet och resultaten utvärderas ofta med hjälp av statistiska metoder för att avgöra om resultatet faktiskt kan motivera en situation. Galileo var redan medveten om instrumentens felaktighet och den därmed sammanhängande mätosäkerheten. Av denna anledning förbättrade han sina mätningar genom att undersöka rörelsen på det lutande planet , vilket är analogt med fritt fall .

induktion

När man använder induktionsmetoden dras en allmän kunskap från undersökningen av ett fenomen . De empiriska uppgifterna utvärderas och undersöks för allmänt beskrivbara processer. Om kvantitativa mätresultat är tillgängliga, görs en sökning efter matematiska samband mellan de uppmätta storheterna. I ovanstående exempel på fritt fall fann Galileo ett linjärt förhållande mellan tiden och den fallande kroppens hastighet, vilket uttrycks i konstant tyngdacceleration .

Även om induktiv inferens ofta används inom vetenskapen, är den kontroversiell inom vetenskapens filosofi ( induktionsproblem ). Galileo var redan medveten om svårigheterna. David Hume utarbetade att erfarenheten ensam inte var tillräcklig för att motivera en allmän lag. Det skulle till exempel vara dödligt att försöka bestämma barnets höjd i vuxenlivet utifrån tillväxthastigheten. Av denna anledning har försök gjorts (till exempel av Rudolf Carnap ) att försvaga den informativa kraften hos induktiva slutsatser genom att tilldela ett sannolikhetsvärde till deras giltighet , som antas existera på grundval av empirisk erfarenhet. Sådana tillvägagångssätt avvisas också av representanter för kritisk rationalism som Karl Popper , eftersom de antingen baseras på a priori antaganden eller leder i sin argumentation till oändlig regression och inte löser det ursprungliga induktionsproblemet.

Avdrag

Avledningsmetoden beskriver en logisk slutsats från en hypotes som antas vara sant . Om en viss regelbundenhet misstänks i naturen kan olika uttalanden härledas från detta och igen kontrolleras empiriskt. Återigen kan denna process illustreras med fritt fall. Från antagandet att den fallande kroppens hastighet är direkt proportionell mot dess falltid kan man matematiskt dra slutsatsen att kroppens avstånd ökar kvadratiskt med tiden. Denna slutsats kan nu verifieras experimentellt och visar sig vara korrekt, varigenom den antagna hypotesen visar sig. Tydligt resultatet i ett antal är periodiskt genomögonblicksbilder av ett fallande föremål. Kroppen täcker ett längre avstånd för varje skott, vilket tydligt motbevisar Aristoteles hypotes om en konstant fallhastighet.

En annan observation är att lätta föremål med en stor yta, såsom en fjäder, faller mycket långsammare. Antagandet kan göras att detta faktum beror på luftfriktion. För att kontrollera detta deduktivt kan ett fällsexperiment genomföras i en evakuerad glascylinder, vilket Robert Boyle lyckades 1659. Han visade att alla kroppar med olika massa, såsom en fjäder och en sten, kunde nå marken i ett vakuum när de föll från samma höjd.

Det finns olika metoder för att deduktivt dra slutsatser från kända data eller lagar. Modeller som visar hur pålitliga de är är också viktiga. Om ett systems beteende av vissa skäl inte kan undersökas inom ett område, men uttalanden för systemets utveckling fortfarande kan göras med hjälp av kända lagar, kallas detta extrapolering . Valresultat kan till exempel uppskattas ( extrapolering ) före valet genom att erhålla relativt representativa värden från slumpmässiga undersökningar . Om, å andra sidan, ett uttalande görs om tillståndet för ett system som inte undersöktes direkt, men ligger inom ramen för systemets redan kända beteende, kallas detta interpolation . Om man får ett deduktivt uttalande om en händelse som ska äga rum i framtiden, talar man också om förutsägbarhet . Ett sådant exempel är beräkningen av datum och tider för lunar och solförmörkelser från rörelseekvationerna av de himlakroppar .

