sciences naturelles

Le terme sciences naturelles résume les sciences qui fonctionnent de manière empirique et traitent de l'étude de la nature . Les naturalistes observent , mesurent et analysent les conditions et le comportement de la nature à l' aide de méthodes destinées à assurer la reproductibilité de leurs résultats dans le but de reconnaître les régularités. En plus d' expliquer les phénomènes naturels, l'une des tâches les plus importantes des sciences naturelles est de rendre la nature utilisable. Les sciences naturelles forment z. B. Une partie des fondements théoriques de diverses disciplines telles que la technologie , la psychologie , la médecine ou la protection de l'environnement .

Au XVIIe siècle, les sciences naturelles firent une percée décisive dans les classes intellectuelles de la société. En lien avec les Lumières, cela a déclenché une révolution scientifique, qui a conduit au XVIIIe siècle à l' ère industrielle avec de nombreuses nouvelles découvertes et inventions et qui a profondément changé la société, notamment dans le monde occidental . Elle a été jusqu'à ce jour si fortement influencée par l'activité scientifique générale que la sociologie parle de société scientifique et technique.

Les sous-domaines des sciences naturelles comprennent l' astronomie , la physique , la chimie , la biologie , ainsi que certaines sciences de l'environnement telles que la géologie , mais aussi les sciences agricoles . L'utilisabilité technique des lois naturelles a toujours été traitée dans différentes sciences de l'ingénieur .

Classement et démarcation

Selon une vision classique, les sciences naturelles peuvent être classées aux côtés des sciences humaines et sociales . En raison de l'émergence d'une variété de nouvelles branches de la science en moderne fois, il n'y a pas de consensus sur un général classification des les différentes sciences . La classification s'avère particulièrement difficile en raison des nombreux chevauchements des différents domaines scientifiques. Les sciences naturelles appartiennent aux sciences empiriques . Ils se caractérisent principalement par leur objet de recherche, la matière animée et inanimée. Certaines sciences naturelles se caractérisent par une approche mathématique de leur objet de recherche. C'est ce qu'on appelle les sciences exactes . Les mathématiques sont également une science exacte, mais avec son étude des structures abstraites, elles englobent des domaines à la fois des sciences humaines et des sciences naturelles. C'est pour cette raison que c'est souvent à côté de l' informatique la structure attribuée par Sciences .

La recherche scientifique s'intéresse principalement aux questions auxquelles il est possible de répondre en examinant les relations régulières dans la nature. L'accent est mis sur la description du processus lui-même et non sur la recherche d'un sens. En termes simplifiés, il peut être présenté avec la question de savoir comment au lieu de pour quoi . La question pourquoi y a-t-il de la pluie? ne trouve pas son explication avec Pour que les plantes puissent pousser , mais on y répond objectivement : Parce que l'eau s'évapore , monte, se rassemble en nuages ​​et finalement se condense , ce qui entraîne des précipitations . En premier lieu, les sciences naturelles ne répondent à aucune question téléologique (fin ou orientée vers un but), mais font remonter les processus examinés aux lois de la nature ou à des faits déjà connus. Dans la mesure où cela réussit, les sciences naturelles se voient attribuer non seulement un caractère descriptif mais aussi un caractère explicatif .

Histoire des sciences

Philosophie naturelle de l'antiquité

Représentation de la vision du monde ptolémaïque par Andreas Cellarius (1660)

La connaissance scientifique a commencé d'une part dans l'activité manuelle et technique et d'autre part dans la transmission spirituelle de la tradition savante de l'homme. Les observations de la nature dans les cultures anciennes - en particulier en astronomie - produisaient souvent des déclarations quantitatives et qualitatives précises, mais étaient principalement interprétées de manière mythologique - comme en astrologie , par exemple . La philosophie naturelle grecque a apporté des progrès décisifs avec le développement d'une méthodologie basée sur la philosophie et les mathématiques. Le monde perceptible a été pensé, comme dans la théorie des quatre éléments, comme une combinaison des « éléments » feu, air, eau et terre, et divers processus de transformation ont été décrits. L'idée des plus petites particules indivisibles ( atomisme ), dont le monde entier est composé, a également été développée. Les mouvements périodiques des corps célestes , connus depuis longtemps , ont été interprétés géométriquement et l'idée d'un système mondial a été développée dans laquelle le soleil, la lune et les planètes connues à l'époque se déplaçaient sur des orbites circulaires autour de la terre au repos en le centre ( vision géocentrique du monde ). La forme sphérique de la terre a été supposée et justifiée de manière concluante par Aristote au plus tard , l'occurrence des éclipses solaires et lunaires a été expliquée, les distances relatives entre la terre, le soleil et la lune ont été estimées et même la circonférence de la terre a été déterminée assez précisément par une mesure d'angle et des considérations géométriques.

Dans l' Empire romain , les réalisations intellectuelles de la culture grecque ont été largement adoptées et développées, avec un apogée à l' époque impériale , mais ont été largement perdues avec l'effondrement de l'empire au 5ème siècle après JC. Dans l'Europe médiévale, sous la primauté de la théologie et de la philosophie , les sciences naturelles ne pouvaient se développer que lentement dans le monde chrétien comme dans le monde islamique et dans le cadre de prémisses idéologiques.

Tour copernicien et révolution scientifique

Nicolas Copernic. Gravure de 1597 par Robert Boissard . L'inscription latine signifie : « Copernic n'enseigne pas que les orbites du ciel sont instables, il déclare plutôt que l'orbite de la terre est instable.

