自然科学

天文学は、天体や天体現象を研究する自然科学です。研究対象となる天体には、惑星、衛星、恒星、星雲、銀河、彗星などがあります。天文学は、肉眼で観測できるものも含め、地球の大気圏外にある宇宙のあらゆるものを研究する学問です。天文学は、最も古い科学の一つです。

古代文明の天文学者たちは夜空を体系的に観測しており、それよりはるか昔の時代から天文学的な遺物が発見されている。天文学には観測天文学と理論天文学の2種類がある。観測天文学は、主に物理学の基本原理を用いてデータの取得と分析に重点を置いている。一方、理論天文学は、天体や天体現象を記述するためのコンピュータモデルや解析モデルの開発に重点を置いている。

この学問分野は、地球の大気圏外で発生する天体や天体現象に関する科学である。天体の進化、物理、化学、気象、地質、運動、そして宇宙の形成と発展を研究対象とする。

天文学は、恒星、惑星、彗星の調査、研究、モデル化を含む学問分野です。天文学者が利用する情報のほとんどは、遠隔観測によって収集されます。しかし、天体現象の実験室での再現も行われています（例えば、星間物質の分子化学など）。天文学は物理学や地球科学の一部の分野と大きく重複しています。また、天体物理学、惑星科学、宇宙論といった学際的な分野や、宇宙物理学、宇宙化学といった関連分野も存在します。

天体の特徴や現象の研究は古代にまで遡ることができるが、この分野の科学的手法が発展し始めたのは17世紀半ばである。その重要な要因の一つは、ガリレオが望遠鏡を導入し、夜空をより詳細に観測できるようになったことだった。

天文学の数学的研究は、ニュートンによる天体力学と万有引力の法則の確立から始まった。しかし、その発展を促したのは、ケプラーなどの天文学者による初期の研究であった。19世紀までには、分光器や写真といった観測機器の導入、望遠鏡の大幅な改良、そして専門的な天文台の設立などにより、天文学は正式な科学へと発展した。

化学は、原子および分子レベルでの物質の科学的研究であり、主に気体、分子、結晶、金属などの原子の集合体を扱います。これらの物質の組成、統計的性質、変化、反応などが研究されます。また、化学は、より大規模な応用のために、個々の原子や分子の性質と相互作用を理解することも目的としています。

ほとんどの化学反応は、一連の（多くの場合、十分に検証された）物質操作技術と、その根底にあるプロセスへの理解を用いて、実験室で直接研究することができる。化学は、他の自然科学を結びつける役割を担っていることから、 「中心科学」と呼ばれることが多い。

初期の化学実験は、神秘主義と物理実験を組み合わせた信念体系である錬金術にその起源を持つ。化学という科学は、気体の発見者であるロバート・ボイルと、質量保存の法則を提唱したアントワーヌ・ラヴォアジエの研究によって発展し始めた。

化学元素と原子論の発見は、この科学を体系化するきっかけとなり、研究者たちは物質の状態、イオン、化学結合、化学反応に関する基礎的な理解を深めていった。この科学の成功は、補完的な化学産業の発展につながり、現在では世界経済において重要な役割を担っている。

この分野は、生物に関連する現象を研究する多様な学問分野を包含しています。研究の規模は、生物物理学のサブコンポーネントから複雑な生態系まで多岐にわたります。生物学は、生物の特性、分類、行動、そして種の形成過程や、種同士および環境との相互作用に関心を寄せています。

植物学、動物学、医学といった生物学分野は、文明の黎明期にまで遡る一方、微生物学は17世紀に顕微鏡の発明とともに導入された。しかし、生物学が統一された科学として確立されたのは19世紀になってからのことである。科学者たちがすべての生物に共通点があることを発見すると、それらを全体として研究するのが最善であると判断されたのだ。

生物学における重要な発展としては、遺伝学の発見、自然選択による進化、病原菌説、そして細胞や有機分子レベルでの化学や物理学の技術の応用などが挙げられる。

現代生物学は、研究対象となる生物の種類と規模によって細分化されています。分子生物学は生命の基本的な化学反応を研究する学問であり、細胞生物学は生命の基本構成要素である細胞を研究する学問です。さらに高度なレベルでは、解剖学と生理学は生物の内部構造とその機能を研究し、生態学は様々な生物がどのように相互に関連し合っているかを研究します。

地球科学（地球科学とも呼ばれる）は、地質学、地理学、地球物理学、地球化学、気候学、氷河学、水文学、気象学、海洋学など、地球に関連する科学全般を包括する用語である。

鉱物採掘と宝石は文明の歴史を通じて人類の関心事であったが、経済地質学や鉱物学といった関連科学が発展したのは18世紀になってからのことである。地球の研究、特に古生物学は19世紀に隆盛を迎えた。20世紀には地球物理学などの他の学問分野が発展し、1960年代にはプレートテクトニクス理論が確立された。この理論は、進化論が生物学に与えた影響と同様に、地球科学に大きな影響を与えた。今日の地球科学は、石油・鉱物資源、気候研究、環境評価・修復と密接に結びついている。