Verifiering och förfalskning

Det ursprungligen troliga uttalandet Alla svanar är vita förfalskas av ett motexempel

Till skillnad från matematik kan uttalanden, lagar eller teorier inte bevisas definitivt inom naturvetenskapen . I stället för ett positivt test talar man om bevis. När ett uttalande eller teori stöds av en stor mängd bevis och det inte finns bevis för motsatsen, anses det vara sant. Det kan dock när som helst motbevisas (förfalskning) eller begränsa dess omfattning om nya forskningsresultat kan visa motsvarande resultat. Huruvida en teori är verifierbar d. det vill säga, kan äntligen vara sant, är kontroversiellt i vetenskapens filosofi. Karl Popper citerar ett välkänt exempel i sitt arbete The Logic of Research för att kritiskt illustrera möjligheten att verifiera teorier. Hypotesen att alla svanar är vita bör verifieras. Förespråkare för logisk empirism skulle dra slutsatsen om riktigheten av uttalandet från det empiriska faktum att alla svanar som de känner till är vita. Men de har inte sett alla befintliga svanar och känner inte heller till deras antal. Därför kan du varken anta att hypotesen är sann eller ge uttalanden om sannolikheten för dess riktighet. Orsaken till verifieringsproblemet ligger ursprungligen i induktionssteget. Många svanar vi känner är vita → Alla svanar är vita . Av denna anledning avvisar Popper verifierbarheten av en teori som okunnig. Istället bör teorier aldrig ses som slutgiltiga, utan bör alltid ifrågasättas, varigenom de antingen håller sig eller förfalskas.

minskning

Om flera lagar om naturprocesser är kända, kan man anta att de är beroende av varandra, till exempel har en gemensam orsak och kan således reduceras till en allmän princip. Med detta tillvägagångssätt kan ett växande antal frågor spåras tillbaka till enkla mekanismer eller lagar. Isaac Newton uppnådde en imponerande minskning med formuleringen av sin gravitationslag . Två kroppar utövar en kraft på varandra som beror på deras massor och deras avstånd. Tyngdkraften, som får en sten att falla till marken, kan därför beskrivas med exakt samma lag som tyngdkraften mellan solen och jorden. Många andra observationer, såsom Newtons första korrekt förklarade fenomen av tidvatten , kan också spåras tillbaka till gravitationens lag. Sedan dess har minskningen visat sig och har fått stor betydelse, särskilt för fysik. Men upp till vilka gränser och i vilka vetenskaper denna metod kan användas är kontroversiell.

I vetenskapens filosofi är reduktionism ett kontroversiellt vetenskapsprogram. Enkelt uttryckt är frågan om alla vetenskaper i slutändan kan reduceras till en grundläggande vetenskap - såsom fysik. Förespråkare för därav följande reduktionism, såsom många förespråkare för fysikalism, hävdar att mänskligt medvetande kan beskrivas fullständigt genom neurobiologi , vilket i sin tur kan förklaras med biokemi . Biokemi kan sedan äntligen reduceras till fysik, varigenom i slutändan människan som en komplex levande varelse kan förklaras fullständigt från summan av dess individuella delar och deras interaktion. Kritiker uttrycker sin oro på olika nivåer av denna logiska konstruktion. En stark invändning är förekomsten av uppkomst ; H. framväxten av egenskaper hos ett system som dess komponenter inte har. Andens filosofi behandlar detta och relaterade frågor .

Kroppen pressas uppåt med vikten av vattnet den förskjuter

Matematisk beskrivning

Den Queen Mary 2 på Elbe

Trots existerande matematisk kunskap erkändes under lång tid inga lagar i matematisk formulering i naturen, eftersom den systematiska undersökningen med hjälp av experimentet inte kunde råda. Fram till slutet av medeltiden var människor övertygade om att grundläggande observation var tillräcklig för att sedan förstå naturens väsen genom ren reflektion. Med detta tänkande kunde man dock knappast göra kvantitativa uttalanden om naturen. Det var till exempel känt att lätta material som trä tenderar att flyta på vatten, medan tunga material som metall sjunker. Men varför skulle till exempel en guldkopp, som är gjord av en tungmetall, flyta på vattenytan med öppningen uppåt? Till och med Archimedes upptäckte Archimedes eponymistiska princip , han kunde formulera matematiskt, men det glömdes bort. Det står att en flytkraft verkar på varje kropp i vattnet , vilket är exakt lika stort som vikten av det vatten som förskjuts av kroppen. Så så länge guldkoppen förskjuter en mängd vatten som är tyngre än själva koppen, kommer den att flyta på ytan. Denna princip kan generaliseras till vilken vätska eller substans som helst och möjliggör exakta beräkningar inom många användningsområden. Detta förklarar varför stora fartyg som väger tusentals ton inte går ner. Den Queen Mary 2, till exempel, förskjuter så mycket vatten vid en dykdjup på knappt 10 meter , att den resulterande flytkraften kan kompensera för sin vikt på upp till 150 tusen ton när den är lastad, vilket intuitivt verkar otroligt.