Ce n'est qu'à la Renaissance qu'il y a eu un regain d'intérêt pour l'observation de la nature. Au fur et à mesure que la science s'approchait de l'artisanat traditionnel dans la méthode empirique , de nouvelles connaissances ont été acquises dans tous les domaines. L'interaction de l' alchimie et de la médecine a enrichi les deux disciplines dans leur développement en sciences empiriques. La correction de l'ancien calendrier julien et la navigation dans les transports océaniques ont nécessité une étude intensive de l'astronomie. Sur la base du mouvement de la terre autour du soleil, Nicolaus Copernicus a développé un système mondial qui expliquait les trajectoires célestes des planètes, qui semblaient être compliquées depuis la terre, d'une manière plus simple et, par rapport au système ptolémaïque, permettait une mais pas de calcul plus précis des positions. Francis Bacon et Galileo Galilei ont demandé que la recherche naturelle soit basée sur des expériences , Galileo particulièrement réussi à promouvoir l'évaluation mathématique des résultats de mesures numériques. Cependant, le système mondial copernicien n'a commencé à s'affirmer sur la vision du monde géocentrique qu'après que Johannes Kepler a déterminé les orbites elliptiques de la terre et des autres planètes à partir de mesures précises de Tycho Brahe , Galileo Galilei avait observé les lunes de Jupiter et les phases de la planète Vénus et Isaac Newton avait tout cela dans Pourrait théoriquement confirmer le cadre de la mécanique développée par lui à travers sa loi de la gravitation . Pour ces découvertes révolutionnaires des XVIe et XVIIe siècles, le terme de virage copernicien a été inventé. Les historiens des sciences commencent également cette révolution scientifique en tant que pionniers des sciences naturelles modernes.

Science moderne

Les experts ne s'entendent pas sur une définition précise et sur l'époque à laquelle les sciences naturelles modernes ont commencé . Souvent, en chevauchement avec la révolution scientifique, le 17ème siècle est donné comme cadre temporel pour le début des sciences naturelles modernes. Les opérations scientifiques professionnalisées , le développement et l' application d' une méthodologie scientifique et plus tard le développement de domaines spécialisés par la spécialisation sont considérés comme des caractéristiques importantes .

Avec la création de sociétés scientifiques, d' académies et de nouvelles universités , l'établissement d'une tradition scientifique indépendante en Europe a commencé. En France, les chercheurs - influencés par la philosophie rationaliste de Descartes - se sont consacrés à la description théorique des phénomènes naturels en mettant l'accent sur la méthode déductive. En Angleterre, par contre, en raison de l'influence de Bacon, l'intérêt se porte sur la méthode empirique, c'est pourquoi l'expérience pose des défis plus techniques. Cela est également considéré comme l'une des raisons pour lesquelles la révolution industrielle a commencé en Angleterre dans la seconde moitié du XVIIIe siècle. De nombreuses découvertes et inventions révolutionnaires ont inauguré un changement social et économique indéniable qui s'est étendu à l'Europe continentale et à l'Amérique dans les décennies qui ont suivi.

Avec la forte augmentation des connaissances depuis le XVIIIe siècle, une compréhension de base de la structure du monde empiriquement accessible s'est progressivement développée, ce qui a permis de diviser les sciences naturelles en domaines tels que la biologie, la chimie, la géologie et la physique. Bien que des différences dans la méthodologie des disciplines se soient développées, elles s'influencent et se complètent mutuellement. Les processus métaboliques étudiés en biologie pourraient, par exemple, être expliqués et étudiés plus en détail en utilisant la chimie organique . De plus, les théories atomiques modernes de la physique ont fourni des explications sur la structure des atomes et ont ainsi contribué à une meilleure compréhension des propriétés des éléments et des liaisons chimiques en chimie . En outre, des disciplines telles que la médecine, l' agriculture ou les sciences de l'ingénieur se sont développées , qui ont développé des applications possibles pour les connaissances théoriques.

Dans la première moitié du 20e siècle, la physique a connu un bouleversement remarquable, qui allait avoir de graves conséquences sur l'image de soi des sciences naturelles. Avec la fondation de la physique quantique , Max Planck et Albert Einstein ont établi que l' énergie - en particulier dans les ondes lumineuses - ne se produit qu'en quantités discrètes, c'est -à- dire qu'elle est quantifiée . En outre, Einstein a développé la spéciale (1905) et la théorie de la relativité générale (1915), qui a conduit à une nouvelle compréhension de l' espace, le temps, la gravité, l' énergie et la matière. La mécanique quantique , fondée dans les années 1920 et 1930, marque un autre bouleversement , qui dans la description des objets au niveau atomique montre des différences marquées par rapport à l'idée classique des atomes. Là, il a été constaté que certaines propriétés des particules ne peuvent pas être mesurées en même temps aussi précisément que souhaité ( principe d'incertitude de Heisenberg ) et, par exemple, les électrons d' un atome ne peuvent pas être localisés avec précision, mais ne peuvent être décrits qu'avec certaines probabilités via leur emplacement. . Ces découvertes échappent largement à la perception humaine, mais dévoilent leur grande importance dans leur formulation mathématique et sont d'une grande importance pour de nombreuses applications de la technologie moderne.

Pendant la Seconde Guerre mondiale et la guerre froide , la recherche scientifique - en particulier la technologie nucléaire - a été fortement encouragée car elle était une condition préalable à la supériorité technique et militaire des grandes puissances. Depuis lors, le terme recherche à grande échelle s'est imposé pour désigner l'expansion massive des installations de recherche .

Méthodes

Prémisses métaphysiques et épistémologiques

Les méthodes théoriques des sciences naturelles ainsi que leurs exigences et leurs objectifs sont décrits et discutés dans la philosophie des sciences . Ils sont principalement basés sur les mathématiques , la logique et l' épistémologie , mais aussi sur des hypothèses méthodologiques et ontologiques culturellement façonnées qui font l'objet d' une réflexion philosophique naturelle . L'objectif des sciences naturelles - l'exploration de la nature - présuppose comme hypothèse métaphysique de base que la nature existe et que les processus naturels se déroulent conformément à la loi. De plus, les spécialistes des sciences naturelles partent du principe épistémologique que la génération systématique de connaissances sur la nature est possible dans certaines limites. Sur la question de savoir où se situent exactement ces limites, il existe différents points de vue, dont les variantes les plus courantes peuvent être grossièrement divisées en deux groupes, la position empirique et la position du réalisme scientifique . Les empiristes supposent que la possibilité de la connaissance scientifique est limitée aux observations empiriques. Selon l'empirisme, cependant, les théories ou les modèles ne permettent aucune déclaration sur la nature. Une difficulté associée à ce point de vue est la démarcation entre l'observation empirique et les énoncés théoriques, puisque la plupart des observations en sciences naturelles sont indirectes. Par exemple, les champs électriques , les atomes , les quasars ou les molécules d' ADN ne peuvent pas être observés directement ; au contraire, les propriétés de ces objets ne peuvent être dérivées qu'à l'aide d'aides expérimentales complexes, l'interprétation théorique des données mesurées jouant un rôle indispensable.

