naturvidenskab

Udtrykket naturvidenskab opsummerer videnskaber, der arbejder empirisk og beskæftiger sig med studiet af naturen . Naturforskere observerer , måler og analyserer naturens forhold og adfærd ved hjælp af metoder, der har til formål at sikre reproducerbarheden af deres resultater med det formål at anerkende regelmæssigheder. Ud over at forklare naturfænomener er en af ​​naturvidenskabens vigtigste opgaver at gøre naturen brugbar. Naturvidenskaberne danner z. B. En del af det teoretiske grundlag for forskellige discipliner såsom teknologi , psykologi , medicin eller miljøbeskyttelse .

I 1600 -tallet fik naturvidenskaben det afgørende gennembrud i samfundets intellektuelle klasser. I forbindelse med oplysningstiden udløste dette en videnskabelig revolution, som i 1700 -tallet førte til industrialderen med mange nye opdagelser og opfindelser, og som i høj grad ændrede samfundet, især i den vestlige verden . Den har den dag i dag været så stærkt påvirket af den generelle videnskabelige aktivitet, at sociologien taler om et videnskabeligt og teknisk samfund.

Underområder i naturvidenskaberne omfatter astronomi , fysik , kemi , biologi samt nogle miljøvidenskaber som geologi , men også landbrugsvidenskab . Naturlovens tekniske anvendelighed er altid blevet behandlet i forskellige ingeniørvidenskaber .

Klassificering og afgrænsning

Ifølge en klassisk opfattelse kan naturvidenskaberne klassificeres ved siden af humaniora og samfundsvidenskab . På grund af fremkomsten af ​​en række nye videnskabelige grene i moderne tid er der ingen konsensus om en generel klassificering af de enkelte videnskaber . Klassificeringen viser sig at være særlig vanskelig på grund af de mange overlapninger mellem forskellige videnskabelige områder. Naturvidenskaberne tilhører de empiriske videnskaber . De er hovedsageligt kendetegnet ved deres forskningsemne, animeret og livløst stof. Nogle naturvidenskaber er kendetegnet ved en matematisk tilgang til deres forskningsemne. Disse kaldes de nøjagtige videnskaber . Matematik er også en eksakt videnskab, men med sin undersøgelse af abstrakte strukturer omfatter den områder inden for både humaniora og naturvidenskab. Af denne grund er det ofte ved siden af datalogien den struktur, Science tildelte.

Videnskabelig forskning beskæftiger sig primært med spørgsmål, der kan besvares ved at undersøge regelmæssige forhold i naturen. Fokus er på beskrivelsen af ​​selve processen og ikke på at finde en mening. Forenklet kan det præsenteres med spørgsmålet om hvordan i stedet for hvad til. Spørgsmålet hvorfor er der regn? finder ikke sin forklaring med Så planter kan vokse , men besvares objektivt : Fordi vand fordamper , stiger, samler sig i skyer og til sidst kondenserer , hvilket fører til nedbør . For det første besvarer naturvidenskaben ikke nogen teleologiske (formål eller målorienterede) spørgsmål, men sporer de undersøgte processer tilbage til naturlove eller til kendsgerninger, der allerede er kendt. I det omfang dette lykkes, får naturvidenskaben ikke kun en beskrivende, men også en forklarende karakter.

Videnskabshistorie

Antikkens naturfilosofi

Skildring af det ptolemaiske verdensbillede af Andreas Cellarius (1660)

Videnskabelig viden begyndte på den ene side i manuel og teknisk aktivitet og på den anden side i den åndelige overførsel af menneskets lærde tradition. Observationer af naturen i gamle kulturer - især inden for astronomi - frembragte ofte præcise kvantitative og kvalitative udsagn, men blev overvejende fortolket mytologisk - som for eksempel i astrologi . Den græske naturfilosofi bragte afgørende fremskridt med udviklingen af ​​en metode baseret på filosofi og matematik. Den mærkbare verden blev tænkt som i fireelementsteorien som en kombination af "elementerne" ild, luft, vand og jord, og forskellige transformationsprocesser blev beskrevet. Ideen om de mindste, udelelige partikler ( atomisme ), som hele verden består af, blev også udviklet. Periodiske bevægelser af himmellegemerne , kendt i lang tid , blev fortolket geometrisk, og ideen om et verdenssystem blev udviklet, hvor solen, månen og de på det tidspunkt kendte planeter bevægede sig på cirkulære baner rundt om jorden i hvile i centrum ( geocentrisk syn på verden ). Jordens sfæriske form blev antaget og endeligt begrundet af Aristoteles senest , forekomsten af sol- og måneformørkelser blev forklaret, de relative afstande mellem jorden, solen og månen blev estimeret og endda jordens omkreds blev bestemt ganske præcist gennem en vinkelmåling og geometriske overvejelser.

I Romerriget blev de intellektuelle præstationer i den græske kultur stort set vedtaget og udviklet med en storhedstid i kejsertiden , men gik stort set tabt med imperiets sammenbrud i det 5. århundrede e.Kr. I middelalderens Europa, under teologiens og filosofiens forrang, kunne naturvidenskaben kun udvikle sig langsomt i både den kristne og den islamiske verden og inden for rammerne af ideologiske præmisser.

Kopernikansk drejning og videnskabelig revolution

Nicholas Copernicus. Gravering fra 1597 af Robert Boissard . Den latinske indskrift betyder: "Copernicus lærer ikke, at himmelens baner er ustabile, snarere siger han, at jordens bane er ustabil."

Det var først i renæssancen, at der var en fornyet interesse for naturobservation. Da videnskaben nærmede sig det traditionelle håndværk i den empiriske metode, blev der opnået ny viden på alle områder. Samspillet mellem alkymi og medicin berigede begge discipliner i deres udvikling til empiriske videnskaber. Korrektionen af ​​den gamle julianske kalender og navigationen i havdækkende skibsfart krævede en intensiv undersøgelse af astronomi. Baseret på jordens bevægelse omkring solen udviklede Nicolaus Copernicus et verdenssystem, der forklarede planeternes himmelske stier, som syntes at være komplicerede fra jorden på en enklere måde og, sammenlignet med det ptolemaiske system, muliggjorde en lettere men ikke mere præcis beregning af positionerne. Francis Bacon og Galileo Galilei forlangte, at naturforskning skulle baseres på eksperimenter , hvor Galileo især havde succes med at fremme den matematiske evaluering af numeriske måleresultater. Men det kopernikanske verdenssystem kun begyndte at hævde sig selv over det geocentriske verdensbillede efter Johannes Kepler bestemt elliptiske baner af jorden og de andre planeter fra præcise målinger af Tycho Brahe , Galileo Galilei havde observeret måner Jupiters og faser af planeten Venus og Isaac Newton havde alt dette i Kunne teoretisk bekræfte rammen for mekanikken udviklet af ham gennem hans gravitationslov . For disse revolutionære opdagelser i det 16. og 17. århundrede blev udtrykket den kopernikanske vending opfundet. Videnskabshistorikere starter også denne videnskabelige revolution som pionerer inden for moderne naturvidenskab.