Speciellt sedan 1600-talet har den matematiska naturbeskrivningen utvecklats som den mest exakta metoden inom naturvetenskapen. Vissa matematiska metoder utvecklades speciellt för applikationen, andra var kända inom matematik långt innan ett applikationsområde öppnades. Immanuel Kant betraktade matematik i sina reflektioner över naturvetenskapen som den naturliga vetenskapens grundläggande struktur och innehåll:

"Jag hävdar dock att det i en viss naturteori bara finns så mycket faktisk vetenskap som det finns matematik i."

- Immanuel Kant : Metaphysical Beginnings of Natural Science , A VIII - (1786)

Även om matematik inte huvudsakligen tilldelas naturvetenskapen, utan struktur och ibland humaniora , är det det mest kraftfulla verktyget inom teknik och naturvetenskap för att beskriva naturen och är en del av de flesta modeller . Av denna anledning är det ofta kallas språket av vetenskapen.

Bildande av hypoteser och teorier

Process för att få kunskap

Om ett uttalande om en naturlig process eller en av dess egenskaper antas vara giltigt kallas det en hypotes så länge det inte finns några empiriska bevis för riktigheten. Hypoteser ställs oftast upp och diskuteras som antaganden för att kontrollera deras trovärdighet ur olika perspektiv och vid behov föreslå en empirisk undersökning. Om en hypotes slutligen testas experimentellt och bevisar sig, talar man om en bekräftad hypotes.

Ett system med många bekräftade, allmänt erkända och ömsesidigt konsekventa uttalanden kallas en teori. Varje teori bygger på vissa krav eller principer, som också kallas postulat (t.ex. Einsteins postulat ) eller axiom (t.ex. Newtons axiom ). Det antas att dessa inte kan härledas från någon ytterligare, mer allmän princip. En meningsfull teori kännetecknas framför allt av beskrivningen och förklaringen av så många naturobservationer som möjligt genom ett kraftigt reducerat antal sådana grundläggande krav. Väl dokumenterade och centrala uttalanden av en beprövad teori kallas naturlagar , särskilt inom fysik . Dessa är mestadels formulerade matematiskt och innehåller så kallade naturliga konstanter - viktiga mätvärden som inte förändras rumsligt eller temporärt. Eftersom teorin är en komplex konstruktion av matematisk-logiska strukturer å ena sidan och empiriskt verifierade fakta å andra sidan, och i sig kan bestå av flera konsekventa teorier, talar man ofta om en teoristruktur .

Det vetenskapliga samfundet är en omfattande, dynamisk process där empiriska data samlas in, utvärderas, diskuteras, tolkas och teorier utvecklas från kunskap. Befintliga teorier ifrågasätts upprepade gånger, kontrolleras av nya experimentella resultat, anpassas eller kasseras i händelse av stora brister och ersätts slutligen med bättre teorier.

kompetensområden

Ämnesområde Ämnesområde
kosmologi universum
astrofysik
Astrobiologi
Planetologi
geofysik jorden
geodesi
fysisk geografi
meteorologi
klimatologi
Hydrologi
geologi
mineralogi
geokemi
geografi
kartografi
Geoekologi Ekosystem
biogeografi
Miljöfysik
Miljökemi
Oceanografi
ekologi
Markvetenskap
Humanmedicin mänsklig
Människans biologi
Mänsklig genetik
Rörelsevetenskap
apotek
Neurobiologi
Livsmedelskemi
psykologi
arkeologi Livsformer
Beteendebiologi
fysiologi
genetik
morfologi
paleontologi
zoologi
botanik
Mykologi
virologi
bakteriologi
Bioinformatik
mikrobiologi cell
Cellbiologi
biokemi
Organisk kemi
biofysik
Molekylärbiologi Molekyler
Supramolekylär kemi
Fysisk kemi
Molekylär fysik
Oorganisk kemi
Elektrodynamik