Les réalistes scientifiques, d'autre part, considèrent que les théories scientifiques ou les modèles dérivés des théories permettent une description idéalisée, mais approximativement précise de la réalité. Selon cela, les molécules d'ADN, par exemple, existent réellement, et les théories actuelles sur l'hérédité sont approximativement correctes, bien que cela n'exclue pas des extensions futures ou même des modifications partielles de ces théories. Les réalistes scientifiques considèrent donc leurs déclarations comme les meilleures connaissances disponibles sur la nature, mais ne prétendent pas être la formulation de vérités ultimes et valides sans réserve. Certains critiques du réalisme scientifique - le mouvement positiviste du début du 20e siècle a été particulièrement influent ici - rejettent toute métaphysique comme spéculative. D'autres critiques soulignent des problèmes épistémologiques spécifiques du réalisme scientifique, y compris, en particulier, le problème de la sous- détermination des théories.

Empirisme et expérimentation

La distance parcourue par la balle qui tombe augmente quadratiquement avec le temps - la balle est donc accélérée.

Afin d'acquérir des connaissances objectives sur le comportement de la nature, soit des tests sont effectués, soit des processus déjà en cours dans la nature sont intensivement observés et documentés. Dans une expérience, un processus est souvent réalisé dans des conditions créées artificiellement en laboratoire et analysé quantitativement à l'aide de divers appareils de mesure . Dans la recherche sur le terrain , d'autre part, les processus naturels sont étudiés empiriquement ou des enquêtes aléatoires sont menées. L'expérience ou l'observation de la nature peut être répétée n'importe où dans le monde, quels que soient le lieu et l'heure - à condition qu'elle soit réalisée dans les mêmes conditions pertinentes - et doit conduire aux mêmes résultats dans le cadre de la précision de la mesure ( reproductibilité ). L'approche empirique a été un pilier important de la philosophie des sciences , notamment depuis sa description théorique par Francis Bacon et son application pratique par Galileo Galilei, et garantit que les résultats de la recherche peuvent être vérifiés de manière indépendante et ainsi répondre à l'exigence d'objectivité.

Souvent, les faits empiriques contredisent l' expérience quotidienne . Par exemple, des objets légers comme une feuille de papier semblent toujours tomber plus lentement sur le sol que des objets lourds comme un morceau de métal. Comme représenté par Aristote l'idée que chaque corps physique a sa place naturelle qu'il cherche à atteindre. Des corps lourds tomberaient parce que leur place naturelle est en dessous. Il a supposé que chaque corps tombe à une vitesse constante , qui dépend de sa masse . Cependant, Galilée n'a pas d'abord demandé la raison de la chute, mais a examiné le processus lui-même en enregistrant le temps de chute, la hauteur de la chute et la vitesse de divers corps et en les mettant en relation. Entre autres, il a constaté que le temps de chute ne dépend pas de la masse du corps - comme supposé précédemment - mais de sa forme et donc du frottement de l' air qui se produit . Ainsi, si vous faites tomber une balle de tennis de table et une balle de plomb de la même taille de la même hauteur, contrairement à une hypothèse intuitive , vous constaterez que les deux touchent le sol en même temps.

L'importance de l'expérience dépend de divers facteurs. Lors de l'utilisation d'un appareil de mesure , sa précision doit être connue afin de pouvoir évaluer à quel point les données mesurées avec lui sont fiables ( fiabilité ). La validité de l' ensemble du concept d'expérimentation doit également être vérifiée et les résultats souvent évalués à l' aide de méthodes statistiques afin de décider si le résultat peut réellement justifier une situation. Galilée était déjà conscient de l'imprécision de ses instruments et de l'incertitude de mesure associée. Pour cette raison, il a amélioré ses mesures en examinant le mouvement sur le plan incliné , qui est analogue à la chute libre .

induction

Lors de l'utilisation de la méthode d'induction, une connaissance générale est conclue à partir de l'investigation d'un phénomène . Les données empiriques sont évaluées et examinées pour des processus généralement descriptibles. Si des résultats de mesure quantitatifs sont disponibles, une recherche est effectuée pour les relations mathématiques entre les quantités mesurées. Dans l'exemple ci-dessus de chute libre , Galilée a trouvé une relation linéaire entre le temps et la vitesse du corps en chute, qui s'exprime par l' accélération constante de la gravité .

Bien que l'inférence inductive soit souvent utilisée en science, elle est controversée en philosophie des sciences ( problème d'induction ). Galilée était déjà conscient des difficultés de la démarche. David Hume a expliqué que l'expérience à elle seule ne suffisait pas à justifier une loi générale. Par exemple, il serait fatal d'essayer de déterminer la taille d'un enfant à l'âge adulte à partir de la vitesse à laquelle un enfant grandit. Pour cette raison, des tentatives ont été faites (par exemple par Rudolf Carnap ) pour affaiblir le pouvoir informatif des inférences inductives en attribuant une valeur de probabilité à leur validité , qui est supposée exister sur la base de l'expérience empirique. De telles approches sont également rejetées par les représentants du rationalisme critique tels que Karl Popper , car elles sont soit basées sur des hypothèses a priori , soit conduisent dans leur argumentation à une régression infinie et ne résolvent pas le problème d'induction d'origine.