Moderne videnskab

Eksperter er ikke enige om en præcis definition og det tidspunkt, hvor moderne naturvidenskab begyndte . Ofte er det 17. århundrede i overlapning med den videnskabelige revolution givet som tidsrammen for begyndelsen af ​​moderne naturvidenskab. Professionaliserede videnskabelige operationer , udvikling og anvendelse af videnskabelig metodik og senere udvikling af specialområder inden for specialisering ses som vigtige egenskaber .

Med etableringen af ​​videnskabelige samfund, akademier og nye universiteter begyndte etableringen af ​​en uafhængig videnskabelig tradition i Europa. I Frankrig dedikerede forskere - påvirket af Descartes ' rationalistiske filosofi - sig til den teoretiske beskrivelse af naturfænomener med vægt på den deduktive metode. I England var interessen derimod på grund af Bacons indflydelse på den empiriske metode, hvorfor eksperimentet stillede flere tekniske udfordringer. Dette ses også som en af ​​grundene til, at den industrielle revolution begyndte i England i anden halvdel af 1700 -tallet. Talrige banebrydende opdagelser og opfindelser indledte en umiskendelig social og økonomisk forandring, der spredte sig til fastlands -Europa og Amerika i de følgende årtier.

Med den kraftige stigning i viden siden 1700 -tallet blev der gradvist udviklet en grundlæggende forståelse af strukturen i den empirisk tilgængelige verden, som gjorde det muligt at opdele naturvidenskaberne i fagområder som biologi, kemi, geologi og fysik. Selvom forskelle i disciplinernes metodologi udviklede sig, påvirkede og supplerede de hinanden. De metaboliske processer, der studeres i biologi, kan f.eks. Forklares og undersøges mere detaljeret ved hjælp af organisk kemi . Desuden gav moderne atomteorier om fysik forklaringer på atomernes struktur og bidrog dermed til en bedre forståelse af grundstoffernes egenskaber og kemiske bindinger i kemi . Derudover udviklede discipliner som medicin, landbrug eller ingeniørvidenskab , der udviklede mulige anvendelser til teoretisk viden.

I første halvdel af det 20. århundrede oplevede fysikken en bemærkelsesværdig omvæltning, som skulle få alvorlige konsekvenser for naturvidenskabens selvbillede. Med grundlæggelsen af kvantefysik , Max Planck og Albert Einstein fastslået, at energi - især i lysbølger - kun forekommer i diskrete mængder, dvs. er kvantiseret . Endvidere udviklede Einstein den særlige (1905) og generelle relativitetsteori (1915), hvilket førte til en ny forståelse af rum, tid, tyngdekraft, energi og stof. Kvantemekanikken , der blev grundlagt i 1920'erne og 30'erne, markerer en anden omvæltning , der i beskrivelsen af ​​objekter på atomniveau viser markante forskelle i forhold til den klassiske idé om atomer. Der blev det konstateret, at visse egenskaber ved partikler ikke kan måles på samme tid præcist som ønsket ( Heisenbergs usikkerhedsprincip ), og for eksempel kan elektroner af et atom ikke præcist lokaliseres, men kun kan beskrives med visse sandsynligheder via deres placering . Disse opdagelser undgår stort set menneskelig opfattelse, men udfolder deres store betydning i deres matematiske formulering og er af stor betydning for talrige anvendelser af moderne teknologi.

Under Anden Verdenskrig og Den Kolde Krig blev videnskabelig forskning - især atomteknologi - stærkt fremmet, fordi det var en forudsætning for stormagternes tekniske og militære overlegenhed. Siden har udtrykket storskala forskning etableret sig for den massive udvidelse af forskningsfaciliteter .

Metoder

Metafysiske og epistemologiske præmisser

De naturvidenskabelige teoretiske metoder samt deres krav og mål beskrives og diskuteres i videnskabens filosofi . De er hovedsageligt baseret på matematik , logik og epistemologi , men også på kulturelt formede metodiske og ontologiske antagelser, der er genstand for naturfilosofisk refleksion. Formålet med naturvidenskaberne - naturforskning - forudsætter som en grundlæggende metafysisk antagelse, at naturen eksisterer, og at naturlige processer forløber i henhold til loven. Endvidere tager naturforskere udgangspunkt i den epistemologiske forudsætning om, at den systematiske generering af viden om naturen er mulig inden for visse grænser. På spørgsmålet om, hvor præcist disse grænser ligger, er der forskellige synspunkter, hvis mest almindelige varianter groft kan opdeles i to grupper, den empiriske position og den videnskabelige realismes position . Empirikere antager, at muligheden for videnskabelig viden er begrænset til empiriske observationer. Ifølge empirien tillader teorier eller modeller dog ikke udsagn om naturen. En vanskelighed forbundet med dette synspunkt er afgrænsningen mellem empirisk observation og teoretiske udsagn, da de fleste observationer inden for naturvidenskaben er indirekte. For eksempel kan elektriske felter , atomer , kvasarer eller DNA -molekyler ikke observeres direkte; snarere kan egenskaberne af disse objekter kun udledes ved hjælp af komplekse eksperimentelle hjælpemidler, hvor den teoretiske fortolkning af de målte data spiller en uundværlig rolle.