Kondenserad materiens fysik 		Atomer
Kemoinformatik
Kvantkemi
termodynamik
Kvantfysik
Radiokemi Atomkärnor
Kärnfysik
Fysik med hög energi
Partikelfysik Elementära partiklar

Forskare arbetar huvudsakligen i följande positioner:

Huvudanvisningar

Tvärvetenskapliga avdelningar

Datorstödd visualisering av ett protein som interagerar med en DNA- molekyl

Mekanismer i naturen är ofta så komplexa att utredningen kräver tvärvetenskaplig kunskap. Med ökande specialisering blir kompetensen att effektivt kombinera olika specialområden viktigare. Detta skapar tvärvetenskapliga forskningsområden för vilka över tid även separata kurser kommer att erbjudas. Förutom det klassiska, tvärvetenskapliga området biokemi har andra tvärvetenskapliga riktningar utvecklats under de senaste decennierna som handlar intensivt om biologiska processer. I biofysik undersöks till exempel nervceller , biomembraners struktur och funktion samt cellens energibalans och många andra processer med hjälp av fysiska processer och detekteringstekniker. De bioinformatik handlar bland annat med förberedelser och lagring av information i biologiska databaser , deras analys och 3D-simulering av biologiska processer.

Ett annat tvärvetenskapligt forskningsområde öppnas inom miljövetenskap . Effekterna av mänsklig hantering på miljön undersöks i ett brett sammanhang, allt från miljöfysik och kemi till miljöpsykologi och sociologi . Inom miljömedicin undersöks konsekvenserna för människors fysiska och mentala hälsotillstånd i samband med miljön, med beaktande av inte bara lokala faktorer som hemvist och arbete utan också globala influenser som global uppvärmning och globalisering . Med miljörörelsen har allmänhetens intresse för dessa studier ökat och kräver genom sitt politiska inflytande högre standarder i miljölagstiftningen . Den miljöteknik utveckla nya metoder för att förbättra med hänsyn till resultaten av dessa discipliner infrastruktur och samtidigt skydda miljön.

Tillämpad naturvetenskap

Från den rena utforskningen av naturen till den ekonomiska användningen av resultaten har en lång väg tagits, vilket är förknippat med mycket ansträngning. Företag har ofta inte de ekonomiska resurserna och resurserna för att utforska nya forskningsområden, särskilt när de inte kan veta om det kommer att finnas en applikation inom deras område i framtiden. För att påskynda denna utveckling är tillämpad naturvetenskap dedikerad till att överbrygga grundforskning och ekonomiskt genomförande i praktiken. Högskolorna för tillämpad vetenskap i Tyskland värdesätter särskilt tillämpningsinriktad utbildning för akademiker och kallas ofta University of Applied Sciences (HAW) eller University of Applied Sciences .

Datoranimering av lotuseffekten

En långtgående och tillämpningsorienterad vetenskap är medicin . Det är tvärvetenskapligt och specialiserat sig på diagnos och terapi av sjukdomar , med hjälp av grunderna i fysik, kemi och biologi. Inom medicinsk fysik utvecklas till exempel enheter såväl som diagnostiska och terapeutiska tekniker såsom röntgendiagnostik , olika tomografimetoder eller strålterapier . Biokemi används ofta inom farmakologi och farmaci , som främst handlar om utveckling, tillverkning och verkan av läkemedel . De areella näringar överföra huvudsakligen kunskap om geografi, biologi och kemi vid odling av växter och djurhållning i praktiken. I överlappning med teknik finns det många ämnesområden som materialvetenskap , halvledare och energiteknik . Ett ovanligt tillvägagångssätt bedrivs inom bionik , en kombination av biologi och teknik. När man undersöker biologiska strukturer och processer görs en riktad sökning efter möjliga tekniska tillämpningar. När man undersökte lotusväxten upptäcktes det att vattendroppar rullar av bladytan och samtidigt tar bort smutspartiklar ( lotuseffekt ). Genom att imitera ytstrukturen var det möjligt att producera vattenavvisande och självrenande beläggningar och material.