Déduction

La méthode de déduction décrit une conclusion logique à partir d'une hypothèse supposée vraie . Si une certaine régularité est suspectée dans la nature, diverses affirmations peuvent en être déduites et vérifiées à nouveau empiriquement. Encore une fois, ce processus peut être illustré en utilisant la chute libre. De l'hypothèse que la vitesse du corps tombant est directement proportionnelle à son temps de chute, on peut déduire mathématiquement que la distance parcourue par le corps augmente quadratiquement avec le temps. Cette conclusion peut maintenant être vérifiée expérimentalement et s'avère correcte, grâce à quoi l'hypothèse supposée se vérifie. Il est clair que le résultat d'un certain nombre d' instantanés périodiques d'un objet tombant est effectué . A chaque tir, le corps parcourt une plus longue distance, ce qui réfute clairement l'hypothèse d'Aristote d'un taux de chute constant.

Une autre observation est que les objets légers de grande surface, comme une plume, tombent beaucoup plus lentement. On peut supposer que ce fait est dû au frottement de l'air. Afin de vérifier cela de manière déductive, une expérience de piège peut être réalisée dans un cylindre de verre sous vide , à laquelle Robert Boyle réussit en 1659. Il a démontré que n'importe quel corps de masse différente, comme une plume et une pierre, pouvait atteindre le sol dans le vide en tombant de la même hauteur.

Il existe différentes méthodes pour déduire des conclusions à partir de données ou de lois connues. Les modèles qui indiquent leur fiabilité sont également importants. Si, pour certaines raisons, le comportement d'un système ne peut pas être étudié dans une zone, mais que des déclarations peuvent toujours être faites pour le développement du système à l'aide de lois connues, on parle d' extrapolation . Par exemple, les résultats électoraux peuvent être estimés ( extrapolation ) avant l' élection en obtenant des valeurs relativement représentatives à partir d'enquêtes aléatoires . Si, d'autre part, une déclaration est faite sur l'état d'un système qui n'a pas été directement étudié, mais se situe dans la plage du comportement déjà connu du système, on parle d' interpolation . Si l'on obtient un énoncé déductif sur un événement qui doit avoir lieu dans le futur, on parle aussi de prévisibilité . Un tel exemple est le calcul des dates et heures de la Lune et les éclipses solaires des équations du mouvement des les corps célestes .

Vérification et falsification

L'affirmation initialement plausible Tous les cygnes sont blancs est falsifiée par un contre-exemple

Contrairement aux mathématiques, les déclarations, les lois ou les théories ne peuvent pas être définitivement prouvées en sciences naturelles . Au lieu de cela, en cas de test positif, on parle de preuve. Lorsqu'une déclaration ou une théorie est étayée par une grande quantité de preuves et qu'il n'y a aucune preuve du contraire, elle est considérée comme vraie. Cependant, elle peut être réfutée à tout moment (falsification) ou sa portée restreinte si de nouveaux résultats de recherche peuvent montrer des résultats correspondants. Si une théorie est vérifiable d. c'est-à-dire, peut finalement être trouvé pour être vrai, est controversé dans la philosophie des sciences. Karl Popper cite un exemple bien connu dans son ouvrage, La logique de la recherche , afin d'illustrer de manière critique la possibilité de vérifier des théories. L'hypothèse selon laquelle tous les cygnes sont blancs doit être vérifiée. Les partisans de l'empirisme logique déduiraient l'exactitude de l'énoncé du fait empirique que tous les cygnes qu'ils connaissent sont blancs. Cependant, ils n'ont pas vu tous les cygnes existants et ne connaissent pas non plus leur nombre. Par conséquent, vous ne pouvez ni supposer que l'hypothèse est vraie, ni faire des déclarations sur la probabilité de son exactitude. La cause du problème de vérification réside à l'origine dans l'étape d'induction.Beaucoup de cygnes que nous connaissons sont blancs → Tous les cygnes sont blancs . Pour cette raison, Popper rejette la vérifiabilité d'une théorie comme non scientifique. Au lieu de cela, les théories ne devraient jamais être considérées comme définitives, mais devraient toujours être remises en question, de sorte qu'elles restent prouvées ou soient finalement falsifiées.

réduction

Si plusieurs lois sur les processus de la nature sont connues, on peut supposer qu'elles sont interdépendantes, ont par exemple une cause commune et peuvent ainsi être réduites à un principe général. En utilisant cette approche, un nombre croissant de problèmes peuvent être attribués à de simples mécanismes ou lois. Isaac Newton a réalisé une réduction impressionnante avec la formulation de sa loi de la gravitation . Deux corps exercent l'un sur l'autre une force qui dépend de leur masse et de leur distance. La force de gravité, qui fait tomber une pierre au sol, peut donc être décrite avec exactement la même loi que l'attraction gravitationnelle entre le soleil et la terre. De nombreuses autres observations, telles que le premier phénomène correctement expliqué de Newton des marées , peuvent également être attribuées à la loi de la gravitation. Depuis lors, la réduction a fait ses preuves et est devenue d'une grande importance, notamment pour la physique. Cependant, jusqu'à quelles limites et dans quelles sciences cette méthode peut être utilisée est controversée.

En philosophie des sciences, le réductionnisme est un programme scientifique controversé. En termes simples, la question est de savoir si toutes les sciences peuvent finalement être réduites à une seule science fondamentale - comme la physique. Les partisans du réductionnisme conséquent, comme de nombreux partisans du physicalisme, soutiennent que la conscience humaine peut être entièrement décrite par la neurobiologie , qui à son tour peut être expliquée par la biochimie . La biochimie peut alors finalement être réduite à la physique, grâce à laquelle l'être humain en tant qu'être vivant complexe peut être pleinement expliqué à partir de la somme de ses parties individuelles et de leur interaction. Les critiques expriment leurs préoccupations à différents niveaux de cette construction logique. Une objection forte est l'apparition de l' émergence ; H. l'émergence de propriétés d'un système que ses composants n'ont pas. La Philosophie de l'Esprit traite de cela et des questions connexes .