Videnskabelige realister har derimod den holdning, at videnskabelige teorier eller modellerne afledt af teorier tillader en idealiseret, men tilnærmelsesvis nøjagtig beskrivelse af virkeligheden. Ifølge dette eksisterer der for eksempel virkelig DNA -molekyler, og de nuværende teorier om arv er tilnærmelsesvis korrekte, selvom dette ikke udelukker fremtidige udvidelser eller endda delvise ændringer af disse teorier. Videnskabelige realister betragter derfor deres udsagn som den bedst sikrede viden, der er tilgængelig om naturen, men påstår ikke at være formuleringen af ​​uforbeholdent gyldige og ultimative sandheder. Nogle kritikere af videnskabelig realisme - positivismebevægelsen i begyndelsen af ​​det 20. århundrede var særlig indflydelsesrig her - afviser al metafysik som spekulativ. Andre kritikere peger på specifikke epistemologiske problemer inden for videnskabelig realisme, herunder især problemet med underbestemmelse af teorier.

Empirisme og eksperimenter

Afstanden dækket af den faldende bold øges kvadratisk over tid - bolden accelereres derfor.

For at få objektiv viden om naturens adfærd udføres enten tests eller processer, der allerede finder sted i naturen, observeres og dokumenteres intensivt. I et eksperiment udføres en proces ofte under kunstigt skabte forhold i laboratoriet og analyseres kvantitativt ved hjælp af forskellige måleenheder . I feltforskning derimod undersøges naturlige processer empirisk, eller der udføres tilfældige undersøgelser. Eksperimentet eller naturobservation kan gentages hvor som helst i verden, uanset placering og tid - forudsat at det udføres under de samme relevante forhold - og skal føre til de samme resultater inden for målenøjagtigheden ( reproducerbarhed ). Den empiriske tilgang har været en vigtig søjle i videnskabsfilosofien , især siden dens teoretiske beskrivelse af Francis Bacon og dens praktiske anvendelse af Galileo Galilei, og garanterer, at forskningsresultater uafhængigt kan kontrolleres og dermed opfylde kravet om objektivitet.

Ofte modsiger empiriske fakta hverdagens oplevelser. For eksempel synes lette genstande som et ark altid at falde langsommere til gulvet end tunge genstande som et stykke metal. Som repræsenteret Aristoteles den opfattelse, at enhver fysisk krop har sit naturlige sted, han søger at opnå. Tunge kroppe ville falde, fordi deres naturlige sted er under. Han antog, at hvert legeme falder med en konstant hastighed , som afhænger af dets masse . Imidlertid spurgte Galileo ikke først årsagen til faldet, men undersøgte processen selv ved at registrere faldtiden, faldets højde og forskellige legemers hastighed og sætte dem i relation. Blandt andet fandt han ud af, at faldtiden ikke afhænger af kroppens masse - som tidligere antaget - men af ​​dens form og dermed af den luftfriktion, der opstår . Så hvis du taber en bordtennisbold og en blybold af samme størrelse fra samme højde, i modsætning til en intuitiv antagelse , vil du opdage, at begge rammer jorden på samme tid.

Eksperimentets betydning afhænger af forskellige faktorer. Når man bruger en måleenhed, skal dens nøjagtighed være kendt for overhovedet at kunne vurdere, hvor pålidelige de data, der måles med den, er ( pålidelighed ). Hele eksperimentkonceptet skal også kontrolleres for gyldighed, og resultaterne evalueres ofte ved hjælp af statistiske metoder for at afgøre, om resultatet faktisk kan retfærdiggøre en situation. Galileo var allerede klar over unøjagtigheden af ​​sine instrumenter og den tilhørende måleusikkerhed. Af denne grund forbedrede han sine målinger ved at undersøge bevægelsen på det skrå plan , hvilket er analogt med frit fald .

induktion

Ved brug af induktionsmetoden konkluderes en generel viden fra undersøgelsen af ​​et fænomen . De empiriske data evalueres og undersøges for generelt beskrivelige processer. Hvis der findes kvantitative måleresultater, søges der efter matematiske forhold mellem de målte størrelser. I ovenstående eksempel på frit fald fandt Galileo et lineært forhold mellem tid og hastigheden af ​​det faldende legeme, som kommer til udtryk i den konstante tyngdekraftacceleration .

Selvom induktiv slutning ofte bruges i videnskaben, er den kontroversiel inden for videnskabens filosofi ( induktionsproblem ). Galileo var allerede klar over de vanskeligheder, der var forbundet med fremgangsmåden. David Hume uddybede, at erfaring alene ikke var nok til at retfærdiggøre en generel lov. For eksempel ville det være dødeligt at forsøge at bestemme et barns højde i voksenalderen ud fra den hastighed, hvormed et barn vokser. Af denne grund er der blevet forsøgt (for eksempel af Rudolf Carnap ) at svække den informative kraft ved induktive slutninger ved at tildele en sandsynlighedsværdi til deres gyldighed , som formodes at eksistere på grundlag af empirisk erfaring. Sådanne fremgangsmåder afvises også af repræsentanter for kritisk rationalisme som Karl Popper , fordi de enten er baseret på a priori antagelser eller fører i deres argumentation til uendelig tilbagegang og ikke løser det oprindelige induktionsproblem.

Fradrag

Fradragsmetoden beskriver en logisk konklusion fra en hypotese, der antages at være sand . Hvis der er mistanke om en vis regelmæssighed, kan forskellige udsagn deduktivt udledes heraf og kontrolleres igen empirisk. Igen kan denne proces illustreres ved hjælp af frit fald. Ud fra antagelsen om, at det faldende legems hastighed er direkte proportional med dets faldtid, kan man matematisk udlede, at afstanden, som kroppen dækker, øges kvadratisk med tiden. Denne konklusion kan nu verificeres eksperimentelt og viser sig at være korrekt, hvorved den antagne hypotese beviser sig selv. Resultatet i et antal er periodisk båret øjebliksbilleder af en faldende genstand. For hvert skud dækker kroppen en længere afstand, hvilket klart modbeviser Aristoteles 'hypotese om en konstant faldhastighed.

En anden observation er, at lette genstande med et stort overfladeareal, såsom en fjer, falder meget langsommere. Det kan antages, at denne kendsgerning skyldes luftfriktion. For at kontrollere dette deduktivt kan der udføres et fældeeksperiment i en evakueret glascylinder, som Robert Boyle lykkedes i 1659. Han demonstrerede, at enhver krop med forskellig masse, såsom en fjer og en sten, kunne nå jorden i et vakuum, når den faldt fra samme højde.

