Naturwissenschaft

Naturwissenschaft

Die Naturwissenschaften befassen sich mit der unbelebten und belebten Natur, versuchen diese zu beschreiben und zu erklären. Die traditionellen Gebiete der Naturwissenschaften – Physik, Chemie und Biologie – prägen auch heute noch nachhaltig das verbreitete Bild der Naturwissenschaften. In der Gegenwart wird der Begriff Naturwissenschaften jedoch deutlich weiter gezogen.

Die Naturwissenschaften stehen nach traditioneller Auffassung den Geistes- und Sozialwissenschaften gegenüber. Allerdings ist diese ausschließliche Zweiteilung der Wissenschaften in zwei große Kategorien heute weitgehend nicht mehr begriffliche Grundlage: Als prominentestes Beispiel für eine Wissenschaft, die weder als Natur- noch als Geisteswissenschaft einzuordnen ist, gilt die Mathematik neben der Informatik, die den Strukturwissenschaften zugeordnet werden. Mit dem Begriff der Humanwissenschaften werden die zunehmend früheren Unterscheidungen zwischen Geisteswissenschaften und Sozialwissenschaften einerseits und den Naturwissenschaften andererseits relativiert. Bekannt ist die These der Zwei Kulturen von Charles Percy Snow (1959), die schwer überwindbare Hindernisse in der Kultur von Geisteswissenschaft einerseits und Naturwissenschaft andererseits beschreibt.

Heute definieren sich die Naturwissenschaften über ihre Methoden und den Wissenschaftsprozess. Es werden Hypothesen gebildet und systematische Experimente durchgeführt, um diese Hypothesen zu überprüfen. Die Hypothesen werden möglichst präzise formuliert, was in der Praxis heißt, dass die Hypothese als mathematisches Modell formuliert wird. „Mathematisches Modell“ darf hierbei nicht zu eng verstanden werden, denn neben der klassischen Differentialgleichung können solche Modelle statistische Natur haben und entsprechend formuliert werden, oder es kann sich um Abläufe handeln, die als Graphen dargestellt werden. Die Hypothese (= Modell) muss kausal und nachprüfbar sein. Die Hypothese sollte bekannte Phänomene erklären und, idealer Weise, neue Phänomene vorhersagen oder mehr Phänomene erklären als die bekannten Modelle. Ist die Hypothese erfolgreich („sie bewährt sich“) wird ihr im Laufe der Zeit immer mehr Vertrauen entgegengebracht. Bewährte Hypothesen werden oft auch als Theorie bezeichnet. Theorien, die lange Zeit und in verschiedenen Gebieten ihre Tests immer wieder bestanden haben, werden auch Naturgesetz genannt. Häufig haben sogenannte Naturgesetze aber weitere Attribute, die wissenschaftstheoretisch nur schwierig exakt zu fassen sind. Zu diesen gehören Einfachheit ("Sparsamkeitsprinzip"), großer Geltungsbereich, elegante mathematische Formulierung und hoher Erklärungswert. Erklärungswert heißt, dass die Theorie möglichst wenig freie Parameter enthält, die erst durch Messungen und Experimente bestimmt werden müssen. Als Beispiele für weithin anerkannte Naturgesetze können der Energieerhaltungssatz und die Relativitätstheorie angeführt werden. Dagegen würde man das eigentlich sehr erfolgreiche Standardmodell der Elementarteilchenphysik noch nicht als „Naturgesetz“ bezeichnen, denn es mangelt ihm an Erklärungswert, da es mindestens 19 freie Parameter hat, die durch Messung und Experiment bestimmt werden müssen.