Le corps est poussé vers le haut avec le poids de l'eau qu'il déplace

Description mathématique

Le Queen Mary 2 sur l'Elbe

Malgré les connaissances mathématiques existantes, aucune loi de formulation mathématique dans la nature n'a été reconnue pendant longtemps, car l'investigation systématique à l'aide de l'expérience ne pouvait pas prévaloir. Jusqu'à la fin du Moyen Âge, on était convaincu que l'observation de base suffisait pour ensuite comprendre l'essence de la nature par la réflexion pure. Avec cette façon de penser, cependant, on pourrait difficilement faire des déclarations quantitatives sur la nature. On savait par exemple que les matériaux légers comme le bois ont tendance à flotter sur l'eau, alors que les matériaux lourds comme le métal coulent. Mais pourquoi, par exemple, une coupe en or, qui est faite d'un métal lourd, pourrait-elle flotter à la surface de l'eau avec l'ouverture vers le haut ? Même Archimède découvrit le principe éponyme d'Archimède , qu'il pouvait formuler mathématiquement, mais cela fut oublié. Il dit qu'une force de flottabilité agit sur chaque corps dans l'eau , qui est exactement aussi grande que le poids de l'eau déplacée par le corps. Tant que la coupe en or déplace une quantité d'eau plus lourde que la coupe elle-même, elle flottera à la surface. Ce principe est généralisable à tout liquide ou substance et permet des calculs précis dans de nombreux domaines d'application. Cela explique pourquoi les grands navires pesant des milliers de tonnes ne coulent pas. Le Queen Mary 2, par exemple, déplace tellement d'eau à une profondeur de plongée d'un peu moins de 10 mètres que la force de flottabilité qui en résulte peut compenser son poids pouvant atteindre 150 000 tonnes lorsqu'il est chargé, ce qui semble intuitivement incroyable.

Surtout depuis le 17ème siècle, la description mathématique de la nature s'est développée comme la méthode la plus précise en sciences naturelles. Certaines méthodes mathématiques ont été développées spécifiquement pour l'application, d'autres étaient connues en mathématiques bien avant qu'un domaine d'application ne s'ouvre. Immanuel Kant considérait les mathématiques dans ses réflexions sur les sciences naturelles comme la structure de base et le contenu des sciences naturelles :

"Je maintiens, cependant, que dans une théorie particulière de la nature, il ne peut être trouvé qu'autant de science réelle qu'il y a de mathématiques à y trouver."

- Emmanuel Kant : Débuts métaphysiques des sciences naturelles , A VIII - (1786)

Bien que les mathématiques ne soient pas principalement attribuées aux sciences naturelles, mais aux sciences structurelles et parfois aux sciences humaines , elles constituent l'outil le plus puissant en ingénierie et en sciences naturelles pour décrire la nature et font partie de la plupart des modèles . Pour cette raison, il est souvent appelé le langage de la science.

Formation d'hypothèses et de théories

Processus d' acquisition de connaissances

Si une déclaration sur un processus naturel ou l'une de ses propriétés est supposée valide, on l'appelle une hypothèse tant qu'il n'y a pas de preuve empirique de l'exactitude. Les hypothèses sont pour la plupart posées et discutées en tant qu'hypothèses afin de vérifier leur plausibilité sous différents angles et, si nécessaire, de proposer une enquête empirique. Si une hypothèse est finalement testée expérimentalement et fait ses preuves, on parle d'hypothèse confirmée.

Un système de nombreuses déclarations confirmées, généralement acceptées et mutuellement cohérentes est appelé une théorie. Chaque théorie est basée sur certaines exigences ou principes, qui sont également appelés postulats (par exemple les postulats d'Einstein ) ou axiomes (par exemple les axiomes de Newton ). On suppose que ceux-ci ne peuvent être déduits d'aucun autre principe plus général. Une théorie significative se caractérise avant tout par la description et l'explication d'autant d'observations de la nature que possible à travers un nombre considérablement réduit de ces exigences fondamentales. Les déclarations bien documentées et centrales d'une théorie éprouvée sont appelées lois de la nature , en particulier en physique . Celles-ci sont principalement formulées mathématiquement et contiennent des constantes dites naturelles - des valeurs mesurées importantes qui ne changent pas dans l'espace ou dans le temps. Puisque la théorie est une construction complexe de structures mathématiques-logiques d'une part et de faits vérifiés empiriquement d'autre part, et peut elle-même consister en plusieurs théories cohérentes , on parle souvent d'une structure théorique .

La communauté scientifique est dans un vaste processus dynamique dans lequel des données empiriques sont collectées, évaluées, discutées, interprétées et des théories sont développées à partir des connaissances acquises. Les théories existantes sont remises en question à plusieurs reprises, vérifiées par de nouvelles découvertes expérimentales, adaptées ou rejetées en cas de déficiences majeures et finalement remplacées par de meilleures théories.

domaines d'expertise

spécialisation Domaine
cosmologie univers
astrophysique
Astrobiologie
Planétologie
géophysique Terre
géodésie
géographie physique
météorologie
climatologie
Hydrologie
géologie
minéralogie
géochimie
géographie
cartographie
Géoécologie Écosystème
biogéographie
Physique de l'environnement
Chimie environnementale
Océanographie
écologie
La science du sol
Médecine humaine personne
Biologie humaine
Génétique humaine
Sciences du mouvement
pharmacie
Neurobiologie
Chimie alimentaire
psychologie
archéologie Forme de vie
Biologie comportementale
physiologie
la génétique
morphologie
paléontologie
zoologie
botanique
Mycologie
virologie
bactériologie
Bioinformatique
microbiologie cellule
Biologie cellulaire
biochimie
Chimie organique
biophysique
Biologie moléculaire Molécules
Chimie supramoléculaire
Chimie physique
Physique moléculaire
Chimie inorganique
Électrodynamique