物理学は、宇宙の基本的な構成要素、それらが互いに及ぼす力と相互作用、そしてこれらの相互作用によって生じる結果を研究する学問です。物理学は、他のすべての自然科学がその原理と法則を利用し、それに従うため、一般的に基礎的な学問とみなされています。物理学は、原理を定式化し定量化するための論理的枠組みとして、数学、特に微積分に大きく依存しています。

宇宙の原理の研究は長い歴史を持ち、その成果は主に直接的な観察と実験から得られています。宇宙を支配する法則に関する理論の構築は、物理学の研究において非常に初期の段階から中心的な役割を果たしており、検証の源泉として、哲学は徐々に体系的で定量的な実験的検証と観察へと取って代わられてきました。物理学における重要な歴史的発展としては、アイザック・ニュートンの万有引力の法則と古典力学、電気とその磁気との関係の理解、アインシュタインの特殊相対性理論と一般相対性理論、熱力学の発展、そして原子および素粒子物理学の量子力学的モデルなどが挙げられます。

物理学の分野は広大で、量子力学や理論物理学、応用物理学、光学など、多岐にわたる研究が含まれる。現代物理学はますます専門化が進んでおり、研究者はアイザック・ニュートン、アルバート・アインシュタイン、レフ・ランダウのように複数の分野で研究を行った「普遍主義者」ではなく、特定の分野に特化する傾向にある。

材料科学は、物質とその性質の研究、そして新素材の発見と設計を扱う、比較的新しい学際的な分野です。もともとは冶金学の分野から発展した材料や固体の性質の研究は、現在ではあらゆる材料に広がっています。この分野は、金属、セラミックス、人工ポリマーなど、多くの材料の化学、物理、工学的応用を網羅しています。この分野の中核は、材料の構造とその性質を関連付けることにあります。

材料科学は、科学技術研究の最前線に位置しています。これは、法医学工学（故障したり、意図したとおりに動作しなかったりして、人身傷害や物的損害を引き起こす材料、製品、構造物、または部品の調査）や故障解析において不可欠な要素であり、後者は、例えば様々な航空事故の原因を理解する鍵となります。今日直面している最も差し迫った科学的問題の多くは、利用可能な材料の限界に起因しており、したがって、この分野における画期的な進歩は、技術の未来に大きな影響を与えると考えられます。

材料科学の基礎は、材料の構造を研究し、その構造と物性との関連性を明らかにすることにあります。この構造と物性の相関関係を理解することで、材料科学者は特定の用途における材料の相対的な性能を研究することができます。材料の構造、ひいてはその物性を決定する主な要因は、構成する化学元素と、それが最終形態に加工された方法です。これらの特性は、熱力学と速度論の法則によって相互に関連付けられ、材料の微細構造、ひいてはその物性を決定づけます。

後のソクラテスやプラトンの思想は倫理、道徳、芸術に焦点を当て、物理世界の調査を試みなかった。プラトンはソクラテス以前の思想家を唯物論者で反宗教主義者だと批判した。^{[ 22 ]}しかし、紀元前384年から322年に生きたプラトンの弟子であるアリストテレスは、哲学において自然界により注意を払った。^{[ 23 ]}彼は『動物誌』で、エイ、ナマズ、ミツバチなど110種の動物の内部構造を記述した。^{[ 24 ]}彼は卵を割ってさまざまな発達段階を観察することで、ニワトリの胚を調査した。^{[ 25 ]}アリストテレスの著作は16世紀まで影響力があり、生物学の先駆的な業績により、生物学の父とみなされている。^{[ 26 ]}彼はまた、著書『物理学と気象学』の中で、帰納的推論を用いて物理学、自然、天文学に関する哲学を提示した。^{[ 27 ]}

アリストテレスは先人たちよりも自然哲学を真剣に考察したが、それを科学の理論的な分野として捉えた。^{[ 28 ]}それでも、彼の著作に触発されたルクレティウス、セネカ、大プリニウスなど、紀元1世紀初頭の古代ローマの哲学者たちは、自然界の法則を様々な深さで扱った論文を書いた。^{[ 29 ]} 3世紀から6世紀にかけての多くの古代ローマの新プラトン主義者たちも、アリストテレスの物理世界に関する教えを、精神主義を強調する哲学に取り入れた。^{[ 30 ]}マクロビウス、カルキディウス、マルティアヌス・カペラなど、中世初期の哲学者たちも、主に宇宙論的、宇宙誌的な観点から物理世界を考察し、天体の配置や天体とエーテルで構成されていると仮定した天に関する理論を提唱した。^{[ 31 ]}

アリストテレスの自然哲学に関する著作は、ビザンツ帝国とアッバース朝カリフ国の台頭の中で翻訳され、研究され続けた。^{[ 32 ]}

ビザンツ帝国では、アレクサンドリアのアリストテレス注釈者でありキリスト教神学者であったヨハネス・フィロポノスが、アリストテレスの物理学の教えに疑問を呈した最初の人物であった。言葉による議論に基づいて物理学を構築したアリストテレスとは異なり、フィロポノスは観察に頼り、言葉による議論に頼るのではなく観察を主張した。^{[ 33 ]}彼は衝動の理論を導入した。ヨハネス・フィロポノスによるアリストテレスの物理学原理への批判は、科学革命期のガリレオ・ガリレイにインスピレーションを与えた。^{[ 34 ] [ 35 ]}