„Ich behaupte aber, daß in jeder besonderen Naturlehre nur so viel eigentliche Wissenschaft angetroffen werden könne, als darin Mathematik anzutreffen ist.“

– Immanuel Kant: Metaphysische Anfangsgründe der Naturwissenschaft, A VIII

Physik: Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die grundlegendste der Naturwissenschaften. Sie beschreibt elementare Gebiete der Natur und deren Zusammenhänge, zum Beispiel Kräfte und die Bewegung von Körpern, aber auch komplexe Zusammenhänge wie die Dynamik von Raum und Zeit oder den Atombau. Die Astronomie gehört auch zur Physik, wird aber auch häufig als eigenständige Naturwissenschaft gesehen.

Chemie: Die Chemie (von arabisch al-kimiya', dieses von griechisch χημεία, chemeia) ist die Lehre von den Elementen und ihren Verbindungen. Sie beschreibt deren Eigenschaften, Verhalten und ihre Veränderung. Zu einer tiefergehenden Erklärung dieser Vorgänge greift sie auf die Physik zurück.

Biologie: Die Biologie (griechisch βίος, bíos Leben und λόγος, lógos Lehre) befasst sich mit lebenden Organismen, angefangen bei den kleinsten Organismen wie Bakterien bis hin zum Menschen. Sie baut dabei einerseits auf Erkenntnisse der Chemie auf und beschreibt und erklärt die stofflichen Vorgänge in lebenden Organismen. Andererseits formuliert sie übergreifende Gesetze über die Entwicklung, die Lebensweise und Fortpflanzung und andere Vorgänge und Erscheinungen.

Geologie: Die Geologie befasst sich mit der Entstehung, der Entwicklung und der heutigen Gestalt der Erde. Sie wendet die Grundprinzipien der Physik und der Chemie auf die unbelebte Natur an, so wie es die Biologie auf die belebte Natur tut. Ebenso wie die Biologie formuliert die Geologie über Physik und Chemie hinausgehende Theorien, von denen die Plattentektonik hinsichtlich ihrer grundlegenden Bedeutung der Evolutionstheorie in der Biologie vergleichbar ist.

Die Übergänge zwischen Chemie und Biologie sind die, wo die Biologie nicht mehr alleine mit biologischen Prozessen erklärbar ist, wie z.B. auf Ebene der DNA und allem was damit geschieht. Hier zeigt sich ein klarer Übergang der beiden Naturwissenschaften. Es muss auf die komplexen chemischen Verbindungen eingegangen werden, um biologisch zelluläre Vorgänge erklären zu können.

Analog dazu finden sich die Übergänge zwischen Physik und Chemie auf der subelementaren Ebene, wo sich die Eigenschaften der chemischen Elemente allein durch deren Atomstruktur und -Anordnung erklären lassen. Die Grundlage dafür bildet der Bereich der Atom- und Teilchenphysik.

Es gibt ebenfalls Übergänge von der Biologie zur Physik, z.B. bei der Betrachtung statischer Problemstellungen wie dem Skelettbau, fluid-dynamischer Prozesse (z.B. der Blutdruckmessung), oder elektro-physiologischer Vorgänge wie der neuronalen Erregungsleitung.

Das Übergangsfeld zwischen Geologie und Chemie behandelt die Geochemie, das zwischen Geologie und Physik die Geophysik, das zwischen Geologie und Biologie die Paläontologie.

Die Naturwissenschaften schaffen die Grundlage für weitere Wissenschaftsbereiche, wie z. B. die Medizin, die Pharmazie und die Werkstoffwissenschaft.

Der oben beschriebene Prozess wird auch in anderen Wissenschaftsgebieten angewendet, die nicht zu den klassischen Naturwissenschaften zählen oder zu den Naturwissenschaften aus der erweiterten Aufstellung im Artikel Wissenschaft zählen. Diese erhalten im angelsächsischen üblicherweise den Zusatz „Science“. Eine Eins-zu-Eins-Übersetzung ins Deutsche ist nicht üblich, gelegentlich wird der Begriff der „Exakten Wissenschaft“ verwendet. Als Beispiel sei die Psychologie genannt, die weitgehend mit naturwissenschaftlichen Methoden arbeitet.

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