Matière condensée Physique 		Atomes
Chimioinformatique
Chimie quantique
thermodynamique
La physique quantique
Radiochimie Noyaux atomiques
Physique nucléaire
Physique des hautes énergies
La physique des particules Particules élémentaires

Les scientifiques occupent principalement les postes suivants :

Directions principales

Départements interdisciplinaires

Visualisation assistée par ordinateur d'une protéine interagissant avec une molécule d' ADN

Les mécanismes dans la nature sont souvent si complexes que leur étude nécessite des connaissances interdisciplinaires. Avec une spécialisation croissante , la compétence pour combiner efficacement différents domaines de spécialisation devient plus importante. Cela crée des domaines de recherche interdisciplinaires pour lesquels, au fil du temps, des cours distincts seront également proposés. En plus du domaine interdisciplinaire classique de la biochimie , d'autres directions interdisciplinaires se sont développées au cours des dernières décennies qui traitent de manière intensive des processus biologiques. En biophysique, par exemple, la structure et la fonction des cellules nerveuses , les biomembranes ainsi que le bilan énergétique de la cellule et de nombreux autres processus sont examinés en utilisant des processus physiques et des techniques de détection. La bioinformatique traite entre autres de la préparation et du stockage d'informations dans des bases de données biologiques , de leur analyse et de la simulation 3D de processus biologiques.

Un autre champ de recherche interdisciplinaire s'ouvre en sciences de l'environnement . Les effets de la gestion humaine sur l'environnement sont examinés dans un large contexte, allant de la physique et de la chimie de l' environnement à la psychologie et à la sociologie de l' environnement . En médecine de l' environnement , les conséquences sur l'état physique et mental de la santé de l' homme dans le cadre de l'environnement sont recherchés, en effet , non seulement des facteurs locaux tels que le lieu de résidence et de travail, mais aussi des influences mondiales telles que le réchauffement climatique et la mondialisation sont prises en Compte. Avec le mouvement écologiste , l'intérêt du public pour ces études s'est accru et, par leur influence politique , exige des normes plus élevées en matière de droit de l'environnement . L' Ingénierie Environnementale développe de nouvelles approches pour améliorer en tenant compte des acquis de ces disciplines les infrastructures tout en protégeant l'environnement.

Sciences naturelles appliquées

Il y a un long chemin à parcourir entre l'exploration pure de la nature et l' utilisation économique des découvertes, qui est associée à beaucoup d'efforts. Les entreprises n'ont souvent pas les moyens financiers et les ressources pour explorer de nouveaux domaines de recherche, surtout lorsqu'elles ne peuvent pas savoir s'il y aura une application dans leur domaine à l'avenir. Afin d'accélérer ce développement, les sciences naturelles appliquées se consacrent à faire le pont entre la recherche fondamentale et la mise en œuvre économique dans la pratique. Les universités de sciences appliquées en Allemagne apprécient particulièrement la formation axée sur les applications pour les universitaires et sont souvent appelées Université des sciences appliquées (HAW) ou Université des sciences appliquées .

Animation par ordinateur de l' effet lotus

La médecine est une science de grande envergure et axée sur les applications . Il est interdisciplinaire et spécialisé dans le diagnostic et la thérapie des maladies , en utilisant les bases de la physique, de la chimie et de la biologie. En physique médicale , par exemple, des dispositifs ainsi que des techniques diagnostiques et thérapeutiques telles que le diagnostic par rayons X , diverses méthodes de tomographie ou de radiothérapie sont développés. La biochimie est largement utilisée en pharmacologie et en pharmacie , qui traitent principalement du développement, de la fabrication et de l'action des médicaments . Les sciences agricoles transfèrent principalement les connaissances de la géographie, de la biologie et de la chimie à la culture des plantes et à l'élevage des animaux. En chevauchement avec l' ingénierie, il existe de nombreux domaines tels que la science des matériaux , les semi - conducteurs et la technologie de l'énergie . Une approche inhabituelle est poursuivie en bionique , une combinaison de biologie et de technologie. Lors de l'examen des structures et des processus biologiques, une recherche ciblée est effectuée pour d'éventuelles applications techniques. Lors de l'examen de la plante de lotus , il a été découvert que des gouttes d'eau roulent de la surface de ses feuilles et en même temps éliminent les particules de saleté ( effet lotus ). En imitant la structure de surface, il a été possible de produire des revêtements et des matériaux hydrofuges et autonettoyants .

Influence sur la culture et la société

Les progrès scientifiques ont influencé à la fois la vision du monde et pratiquement tous les domaines de la vie quotidienne. Différentes écoles de pensée ont conduit à des évaluations positives et critiques des conséquences sociales de ce progrès. Certains constructivistes supposent que les découvertes scientifiques ne sont que des images de processus sociaux et reflètent des relations hiérarchiques et de pouvoir. La recherche scientifique ne produit donc aucune connaissance, mais seulement des images de réalités sociales (→ sociologie des  sciences ). En 1959, CP Snow postule la thèse de deux cultures . Les sciences naturelles contrastent avec les sciences humaines et sociales , qui sont séparées les unes des autres par des obstacles difficiles à surmonter. Cependant, cette thèse est aujourd'hui considérée comme obsolète, car la mise à niveau de l'interdisciplinarité et du pluralisme ont entraîné de nombreux domaines intermédiaires.

École, études et travail

La transmission des connaissances scientifiques dans les écoles , les universités et autres établissements d'enseignement est une condition préalable importante pour le développement ultérieur de l'État. En Allemagne, une image simplifiée de la nature est véhiculée à l'école primaire dans les cours à domicile et dans les non-fictions et liée à un contenu historique et social. Selon le système scolaire structuré au niveau secondaire , différentes écoles sont fréquentées en Allemagne, dont les programmes diffèrent selon l'État fédéral. À l'école secondaire, en plus des mathématiques élémentaires, une synthèse de la physique, de la chimie et de la biologie est généralement enseignée comme une seule matière (par exemple PCB en Bavière). L' accent est mis ici sur l'application pratique dans le domaine de la formation . Dans les écoles secondaires telles que les lycées ou les écoles secondaires , les sciences naturelles sont enseignées dans des matières obligatoires et facultatives distinctes telles que la biologie, la chimie, la physique, l'astronomie, la géographie et l'informatique. En plus des connaissances de base en arithmétique et en géométrie , des sous-domaines tels que la trigonométrie , l'algèbre linéaire , la stochastique ainsi que le calcul différentiel et intégral sont traités en mathématiques afin d'enseigner aux étudiants la pensée créative et la résolution de problèmes et ainsi les préparer à étudier. une science.