Påverkan på kultur och samhälle

Vetenskapliga framsteg har påverkat både världsbilden och praktiskt taget alla områden i vardagen. Olika tankeskolor ledde till positiva och kritiska bedömningar av de sociala konsekvenserna av detta framsteg. Vissa konstruktivister antar att vetenskapliga resultat endast är bilder av sociala processer och återspeglar hierarkiska och maktförhållanden. Vetenskaplig forskning ger därför ingen kunskap utan bara bilder av sociala verkligheter (→  vetenskapssociologi ). 1959 postulerade CP Snow avhandlingen om två kulturer . Naturvetenskapen står i kontrast till humaniora och samhällsvetenskap , som är åtskilda från varandra genom hinder som är svåra att övervinna. Denna avhandling anses emellertid nu vara föråldrad, eftersom uppgraderingen av tvärvetenskaplig och pluralism har resulterat i många mellanliggande områden.

Skola, studier och arbete

Att förmedla vetenskaplig kunskap i skolor , universitet och andra utbildningsinstitutioner är en viktig förutsättning för statens vidareutveckling. I Tyskland förmedlas en förenklad naturbild i grundskolan i hem- och sakprovlektioner och kopplas till historiskt och socialt innehåll. Enligt det strukturerade skolsystemet på sekundärnivå går olika skolor i Tyskland, vars läroplaner skiljer sig beroende på federala staten. På gymnasiet undervisas förutom grundläggande matematik vanligtvis en syntes av fysik, kemi och biologi som ett ämne (t.ex. PCB i Bayern). Huvudfokus här är på praktisk tillämpning i utbildningsyrket . I gymnasieskolor som gymnasieskolor eller gymnasieskolor undervisas naturvetenskap i separata obligatoriska och valfria ämnen som biologi, kemi, fysik, astronomi, geografi och datavetenskap. Förutom de grundläggande kunskaperna i aritmetik och geometri behandlas delområden som trigonometri , linjär algebra , stokastik samt differentiell och integrerad kalkyl i ämnet matematik för att förmedla kreativt och problemlöst tänkande till studenterna och så förbereda dem för att studera en naturvetenskap.

Efter att ha tagit examen för högre utbildning ( Abitur , Fachabitur ) kan studier påbörjas vid universitetet eller tekniska högskolan , där beroende på kursen finns ytterligare krav såsom numerus clausus , motivationsbrev eller lämplighetsprov . Under studiens gång förmedlas väsentligt innehåll i föreläsningar och seminarier , som sedan fördjupas i självstudier och i självstudier och testas i olika tentor . Applikationsorienterad erfarenhet ska förmedlas genom ämnesrelaterade praktikplatser . Om kursen lyckas kommer ceremonin att vara en akademisk examen (z. B. Bachelor , Master , Diploma , State Examination for student lärare etc.) för studenterna . Efter en bra examen kan examen fördjupas med en doktorsexamen . Den akademiska behörigheten att undervisa i hans eller hennes vetenskapliga ämne ges genom habiliteringen .

Av de 361 697 studenterna vid 386 universitet i Tyskland 2010 tog 63 497 (17,6%) sina slutprov i matematik och naturvetenskap. Ytterligare 59 249 (16,4%) avslutade framgångsrikt sina studier i teknik. Andelen kvinnor bland akademiker i matematik och naturvetenskap var 41,0% och inom teknik 22,2%.

Det naturvetenskapliga yrkesområdet är mycket varierande. Han arbetar med undervisning vid universitet och skolor, vid forskningsinstitutioner , för företag inom utveckling av produkter och processer och ofta som ledningskonsult . Med många institutioner, samhällen och stiftelser erbjuder Tyskland naturvetare goda platsfaktorer som också uppfattas internationellt. Dessa inkluderar särskilt Helmholtz-föreningen , Max Planck-föreningen , Fraunhofer-föreningen och Leibniz-föreningen . De offentliga utgifterna för forskning och utveckling inom vetenskapliga institutioner inom den offentliga sektorn uppgick till 12,7 miljarder euro 2009. Av detta spenderades 4,67 miljarder euro (36,7%) på matematik och naturvetenskap och 3,20 miljarder euro (25,2%) på teknik.