Der er forskellige metoder til at trække konklusioner fra kendte data eller love. Modeller, der angiver, hvor pålidelige de er, er også vigtige. Hvis et systems adfærd af visse årsager ikke kan undersøges i et område, men der stadig kan fremsættes erklæringer om systemets udvikling ved hjælp af kendte love, betegnes dette som ekstrapolation . F.eks. Kan valgresultater estimeres ( ekstrapolering ) før valget ved at opnå relativt repræsentative værdier fra tilfældige undersøgelser . Hvis der på den anden side fremsættes en erklæring om tilstanden i et system, der ikke blev undersøgt direkte, men ligger inden for intervallet for systemets allerede kendte adfærd, taler man om interpolation . Hvis man opnår et deduktivt udsagn om en begivenhed, der skal finde sted i fremtiden, taler man også om forudsigelighed . Et sådant eksempel er beregningen af de datoer og tidspunkter for månens og solformørkelser fra bevægelsesligninger af de himmellegemer .

Verifikation og forfalskning

Den oprindeligt sandsynlige erklæring Alle svaner er hvide er forfalsket af et modeksempel

I modsætning til matematik kan udsagn, love eller teorier ikke endeligt bevises i naturvidenskab . I stedet for en positiv test taler man om bevis. Når en erklæring eller teori understøttes af en stor mængde beviser, og der ikke er beviser for det modsatte, betragtes det som sandt. Det kan imidlertid til enhver tid tilbagevises (forfalskning) eller dets omfang begrænses, hvis nye forskningsresultater kan vise tilsvarende resultater. Om en teori er verificerbar d. det vil sige, kan endelig findes at være sandt, er kontroversiel i videnskabens filosofi. Karl Popper nævner et velkendt eksempel i sit arbejde, The Logic of Research , for kritisk at illustrere muligheden for at verificere teorier. Hypotesen om, at alle svaner er hvide, bør verificeres. Tilhængere af logisk empiri ville udlede rigtigheden af ​​udsagnet fra den empiriske kendsgerning, at alle svaner, de kender, er hvide. De har dog ikke set alle eksisterende svaner og kender heller ikke deres antal. Derfor kan du hverken antage, at hypotesen er sand, eller fremsætte udsagn om sandsynligheden for dens rigtighed. Årsagen til verifikationsproblemet ligger oprindeligt i induktionstrinnet Mange svaner vi kender er hvideAlle svaner er hvide . Af denne grund afviser Popper verificerbarheden af ​​en teori som uvidenskabelig. I stedet skal teorier aldrig betragtes som endelige, men bør altid stilles spørgsmålstegn ved, hvorved de enten forbliver bevist eller i sidste ende forfalskes.

reduktion

Hvis flere love om processer i naturen kendes, kan det antages, at de er indbyrdes afhængige, for eksempel har en fælles årsag og dermed kan reduceres til et generelt princip. Ved hjælp af denne tilgang kan et stigende antal spørgsmål spores tilbage til enkle mekanismer eller love. Isaac Newton opnåede en imponerende reduktion med formuleringen af ​​sin gravitationslov . To kroppe udøver en kraft på hinanden, der afhænger af deres masser og deres afstand. Tyngdekraften, der får en sten til at falde til jorden, kan derfor beskrives med nøjagtig samme lov som tyngdekraften mellem solen og jorden. Mange andre observationer, såsom Newtons første korrekt forklarede fænomen for tidevandet , kan også spores tilbage til gravitationsloven. Siden har reduktionen vist sig og er blevet af stor betydning, især for fysikken. Op til hvilke grænser og i hvilke videnskaber denne metode kan bruges, er imidlertid kontroversiel.

I videnskabens filosofi er reduktionisme et kontroversielt videnskabeligt program. Kort sagt er spørgsmålet, om alle videnskaber i sidste ende kan reduceres til en grundlæggende videnskab - såsom fysik. Tilhængere af den deraf følgende reduktionisme, såsom mange tilhængere af fysikalisme, hævder, at menneskelig bevidsthed fuldt ud kan beskrives ved neurobiologi , hvilket igen kan forklares ved biokemi . Biokemi kan derefter endelig reduceres til fysik, hvorved i sidste ende mennesket som et komplekst levende væsen kan forklares fuldt ud fra summen af ​​dets individuelle dele og deres interaktion. Kritikere udtrykker deres bekymringer på forskellige niveauer af denne logiske konstruktion. En stærk indsigelse er forekomsten af fremkomst ; H. fremkomsten af ​​egenskaber ved et system, som dets komponenter ikke har. Åndens filosofi behandler dette og beslægtede spørgsmål .

Kroppen presses opad med vægten af det vand, den fortrænger

Matematisk beskrivelse

Den Queen Mary 2 på Elben

På trods af eksisterende matematisk viden blev der ikke anerkendt love i matematisk formulering i naturen i lang tid, fordi den systematiske undersøgelse ved hjælp af eksperimentet ikke kunne sejre. Indtil slutningen af middelalderen var folk overbevist om, at grundlæggende observation var tilstrækkelig til derefter at forstå naturens essens gennem ren refleksion. Med denne tankegang kunne man dog næppe komme med kvantitative udsagn om naturen. Det var f.eks. Kendt, at lette materialer som træ har en tendens til at flyde på vand, hvorimod tunge materialer som metal synker. Men hvorfor kunne for eksempel en guldkop, der er lavet af et tungmetal, flyde på overfladen af ​​vandet med åbningen opad? Selv Archimedes opdagede det samme princip af Archimedes , han kunne formulere matematisk, men det blev glemt. Det siger, at en opdriftskraft virker på hvert legeme i vandet , som er nøjagtig lige så stort som vægten af det vand, der fortrænges af kroppen. Så så længe guldkoppen forskyder en mængde vand, der er tungere end selve koppen, vil den flyde på overfladen. Dette princip kan generaliseres til enhver væske eller stof og muliggør præcise beregninger på mange anvendelsesområder. Dette forklarer, hvorfor store skibe, der vejer tusinder af tons , ikke synker. The Queen Mary 2, for eksempel fortrænger så meget vand ved en dykning dybde på knap 10 meter , at den resulterende opdriften kan kompensere for sin vægt på op til 150.000 tons ved belastning, som intuitivt forekommer utroligt.