Après l' obtention de l' enseignement supérieur qualification d'entrée ( Abitur , Fachabitur ) , les études peuvent être démarrés à l' université ou un collège technique , lequel en fonction du cours , il y a d' autres exigences telles que le numerus clausus , lettre de motivation ou des tests d' aptitude . Au cours du cours, les contenus essentiels sont véhiculés dans des cours magistraux et des séminaires , qui sont ensuite approfondis dans des travaux dirigés et autodidactes et testés lors de divers examens . L'expérience orientée vers l'application doit être transmise par le biais de stages liés à la matière . Si le cours réussit, la cérémonie sera un diplôme universitaire (z. B. Bachelor , Master , Diplôme , Examen d'État pour les élèves-maîtres , etc ) aux diplômés . Après un bon diplôme, le diplôme peut être approfondi avec un doctorat . La qualification académique pour enseigner dans sa matière scientifique est délivrée par l' habilitation .

Sur les 361 697 diplômés de 386 universités allemandes en 2010, 63 497 (17,6 %) ont passé leurs examens finaux en mathématiques et en sciences. 59 249 autres (16,4 %) ont terminé avec succès leurs études en ingénierie. La proportion de femmes parmi les diplômés en mathématiques et en sciences était de 41,0 % et en génie de 22,2 %.

Le domaine professionnel du naturaliste est très diversifié. Il travaille dans l'enseignement dans des universités et écoles, dans des instituts de recherche , pour des entreprises dans le développement de produits et de procédés et souvent en tant que consultant en gestion . Avec de nombreuses institutions, sociétés et fondations , l'Allemagne offre aux scientifiques naturels de bons facteurs de localisation qui sont également perçus au niveau international. Il s'agit notamment de l' association Helmholtz , de la société Max Planck , de la société Fraunhofer et de l' association Leibniz . Les dépenses publiques en recherche et développement dans les institutions scientifiques du secteur public s'élevaient à 12,7 milliards d'euros en 2009. Sur ce montant, 4,67 milliards d'euros (36,7 %) ont été consacrés aux mathématiques et aux sciences naturelles et 3,20 milliards d'euros (25,2 %) à l'ingénierie.

Sciences et éthique

Les sciences naturelles elles-mêmes ne font aucune déclaration idéologique ou morale. Cependant, avec l'augmentation des connaissances, les opportunités d'abuser des connaissances scientifiques à des fins éthiquement douteuses se multiplient . L' étendue de l'abus irresponsable du progrès technique est devenue évidente pour la première fois au cours des deux guerres mondiales . Après la découverte de l'énergie nucléaire , les armes de destruction massive ont été de plus en plus construites et utilisées à la fin de la Seconde Guerre mondiale . Dans le contexte de la course aux armements , la question de la responsabilité du scientifique dans les conséquences de ses recherches est entrée dans l'intérêt public. Dans quelle mesure les sciences naturelles peuvent-elles donner à l'humanité des connaissances qu'elle ne peut pas ou ne peut pas encore traiter ? Est-il permis d'utiliser des technologies dont les risques potentiels ne sont pas encore bien connus et pourraient donc nuire à la société ? Aujourd'hui, les questions suivantes font particulièrement l'objet de controverses dans les médias :

Sciences et religions

Education (1890) par Louis Comfort Tiffany - Science et religion en harmonie

Avec l'émergence des courants philosophiques du naturalisme , du matérialisme et de leur influence sur la philosophie des sciences, de plus en plus de domaines de conflit sont apparus entre la science et la religion. Tous deux prétendaient faire de vraies déclarations sur le monde, la religion à partir de la révélation et la science à travers l'expérience. Une exigence importante de l'empirisme logique est un rejet cohérent de tous les concepts métaphysiques ou transcendants avec la conclusion que tout le monde existant n'est constitué que de matière et d'énergie. En relation avec le réductionnisme , cela implique que l'être humain dans son individu n'est qu'un produit d'atomes, dont la conscience, les pensées, les sentiments et les actions se produisent à travers des processus neuronaux dans son cerveau. Dès lors, sa croyance en un dieu n'est qu'une projection de sa conscience et de son libre arbitre , à laquelle la religion fait appel, une illusion .

D'autres savants et théologiens considèrent que la science et la religion ne s'opposent pas dans un sens antagoniste (conflit), mais plutôt dans un sens complémentaire (complémentaire). Ce faisant, leur opposition est annulée en assignant les deux perspectives à différentes parties de la réalité , une subjective de l'intérieur et une objective de l'extérieur. Ce faisant, les deux trouvent leur justification, et une décision objective quant à laquelle de ces approches est la "plus importante" n'est fondamentalement pas possible, car chaque argument est basé sur des questions de vision du monde .

Influence sur la littérature

L'écrivain Friedrich Dürrenmatt a traité intensément le rôle du spécialiste des sciences naturelles dans la société.