Vetenskap och etik

Naturvetenskapen själva gör inga ideologiska eller moraliska uttalanden. Men med ökad kunskap växer möjligheterna att missbruka vetenskaplig kunskap för etiskt tvivelaktiga ändamål. Omfattningen av oansvarigt missbruk av tekniska framsteg blev tydligt för första gången i de två världskrigen . Efter upptäckten av kärnenergi byggdes massförstörelsevapen i ökande grad och användes i slutet av andra världskriget . I samband med vapenloppet har frågan om forskarens ansvar för konsekvenserna av hans forskning kommit i allmänhetens intresse. I vilken utsträckning kan naturvetenskap ge mänskligheten kunskap som den inte kan eller ännu inte kan hantera? Är det tillåtet att använda teknik vars potentiella risker ännu inte är kända och därför kan skada samhället? Idag diskuteras särskilt följande frågor kontroversiellt i media :

Vetenskap och religion

Utbildning (1890) av Louis Comfort Tiffany - Vetenskap och religion i harmoni

Med framväxten av naturalismens , filosofiska strömmar , materialism och deras inflytande på vetenskapens filosofi uppstod fler och fler konfliktområden mellan vetenskap och religion. Båda hävdade att de gjorde riktiga uttalanden om världen, religion från uppenbarelse och vetenskap genom experiment. Ett viktigt krav för logisk empirism är en konsekvent avvisning av alla metafysiska eller transcendenta begrepp med slutsatsen att hela den befintliga världen bara består av materia och energi. I samband med reduktionism innebär detta att människan i sin individ endast är en produkt av atomer, vars medvetande, tankar, känslor och handlingar uppstår genom nervprocesser i hans hjärna. Följaktligen är hans tro på en gud bara en projektion av hans medvetande och hans fria vilja , som religion tilltalar, en illusion .

Andra forskare och teologer anser att vetenskap och religion inte motsätter sig varandra i en motsatt (motstridande) mening, utan snarare i en kompletterande (kompletterande) mening. Deras motstånd avbryts genom att tilldela båda sätten att titta på olika delar av verkligheten , en subjektiv inifrån och en objektiv utifrån. Båda finner sin rättfärdigande, och ett objektivt beslut om vilken av dessa tillvägagångssätt som är "viktigare" är i grunden inte möjlig, eftersom varje argument bygger på frågor om världsbild .

Påverkan på litteratur

Författaren Friedrich Dürrenmatt handlade intensivt om naturforskarens roll i samhället.

Naturvetaren blir ett populärt ämne i litteraturen med mottagandet av nävematerialet . I Goethes Faust I framställs den historiska Johann Georg Faust som en intellektuell strävan efter kunskap och befriar sig från religiös handledning , som dock når sina gränser och därmed slutar en pakt med djävulen . Naturvetenskapens progressiva utveckling påverkar den filosofiska världsbilden och återspeglas också i realismens litteratur . Representationen av handlingen fokuserar på omvärlden och hittar en objektiv men konstnärlig beskrivning. Dessutom finns det också kritiska diskussioner om tanken på att bemästra naturen och dess sociala konsekvenser, som manifesterar sig i exempelvis den industriella revolutionen. Under den postmoderna eran ifrågasätts starkt framsteg och förnuft och pluralismens och relativismens tankeskolor tas. Den olycka fått central betydelse i många verk. I Max Frisch s roman Homo Faber , ödet overtakes den personen Walter Faber, en ingenjör med en tekniskt rationell världsbild i sin ordnat livets gång . Genom en serie slumpmässiga händelser som är nära besläktade med hans förflutna inleder han en kärleksaffär med sin egen dotter, vars födelse han inte visste någonting om. När hon reser tillsammans dör hon av en huvudskada. Någon tid senare fick Faber diagnosen magcancer . Innan operationen, vars resultat är öppet, reflekterar han över sitt misslyckade liv.

Ett viktigt arbete som, format av det kalla kriget , handlar om naturvetenskapsmännens ansvar i atomåldern är den tragiska komedin Die Physiker av den schweiziska författaren Friedrich Dürrenmatt . Den geniala fysikern Johann Wilhelm Möbius fann i sin revolutionära upptäckt av världsformeln att dess tillämpning skulle ge mänskligheten medel som i slutändan kan leda till dess ultimata förintelse. På grund av detta lämnar han sin familj och låtsas vara galen i ett galenhus. Dramat tar sin värsta möjliga vändning när det till slut visar sig att den galna överläkaren har kopierat Möbius manuskript och vill använda formeln för att uppnå världsherravälde. I sina 21 poäng om fysikerna ger Dürrenmatt återigen en avgörande ställning för slumpen: "Ju mer planerade människor går, desto effektivare kan chansen drabba dem." Den internationella framgången med arbetet ledde till intensifierade diskussioner om ämnet i media. . Ett välkänt verk som historiskt skildrar forskaren i samhällets sammanhang är Galileos liv av Bertolt Brecht .