Især siden 1600 -tallet har den matematiske beskrivelse af naturen udviklet sig som den mest præcise metode inden for naturvidenskab. Nogle matematiske metoder blev udviklet specifikt til applikationen, andre var kendt i matematik længe før et applikationsområde åbnede sig. Immanuel Kant betragtede matematik i sine refleksioner over naturvidenskaberne som naturvidenskabens grundstruktur og indhold:

"Jeg fastholder imidlertid, at der i en bestemt naturteori kun kan findes lige så meget egentlig videnskab, som der er matematik at finde i den."

- Immanuel Kant : Metafysisk begyndelse af naturvidenskab , A VIII - (1786)

Selvom matematik ikke primært tildeles naturvidenskaberne, men strukturelle og undertiden humaniora , er det det mest kraftfulde værktøj inden for teknik og naturvidenskab til beskrivelse af naturen og er en del af de fleste modeller . Af denne grund er det ofte omtalt som sprog af videnskaben.

Dannelse af hypoteser og teorier

Proces for at opnå viden

Hvis en erklæring om en naturlig proces eller en af ​​dens egenskaber antages at være gyldig, kaldes det en hypotese, så længe der ikke er empirisk bevis for korrektheden. Hypoteser er for det meste opstillet og diskuteret som antagelser for at kontrollere deres plausibilitet fra forskellige perspektiver og om nødvendigt at foreslå en empirisk undersøgelse. Hvis en hypotese endelig testes eksperimentelt og beviser sig selv, taler man om en bekræftet hypotese.

Et system med mange bekræftede, generelt accepterede og indbyrdes konsistente udsagn kaldes en teori. Hver teori er baseret på visse krav eller principper, som også kaldes postulater (f.eks. Einsteins postulater ) eller aksiomer (f.eks. Newtons aksiomer ). Det antages, at disse ikke kan udledes af et yderligere, mere generelt princip. En meningsfuld teori er frem for alt kendetegnet ved beskrivelse og forklaring af så mange naturobservationer som muligt gennem et stærkt reduceret antal af sådanne grundlæggende krav. Godt dokumenterede og centrale udsagn om en gennemprøvet teori kaldes naturlove , især inden for fysik . Disse er for det meste formuleret matematisk og indeholder såkaldte naturlige konstanter - vigtige måleværdier, der ikke ændres rumligt eller tidsmæssigt. Da teorien er en kompleks konstruktion af matematisk-logiske strukturer på den ene side og empirisk verificerede fakta på den anden og selv kan bestå af flere konsistente teorier, taler man ofte om en teoristruktur .

Det videnskabelige samfund befinder sig i en omfattende, dynamisk proces, hvor empiriske data indsamles, evalueres, diskuteres, fortolkes og teorier udvikles ud fra den opnåede viden. Eksisterende teorier bliver gentagne gange stillet spørgsmålstegn ved, kontrolleret af nye eksperimentelle fund, tilpasset eller kasseret i tilfælde af større mangler og endelig erstattet af bedre teorier.

Spidskompetencer

specialisering Emneområde
kosmologi univers
astrofysik
Astrobiologi
Planetologi
geofysik jorden
geodesi
fysisk geografi
meteorologi
klimatologi
Hydrologi
geologi
mineralogi
geokemi
geografi
kartografi
Geokologi Økosystem
biogeografi
Miljøfysik
Miljøkemi
Oceanografi
økologi
Jordvidenskab
Human medicin person
Menneskelig biologi
Menneskelig genetik
Bevægelsesvidenskab
apotek
Neurobiologi
Madkemi
psykologi
arkæologi Liv former
Adfærdsbiologi
fysiologi
genetik
morfologi
paleontologi
zoologi
botanik
Mykologi
virologi
bakteriologi
Bioinformatik
mikrobiologi celle
Cellebiologi
biokemi
Organisk kemi
biofysik
Molekylær Biologi Molekyler
Supramolekylær kemi
Fysisk kemi
Molekylær fysik
Uorganisk kemi
Elektrodynamik

Kondenseret materie fysik
Atomer
Kemoinformatik
Kvantekemi
termodynamik
Kvantefysik
Radiokemi Atomkerner
Kernefysik
Høj energi fysik
Partikelfysik Elementarpartikler

Forskere arbejder hovedsageligt i følgende stillinger:

Hovedretninger

Tværfaglige afdelinger

Computerstøttet visualisering af et protein, der interagerer med et DNA- molekyle

Mekanismer i naturen er ofte så komplekse, at undersøgelse af dem kræver tværfaglig viden. Med stigende specialisering bliver kompetencen til effektivt at kombinere forskellige specialområder mere vigtig. Dette skaber tværfaglige forskningsområder, for hvilke der med tiden også vil blive tilbudt separate kurser . Ud over det klassiske, tværfaglige område inden for biokemi er der i de sidste par årtier udviklet andre tværfaglige retninger, der intensivt beskæftiger sig med biologiske processer. I biofysik undersøges for eksempel strukturen og funktionen af nerveceller , biomembraner samt cellens energibalance og mange andre processer ved hjælp af fysiske processer og detektionsteknikker. De bioinformatik bl.a. vedrører forberedelse og opbevaring af oplysninger i biologiske databaser , deres analyse og 3D-simulation af biologiske processer.

Et andet tværfagligt forskningsfelt åbnes inden for miljøvidenskab . Virkningerne af menneskelig ledelse på miljøet undersøges i en bred kontekst, lige fra miljøfysik og kemi til miljøpsykologi og sociologi . I miljømedicin , konsekvenserne for den fysiske og psykiske tilstand sundhed er af mennesker i forbindelse med miljøet forsket, hvorved ikke kun lokale faktorer såsom bopæl og arbejde, men også globale påvirkninger såsom global opvarmning og er globaliseringen tages i konto. Med miljøbevægelsen er den offentlige interesse for disse undersøgelser steget og kræver gennem deres politiske indflydelse højere standarder inden for miljølovgivning . Den Miljøteknologi udvikle nye tilgange til at forbedre under hensyntagen til resultaterne af disse discipliner infrastruktur samtidig beskytte miljøet.