Le scientifique naturel devient un sujet populaire dans la littérature avec la réception du premier matériel . Dans Faust I de Goethe , l'historique Johann Georg Faust est dépeint comme un intellectuel en quête de connaissance et se libérant de la tutelle religieuse , qui atteint pourtant ses limites et conclut ainsi un pacte avec le diable . Le développement avancé des sciences naturelles influence la vision du monde philosophique et se reflète également dans la littérature du réalisme . La représentation de l'intrigue se concentre sur le monde extérieur et trouve une description objective mais artistique. Par ailleurs, il y a aussi des discussions critiques sur l'idée de maîtriser la nature et ses conséquences sociales, qui se manifestent par exemple dans la révolution industrielle. A l' ère postmoderne , le progrès et la raison sont fortement remis en cause et les écoles de pensée du pluralisme et du relativisme sont prises. L' accident a pris une importance centrale dans de nombreux travaux. Dans le roman Homo Faber de Max Frisch , le destin rattrape le protagoniste Walter Faber, un ingénieur avec une vision du monde techniquement rationnelle dans son cours de vie ordonné . À travers une série d'événements fortuits étroitement liés à son passé, il entre dans une histoire d'amour avec sa propre fille, dont il ignore la naissance. En voyageant ensemble, elle meurt d'une blessure à la tête. Quelque temps plus tard, Faber a reçu un diagnostic de cancer de l' estomac . Avant l'opération, dont l'issue est ouverte, il réfléchit à sa vie ratée.

Une œuvre importante qui, façonnée par la guerre froide , traite de la responsabilité des naturalistes à l'ère atomique est la comédie tragique Die Physiker de l'écrivain suisse Friedrich Dürrenmatt . L'ingénieux physicien Johann Wilhelm Möbius a trouvé dans sa découverte révolutionnaire de la formule du monde que son application donnerait à l'humanité des moyens qui pourraient finalement conduire à son annihilation ultime. À cause de cela, il quitte sa famille et fait semblant d'être fou dans une maison de fous. Le drame prend sa pire tournure quand il s'avère à la fin que le médecin-chef fou a copié les manuscrits de Möbius et veut utiliser la formule pour atteindre la domination mondiale. Dans ses 21 points sur les physiciens, Dürrenmatt donne une fois de plus au hasard une position décisive : « Plus les gens sont planifiés, plus le hasard peut les frapper efficacement. Une œuvre bien connue qui dépeint historiquement le scientifique dans le contexte de la société est la Vie de Galilée de Bertolt Brecht .

L'influence des sciences naturelles dans le genre de la science-fiction est clairement visible. Des mondes futurs avec une technologie hautement développée et des cadres radicalement différents sont les caractéristiques de nombreuses œuvres de littérature de haute et populaire . Le naturaliste en tant que figure littéraire est également très populaire dans la littérature contemporaine . La recherche scientifique elle-même est rendue accessible au public par des journalistes scientifiques , des auteurs de livres et des blogueurs dans un langage simple ( littérature scientifique populaire ).

Film et télévision

Les programmes scientifiques populaires tels que les jalons en science et technologie ou alpha-Centauri jouissent d'une popularité croissante parmi les personnes intéressées. Là, les sujets scientifiques sont véhiculés dans une présentation compréhensible pour les profanes, qui vise à susciter l'intérêt et à encourager la poursuite des discussions. Dans les films et les séries, les sciences naturelles sont un sujet populaire bien au-delà du genre de science-fiction. Dans la série policière américaine Numbers - The Logic of Crime , Charlie Eppes, un génie des mathématiques , résout des crimes à titre consultatif pour le FBI en utilisant des méthodes mathématiques et scientifiques. Dans de nombreuses représentations, le scientifique ingénieux avec ses compétences particulières assume le rôle d'un héros alternatif . Le conflit entre identité personnelle et rôle social est thématisé dans le film Good Will Hunting . Will Hunting est un génie qui a grandi dans une famille d'accueil dans un plan social défavorisé environnement , a quelques casiers judiciaires et se débrouille avec impairs emplois. Après qu'un professeur ait découvert son talent, toutes les voies lui sont ouvertes. Cependant, il ne peut pas gérer son conflit d' identité tant qu'un psychologue ne s'en occupe pas. Une autre représentation est l' histoire de la vie factuelle du célèbre mathématicien John Nash, traitée dans le film A Beautiful Mind . En tant qu'étranger, il tombe dans la schizophrénie et pense être suivi par des agents en raison de son travail de décrypteur de code . Le stéréotype pour le spécialiste des sciences naturelles est souvent le manque de compétences sociales , ce qui entraîne des conséquences tragiques ou est utilisé dans les comédies à des fins de divertissement. La sitcom The Big Bang Theory oppose la vie de deux jeunes physiciens et de leur voisine, qui travaille comme serveuse. La dimension des physiciens est un cliché par leurs blagues étranges, leurs discussions, leur style vestimentaire et d'autres caractéristiques, et sont souvent considérés comme des nerds ou des geeks appelés. Parfois, ils ne parviennent pas à voir les connexions les plus évidentes ou à mal comprendre les idiomes et le sarcasme , ce qui est ridiculisé. Quand ils font quelque chose avec leurs amis et leur voisine Penny, deux mondes différents semblent entrer en collision de manière amusante. Les personnages sont fortement caricaturaux , où tous les préjugés semblent se confirmer.

Littérature

Sciences naturelles en général et ouvrages de référence

Les magazines

Science populaire

liens web

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Preuve individuelle

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  10. ↑ Voir par exemple La théorie des paradigmes ou matrice disciplinaire de BTS Kuhn et la théorie du noyau dur des programmes de recherche de I. Lakatos
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  13. ↑ « Pour les sciences, le naturalisme n'est pas une position arbitraire, mais est en quelque sorte imposé par leurs principes méthodologiques. Les hypothèses et théories scientifiques devraient [...] être vérifiables. Mais seul quelque chose qui peut être vérifié est quelque chose avec lequel on peut au moins indirectement interagir et qui se comporte conformément à la loi. » M. Bunge , M. Mahner , À propos de la nature des choses , Hirzel, 2004, p. 9.
  14. ↑ « Nous prétendons que les scientifiques se comportent comme des réalistes, quelles que soient leurs déclarations philosophiques. C'est-à-dire qu'ils supposent qu'il existe [...] des faits objectifs (indépendants du sujet) et que certains d'entre eux peuvent être reconnus [...] ». M. Bunge , M. Mahner , Fondements philosophiques de la biologie , Springer, 2000, p.68.
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