Påverkan av naturvetenskapen i genren av science fiction syns tydligt. Framtida världar med högutvecklad teknik och radikalt olika inställningar är drag i många verk av hög och populär litteratur . Naturvetaren som litterär figur är också mycket populär i samtida litteratur . Själv vetenskaplig forskning görs tillgänglig för allmänheten av vetenskapsjournalister , bokförfattare och bloggare på ett enkelt språk ( populärvetenskaplig litteratur ).

Film och TV

Populärvetenskapliga program som milstolpar inom vetenskap och teknik eller alfa-Centauri njuter av ökande popularitet bland intresserade. Där förmedlas vetenskapliga ämnen i en presentation som är förståelig för lekmän, som är avsedd att väcka intresse och uppmuntra till vidare diskussion. I filmer och serier är naturvetenskap ett populärt ämne långt bortom science fiction-genren. I USA brott serien Numbers - Logiken av brott , Charlie Eppes, ett matematiskt geni , löser brott i en rådgivande funktion för FBI med hjälp av matematiska och vetenskapliga metoder. I många representationer tar den geniala forskaren med sina speciella färdigheter rollen som en alternativ hjälte . Konflikten mellan personlig identitet och social roll tematiseras i filmen Good Will Hunting . Will Hunting är ett geni som växte upp i en fosterfamilj i en socialt missgynnad miljö , har några kriminella register och klarar sig med udda jobb. Efter att en professor har upptäckt sin talang är alla vägar öppna för honom. Men han kan inte hantera sin identitetskonflikt förrän en psykolog tar hand om den. En annan framställning är den faktabaserade livshistorien om den välkända matematikern John Nash, bearbetad i filmen A Beautiful Mind . Som outsider faller han in i schizofreni och tror att han följs av agenter på grund av sitt arbete som kodbrytare . Stereotyp för naturvetaren är ofta bristen på sociala färdigheter , vilket antingen leder till tragiska konsekvenser eller används i komedier för underhållning. I sitcom The Big Bang Theory står livet för två unga fysiker och deras granne, som arbetar som servitris, i kontrast. Fysikernas dimension är en kliché av deras konstiga skämt, diskussioner, klädstil och andra egenskaper, och anses ofta vara nördar eller nördar . Ibland misslyckas de med att se de mest uppenbara sambanden eller missförstå idiom och sarkasm , vilket är förlöjligt. När de gör något med sina vänner och sin granne Penny, verkar två olika världar roligt kollidera. Karaktärerna är mycket karikatyriserade , varigenom alla fördomar verkar bekräftas.

litteratur

Naturvetenskap i allmänhet och referensverk

Tidningar

Populär vetenskap

webb-länkar

Commons : Natural Sciences  - Samling av bilder, videor och ljudfiler
Wikibooks: Bok om den vetenskapliga världsbilden  - lärande och läromedel
Wikiquote: Vetenskap  - Citat
Wiktionary: Naturvetenskap  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar
Wikibooks: Öppna frågor inom naturvetenskapen  - lärande och läromedel
Wikikälla: Naturvetenskap  - Källor och fullständiga texter