Anvendt naturvidenskab

Der er lang vej fra den rene naturforskning til den økonomiske brug af fundene, som er forbundet med en stor indsats. Virksomheder har ofte ikke de økonomiske midler og ressourcer til at udforske nye forskningsområder, især når de ikke kan vide, om der vil være en applikation inden for deres område i fremtiden. For at fremskynde denne udvikling er de anvendte naturvidenskaber dedikeret til at bygge bro mellem grundforskning og økonomisk implementering i praksis. De universiteter for anvendte videnskaber i Tyskland især værdi anvendelsesorienteret uddannelse for akademikere og kaldes ofte den University of Applied Sciences (HAW) eller University of Applied Sciences .

Computeranimation af lotuseffekten

En vidtrækkende og anvendelsesorienteret videnskab er medicin . Det er tværfagligt og specialiserer sig i diagnosticering og behandling af sygdomme ved hjælp af det grundlæggende inden for fysik, kemi og biologi. I medicinsk fysik udvikles f.eks. Apparater samt diagnostiske og terapeutiske teknikker såsom røntgendiagnostik , forskellige tomografimetoder eller strålebehandlinger . Biokemi er meget udbredt i farmakologi og apotek , der hovedsageligt beskæftiger sig med udvikling, fremstilling og handling af lægemidler . De jordbrugsvidenskab hovedsageligt overføre viden om geografi, biologi og kemi i dyrkning af planter og dyrehold i praksis. I overlapning med teknik er der talrige fagområder som materialevidenskab , halvleder og energiteknologi . En usædvanlig tilgang forfølges inden for bionik , en kombination af biologi og teknologi. Ved undersøgelse af biologiske strukturer og processer foretages en målrettet søgning efter mulige tekniske anvendelser. Ved undersøgelse af lotusplanten blev det opdaget, at vanddråber ruller af bladoverfladen og samtidig fjerner snavspartikler ( lotuseffekt ). Ved at efterligne overfladestrukturen var det muligt at producere vandafvisende og selvrensende belægninger og materialer.

Indflydelse på kultur og samfund

Videnskabelige fremskridt har påvirket både verdenssyn og praktisk talt alle områder af hverdagen. Forskellige tankeskoler førte til positive og kritiske vurderinger af de sociale konsekvenser af denne fremgang. Nogle konstruktivister antager, at videnskabelige fund kun er billeder af sociale processer og afspejler hierarkiske og magtforhold. Videnskabelig forskning producerer derfor ikke nogen viden, men kun billeder af sociale virkeligheder (→  videnskabssociologi ). I 1959 postulerede CP Snow afhandlingen om to kulturer . De naturlige videnskaber kontrast til de humanistiske og samfundsvidenskabelige , som er adskilt fra hinanden ved forhindringer, der er vanskelige at overvinde. Imidlertid betragtes denne tese nu som forældet, da opgraderingen af ​​tværfaglighed og pluralisme har resulteret i mange mellemområder.

Skole, studier og arbejde

Formidling af videnskabelig viden på skoler , universiteter og andre uddannelsesinstitutioner er en vigtig forudsætning for statens videre udvikling. I Tyskland formidles et forenklet naturbillede i folkeskolen i hjemmet og faglitteratur og knyttes til historisk og socialt indhold. Ifølge det strukturerede skolesystemsekundærniveau deltager forskellige skoler i Tyskland, hvis læreplaner varierer afhængigt af forbundsstaten. I gymnasiet undervises der foruden elementær matematik normalt i en syntese af fysik, kemi og biologi som ét fag (f.eks. PCB i Bayern). Hovedfokus her er på praktisk anvendelse i uddannelsesyrket . I gymnasier som grammatikskoler eller gymnasier undervises i naturvidenskab i separate obligatoriske og valgfag som biologi, kemi, fysik, astronomi, geografi og datalogi. Ud over den grundlæggende viden om regning og geometri behandles underområder som trigonometri , lineær algebra , stokastik samt differential- og integralregning i matematik for at lære eleverne kreativ og problemløsende tænkning og dermed forberede dem til at studere en videnskab.

Efter opnåelse af adgangskvalifikationen for de videregående uddannelser ( Abitur , Fachabitur ) kan studier påbegyndes på universitetet eller teknisk college , hvor der afhængigt af kurset er yderligere krav såsom numerus clausus , motivationsbrev eller egnethedstest . I løbet af kurset formidles væsentligt indhold i foredrag og seminarer , som derefter uddybes i selvstudier og selvstudier og testes i forskellige eksamener . Ansøgningsorienteret erfaring skal formidles gennem fagrelaterede praktikophold . Hvis kurset lykkes, vil ceremonien være en akademisk grad (z. B. Bachelor , Master , Diploma , State Examination for studerende lærere osv.) Til kandidaterne . Efter en god grad kan graden uddybes med en doktorgrad . Den akademiske kvalifikation til at undervise i sit videnskabelige emne tildeles gennem habiliteringen .

Af de 361.697 kandidater ved 386 universiteter i Tyskland i 2010 tog 63.497 (17,6%) deres sidste eksamen i matematik og naturvidenskab. Yderligere 59.249 (16.4%) gennemførte med succes deres studier i ingeniørvidenskab. Andelen af ​​kvinder blandt kandidater i matematik og videnskab var 41,0% og inden for teknik 22,2%.

Naturforskerens faglige felt er meget forskelligartet. Han arbejder i undervisning på universiteter og skoler, på forskningsinstitutioner , for virksomheder i udvikling af produkter og processer og ofte som ledelseskonsulent . Med mange institutioner, samfund og fonde tilbyder Tyskland naturforskere gode lokaliseringsfaktorer, der også opfattes internationalt. Disse omfatter især Helmholtz Association , Max Planck Society , Fraunhofer Society og Leibniz Association . Statens udgifter til forskning og udvikling i videnskabelige institutioner i den offentlige sektor udgjorde i alt 12,7 milliarder euro i 2009. Heraf blev 4,67 milliarder euro (36,7%) brugt på matematik og naturvidenskab og 3,20 milliarder euro (25,2%) på teknik.

Videnskab og etik

Naturvidenskaberne selv kommer ikke med ideologiske eller moralske udsagn. Men med stigningen i viden vokser mulighederne for at misbruge videnskabelig viden til etisk tvivlsomme formål. Omfanget af uansvarligt misbrug af teknisk fremgang blev klart for første gang i de to verdenskrige . Efter opdagelsen af atomkraft blev masseødelæggelsesvåben i stigende grad bygget og brugt i slutningen af ​​Anden Verdenskrig . I forbindelse med våbenkapløbet er spørgsmålet om videnskabsmandens ansvar for konsekvenserne af hans forskning kommet i almen interesse. I hvilket omfang kan naturvidenskab give menneskeheden viden, som den ikke kan eller ikke kan håndtere endnu? Er det tilladt at bruge teknologier, hvis potentielle risici endnu ikke er velkendte og derfor kan skade samfundet? I dag diskuteres især følgende spørgsmål kontroversielt i medierne :

Videnskab og religion

Education (1890) af Louis Comfort Tiffany - Science and Religion in Harmony

Med fremkomsten af ​​de filosofiske strømninger af naturalisme , materialisme og deres indflydelse på videnskabens filosofi opstod flere og flere konfliktområder mellem videnskab og religion. Begge hævdede at komme med sande udsagn om verden, religion fra åbenbaring og videnskab gennem eksperimenter. Et vigtigt krav for logisk empiri er en konsekvent afvisning af alle metafysiske eller transcendente begreber med den konklusion, at hele den eksisterende verden kun består af stof og energi. I forbindelse med reduktionisme indebærer dette, at mennesket i sit individ kun er et produkt af atomer, hvis bevidsthed, tanker, følelser og handlinger sker gennem neuronale processer i hans hjerne. Derfor er hans tro på en gud kun en projektion af hans bevidsthed og hans frie vilje , som religion appellerer til, en illusion .

Andre forskere og teologer er af den opfattelse, at videnskab og religion ikke modsætter sig hinanden i en antagonistisk (modstridende) forstand, men snarere i en komplementær (komplementær) forstand. Derved annulleres deres modstand ved at tildele begge perspektiver til forskellige dele af virkeligheden , en subjektiv indefra og en objektiv udefra. Derved finder begge deres begrundelse, og en objektiv beslutning om, hvilken af ​​disse tilgange, der er "vigtigere", er grundlæggende ikke mulig, fordi hvert argument er baseret på spørgsmål om verdenssyn .

Indflydelse på litteratur

Forfatteren Friedrich Dürrenmatt beskæftiger sig intensivt med naturforskerens rolle i samfundet.

Naturforskeren bliver et populært emne i litteraturen med modtagelse af knytnævesmaterialet . I Goethes Faust I fremstilles den historiske Johann Georg Faust som en intellektuel stræben efter viden og frigør sig fra religiøs vejledning , som dog når sine grænser og dermed indgår en pagt med djævelen . Den fremadskridende udvikling af naturvidenskab påvirker det filosofiske verdensbillede og afspejles også i realismens litteratur . Fremstillingen af ​​plottet fokuserer på omverdenen og finder en objektiv, men kunstnerisk beskrivelse. Desuden er der også kritiske diskussioner om ideen om at mestre naturen og dens sociale konsekvenser, som f.eks. Manifesterer sig i den industrielle revolution. I den postmoderne æra stilles der store spørgsmålstegn ved fremskridt og fornuft, og der tages skoler for pluralisme og relativisme . Den ulykke fået central betydning i mange værker. I Max Frisch 's roman Homo Faber , skæbne overhaler den hovedpersonen Walter Faber, en ingeniør med en teknisk rationel verdensanskuelse i hans velordnet løbet af livet . Gennem en række tilfældige begivenheder, der er tæt forbundet med hans fortid, indgår han et kærlighedsforhold med sin egen datter, om hvis fødsel han intet vidste. Mens hun rejser sammen, dør hun af en hovedskade. Et stykke tid senere blev Faber diagnosticeret med mavekræft . Inden operationen, hvis udfald er åbent, reflekterer han over sit mislykkede liv.

Et vigtigt værk, der, formet af den kolde krig , omhandler naturvidenskabsmandens ansvar i atomalderen, er den tragiske komedie Die Physiker af den schweiziske forfatter Friedrich Dürrenmatt . Den geniale fysiker Johann Wilhelm Möbius fandt i sin revolutionære opdagelse af verdensformlen, at dens anvendelse ville give menneskeheden midler, der i sidste ende kunne føre til dens ultimative tilintetgørelse. På grund af dette forlader han sin familie og foregiver at være sindssyg i et vanvittigt hus. Dramaet tager sin værst tænkelige drejning, når det i sidste ende viser sig, at den skøre overlæge har kopieret Möbius ' manuskripter og vil bruge formlen til at opnå verdensherredømme. I sine 21 punkter om fysikerne giver Dürrenmatt igen chancen en afgørende position: "Jo mere planlagte mennesker går videre, jo mere effektivt kan chancen ramme dem." Et velkendt værk, der historisk skildrer videnskabsmanden i samfundskontekst, er Life of Galileo af Bertolt Brecht .

Indflydelsen af naturvidenskaben i genren af science fiction kan tydeligt ses. Fremtidige verdener med højt udviklet teknologi og radikalt forskellige indstillinger er kendetegn ved talrige værker af høj og populær litteratur . Naturforskeren som litterær skikkelse er også meget populær i samtidslitteratur . Selve videnskabelig forskning gøres tilgængelig for offentligheden af videnskabsjournalister , bogforfattere og bloggere på et enkelt sprog ( populærvidenskabelig litteratur ).

Film og tv

Populærvidenskabelige programmer som milepæle inden for videnskab og teknologi eller alpha-Centauri nyder stigende popularitet blandt interesserede. Der formidles videnskabelige emner i en præsentation, der er forståelig for lægfolk, som har til formål at vække interesse og tilskynde til yderligere diskussion. I film og serier er naturvidenskab et populært emne langt ud over science fiction -genren. I den amerikanske krimiserie Numbers - The Logic of Crime løser Charlie Eppes, et matematisk geni , forbrydelser i rådgivende egenskab for FBI ved hjælp af matematiske og videnskabelige metoder. I mange repræsentationer indtager den geniale videnskabsmand med sine særlige færdigheder rollen som en alternativ helt . Konflikten mellem personlig identitet og social rolle tematiseres i filmen Good Will Hunting . Will Hunting er et geni, der voksede op i en plejefamilie i et socialt udsatte miljø , har et par straffeattester og klarer sig med ulige job. Efter at en professor opdager sit talent, er alle veje åbne for ham. Han kan dog ikke håndtere sin identitetskonflikt, før en psykolog tager sig af det. En anden fremstilling er den faktabaserede livshistorie om den kendte matematiker John Nash, bearbejdet i filmen A Beautiful Mind . Som en outsider falder han ind i skizofreni og mener, at han bliver fulgt af agenter på grund af sit arbejde som kodebryder . Stereotypisk for naturforskeren er ofte manglen på sociale færdigheder , som enten fører til tragiske konsekvenser eller bruges i komedier til underholdning. Den sitcom The Big Bang Theory kontraster livet for to unge fysikere og deres nabo, der arbejder som servitrice. Fysikernes dimension er en kliché ved deres mærkelige vittigheder, diskussioner, tøjstil og andre egenskaber, og betragtes ofte som nørder eller nørder kaldet. Nogle gange undlader de at se de mest oplagte forbindelser eller misforstår formsprog og sarkasme , som bliver latterliggjort. Når de gør noget med deres venner og deres nabo Penny, ser det ud til at to forskellige verdener underholdende støder sammen. Karaktererne er stærkt karikerede , hvorved alle fordomme ser ud til at blive bekræftet.