Individuella bevis

  1. ↑ Se J. Habermas: Kunskap och intresse. I: Ders. (Red.): Teknik och vetenskap som "ideologi". Suhrkamp, ​​Frankfurt am Main 1969, s. 146-168.
  2. ↑ Stephen Mason : Naturvetenskapens historia i utvecklingen av deras tankesätt . GTN, 3: e upplagan 1997, s.15.
  3. ↑ Mason: Historia , s.49.
  4. ↑ CF v. Weizsäcker : Vetenskapens omfattning. , Hirzel, 6: e upplagan 1990, s. 60.
  5. ↑ Mason: Geschichte , s. 65 f.
  6. ↑ Mason: Geschichte , s. 166 f.
  7. ↑ Mason: Historia , s. 153.
  8. ^ Mason: Historia , s. 154-158.
  9. ↑ Mason: Geschichte , s. 335 f.
  10. ↑ Se t.ex. BTS Kuhns teori om paradigmer eller disciplinmatris och I. Lakatos teori om den hårda kärnan i forskningsprogram
  11. ↑ Se http: //www.naturphilosophie.org; / G. Schiemann, M. Heidelberger: Naturphilosophie . I: HJ Sandkühler (red.): Encyclopedia Philosophy. Meiner, Hamburg 2010: s. 1733–1743.
  12. ^ " Forskare strävar efter att upptäcka fakta om världen - om regelbundenheterna i den observerbara delen av världen. ”( Bas van Fraassen : The Scientific Image , Oxford University Press, 1980, s. 73.)
  13. ↑ ”För vetenskapen är naturalismen inte en godtycklig posering, utan tvingas den så att säga av deras metodologiska principer. Vetenskapliga hypoteser och teorier bör [...] kunna verifieras. Men bara något som kan kontrolleras, som vi åtminstone indirekt kan interagera med och som beter sig enligt lagen. " M. Bunge , M. Mahner , About the things of things , Hirzel, 2004, s. 9.
  14. ↑ ”Vi hävdar att forskare beter sig som realister oavsett deras filosofiska yttranden. De antar att det finns [...] objektiva (ämnesoberoende) fakta och att vissa av dem kan erkännas [...] ”. M. Bunge , M. Mahner , Philosophical Foundations of Biology , Springer, 2000, s.68.
  15. ↑ a b Anjan Chakravartty, Scientific Realism , Avsnitt 4.1 Empirism, inträde i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2011 ( online ).
  16. ↑ Jim Bogen, Theory and Observation in Science , Avsnitt 4 Hur observationsbevis kan vara teoretiskt laddat , inlägg i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2009 ( online ).
  17. ↑ Anjan Chakravartty, Vetenskaplig realism , avsnitt 3. Överväganden mot vetenskaplig realism (och svar), inträde i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2011 ( online ).
  18. ↑ Kyle Stanford, Underbestämning av vetenskaplig teori , inträde i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2009 ( online ).
  19. ↑ Wolfgang Demtröder : Experimentalphysik 1 , Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-43559-X , s.7.
  20. ↑ Karl R. Popper : Antaganden och refutations , 5 kap XII. Tillbaka till pre-Socratics.
  21. ↑ CF v. Weizsäcker : Time and Knowledge , Hanser, München 1992, ISBN 3-446-16367-0 , s. 73-78.
  22. ↑ Karl R. Popper: Logic of Research , 1 kap 1. Problemet med induktion.
  23. ↑ Karl R. Popper: Logic of Research , 10 kap 79. Om så kallade verifiering av hypoteser.
  24. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1 , Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-43559-X , s.6.
  25. ↑ Queen Mary 2: Ett fartyg med superlativ (PDF; 40 kB). Cunard Line webbplats . Hämtad 27 september 2011.
  26. ^ CP Snow : De två kulturerna. 1959. I: Helmut Kreuzer (red.): De två kulturerna. Litterär och vetenskaplig intelligens. CP Snows avhandling under diskussion. dtv, München 1987, ISBN 3-423-04454-3 .
  27. ↑ Tentor vid universitet . Webbplats för Federal Statistical Office Germany, Fach Series 11-serien 4.2, s. 12–13, öppnad den 12 november 2014
  28. ^ Federal Statistical Office - publikationer inom universitetsområdet - undersökningar vid universitet
  29. ↑ Utgifter, inkomster och personal vid offentliga och offentligt finansierade institutioner för vetenskap, forskning och utveckling . Webbplats för Federal Statistical Office Germany, Fachserie 14 Reihe 3.6, s. 22, öppnad den 12 november 2014.
  30. ↑ Federal Statistical Office - publikationer inom forskning och utveckling - utgifter, inkomster och personal från offentliga och offentligt finansierade institutioner för vetenskap, forskning och utveckling
  31. ↑ Wolf Singer , Free will is just a good feeling , Süddeutsche.de, 2006 artikel online .
  32. ↑ Hans-Peter Dürr , Physik und Transzendenz , Scherz Verlag, 1986, s.17.
  33. ^ Friedrich Dürrenmatt : Die Physiker , Diogenes, Zürich 1998, s.91.