litteratur

Naturvidenskab generelt og opslagsværker

Magasiner

Populær videnskab

Weblinks

Commons : Natural Sciences  - Samling af billeder, videoer og lydfiler
Wikibooks: Bog om det videnskabelige verdensbillede  - lærings- og undervisningsmateriale
Wiktionary: Naturvidenskab  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser
Wikibooks: Åbne spørgsmål inden for naturvidenskab  - lærings- og undervisningsmateriale
Wikisource: Naturvidenskab  - Kilder og fulde tekster

Individuelle beviser

  1. Se J. Habermas: Viden og interesse. I: Ders. (Red.): Teknologi og videnskab som "ideologi". Suhrkamp, ​​Frankfurt am Main 1969, s. 146-168.
  2. Stephen Mason : Naturvidenskabens historie i udviklingen af ​​deres tankegange . GTN, 3. udgave 1997, s.15.
  3. Mason: History , s. 49.
  4. CF v. Weizsäcker : Videnskabens omfang. , Hirzel, 6. udgave 1990, s. 60.
  5. Mason: Geschichte , s. 65 f.
  6. Mason: Geschichte , s. 166 f.
  7. Mason: Historie , s. 153.
  8. ^ Mason: Historie , s. 154-158.
  9. Mason: Geschichte , s. 335 f.
  10. Se f.eks. BTS Kuhns teori om paradigmer eller disciplinærmatrix og I. Lakatos 'teori om den hårde kerne i forskningsprogrammer
  11. Se http: //www.naturphilosophie.org; / G. Schiemann, M. Heidelberger: Naturphilosophie . I: HJ Sandkühler (red.): Encyclopedia Philosophy. Meiner, Hamborg 2010: s. 1733–1743.
  12. ^ " Forskere sigter mod at opdage fakta om verden - om regelmæssighederne i den observerbare del af verden. ”( Bas van Fraassen : The Scientific Image , Oxford University Press, 1980, s. 73.)
  13. “For videnskaberne er naturalisme ikke en vilkårlig stillingtagen, men håndhæves sådan set ved deres metodologiske principper. Videnskabelige hypoteser og teorier bør [...] kunne verificeres. Men kun noget, der kan verificeres, er noget, som vi i det mindste kan indirekte interagere med, og som opfører sig i henhold til loven. " M. Bunge , M. Mahner , About the nature of things , Hirzel, 2004, s. 9.
  14. “Vi hævder, at forskere opfører sig som realister uanset deres filosofiske ytringer. Det vil sige, de går ud fra, at der er [...] objektive (emneuafhængige) fakta, og at nogle af dem kan genkendes [...] ”. M. Bunge , M. Mahner , Philosophical Foundations of Biology , Springer, 2000, s.68 .
  15. a b Anjan Chakravartty, Scientific Realism , Section 4.1 Empiricism, entry in the Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2011 ( online ).
  16. ^ Jim Bogen, Theory and Observation in Science , afsnit 4 Hvordan observationsbeviser kan være teoretisk fyldt , indgang i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2009 ( online ).
  17. Anjan Chakravartty, videnskabelig realisme , afsnit 3. Overvejelser mod videnskabelig realisme (og svar), opslag i Stanford Encyclopedia of Philosophy , 2011 ( online ).
  18. Kyle Stanford, underbestemthed af Videnskabsteori , indgang 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 : Antagelser og modbevisninger , kapitel 5, afsnit XII. Tilbage til præ-socratics.
  21. CF v. Weizsäcker : Time and Knowledge , Hanser, München 1992, ISBN 3-446-16367-0 , s. 73-78.
  22. ^ Karl R. Popper: Forskningens logik , kapitel 1, afsnit 1. Problemet med induktion.
  23. ^ Karl R. Popper: Forskningens logik , kapitel 10, afsnit 79. Om såkaldt verifikation af hypoteser.
  24. Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1 , Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-43559-X , s.6 .
  25. Queen Mary 2: Et skib af superlativer (PDF; 40 kB). Cunard Line hjemmeside . Hentet 27. september 2011.
  26. ^ CP Snow : De to kulturer. 1959. I: Helmut Kreuzer (Red.): De to kulturer. Litterær og videnskabelig intelligens. CP Snes speciale under diskussion. dtv, München 1987, ISBN 3-423-04454-3 .
  27. Prøver på universiteter . Websted for Federal Statistical Office Germany, Fach Series 11 series 4.2, s. 12–13, åbnet den 12. november 2014
  28. ^ Federal Statistical Office - publikationer inden for universiteter - undersøgelser på universiteter
  29. Udgifter, indtægt og personale ved offentlige og offentligt finansierede institutioner til videnskab, forskning og udvikling . Websted for Forbundsstatistikbureauet Tyskland, Fachserie 14 Reihe 3.6, s. 22, åbnet den 12. november 2014.
  30. Federal Statistical Office - publikationer inden for forskning og udvikling - udgifter, indtægter og personale fra offentlige og offentligt finansierede institutioner til videnskab, forskning og udvikling
  31. ^ Wolf Singer , Free will is just a good feeling , Süddeutsche.de, 2006 online artikel .
  32. ^ Hans-Peter Dürr , Physik und Transzendenz , Scherz Verlag, 1986, s.17 .
  33. ^ Friedrich Dürrenmatt : Die Physiker , Diogenes, Zürich 1998, s. 91.