9世紀以降のアッバース朝カリフ時代には、イスラム教の学者たちがギリシャやインドの自然哲学を発展させ、数学と科学が復興した。^{[ 36 ]}アルコール、代数、天頂といった言葉はすべてアラビア語に由来する。^{[ 37 ]}

アリストテレスの著作やその他のギリシャの自然哲学は、12世紀半ば頃、ギリシャ語やアラビア語からラテン語に翻訳されるまで西洋には伝わらなかった。^{[ 38 ]}中世後期のヨーロッパ文明の発展は、自然哲学のさらなる進歩をもたらした。^{[ 39 ]}蹄鉄、馬具、輪作などのヨーロッパの発明により人口が急速に増加し、やがて都市化が進み、現代のフランスやイギリスの修道院や大聖堂に付属する学校が設立された。^{[ 40 ]}これらの学校の助けもあり、論理を用いて自然やその他の主題に関する疑問に答えようとするキリスト教神学のアプローチが発展した。 ^{[ 41 ]}しかし、このアプローチは一部の批判者からは異端と見なされた。^{[ 41 ]}

12 世紀までに、西ヨーロッパの学者や哲学者は、それまで知らなかった知識体系、すなわちイスラムの学者によって保存されていたギリシャ語とアラビア語の膨大な著作群に触れることになった。^{[ 42 ]}ラテン語への翻訳を通して、西ヨーロッパはアリストテレスとその自然哲学を知るようになった。^{[ 42 ]}これらの著作は、13 世紀初頭までにパリとオックスフォードの新しい大学で教えられていたが、カトリック教会はこの慣習を快く思っていなかった。^{[ 43 ]} 1210 年のパリ教会会議の布告では、「パリでは、アリストテレスの自然哲学の著作や注釈書を用いて、公私を問わずいかなる講義も行ってはならない。これに違反した場合は破門の罰をもってこれを禁じる」と命じられた。^{[ 43 ]}

中世後期、スペインの哲学者ドミニクス・グンディサリヌスは、それ以前のペルシャの学者アル・ファラビの論文「科学について」をラテン語に翻訳し、自然の力学の研究をScientia naturalis、すなわち自然科学と呼んだ。^{[ 44 ]}グンディサリヌスはまた、1150年の著作「哲学の区分について」の中で、自然科学の分類を提案した。^{[ 44 ]}これは、ギリシャ哲学とアラビア哲学に基づいて西ヨーロッパに伝わった最初の詳細な科学の分類であった。^{[ 44 ]}グンディサリヌスは、自然科学を「抽象化されていない、運動を伴うものだけを考察する科学」と定義し、数学や数学に依存する科学とは対照的とした。^{[ 45 ]}アル・ファラビに倣い、彼は科学を物理学、宇宙論、気象学、鉱物学、植物学、動物学の8つの分野に分けた。^{[ 45 ]}

その後、哲学者たちは自然科学を独自に分類しました。13世紀にロバート・キルワードビーは『科学の秩序について』を著し、医学を農業、狩猟、演劇とともに機械科学に分類し、自然科学を運動する物体を扱う科学と定義しました。 ^{[ 46 ]}イギリスの修道士で哲学者のロジャー・ベーコンは、自然科学は「火、空気、土、水といった元素の構成要素や、それらから作られたすべての無生物に見られるような、運動と静止の原理」を扱うと書いています。^{[ 47 ]}これらの科学は、植物、動物、天体も対象としていました。^{[ 47 ]}

13世紀後半、カトリックの司祭で神学者のトマス・アクィナスは、自然科学を「動く存在」と「存在だけでなく定義においても物質に依存するもの」を扱うものと定義した。^{[ 48 ]}中世の学者の間では、自然科学は運動する物体に関するものであるという点で広く合意があった。しかし、医学、音楽、遠近法などの分野を含めるかどうかについては意見が分かれた。^{[ 49 ]}哲学者たちは、真空の存在、運動が熱を生み出すかどうか、虹の色、地球の運動、元素化学物質の存在、大気のどこで雨が形成されるかといった問題について考察した。^{[ 50 ]}

中世末期までの数世紀にわたり、自然科学はしばしば魔術やオカルトに関する哲学と混ざり合っていた。^{[ 51 ]}自然哲学は、論文から百科事典、アリストテレスへの注釈まで、さまざまな形で現れた。^{[ 52 ]}この時期、自然哲学とキリスト教の相互作用は複雑であった。タティアヌスやエウセビオスを含む初期の神学者の中には、自然哲学を異教のギリシャ科学の突出物とみなし、それを疑っていた者もいた。^{[ 53 ]}トマス・アクィナスを含む後期のキリスト教哲学者の中には、自然科学を聖書を解釈する手段とみなす者もいたが、この疑念は12世紀と13世紀まで続いた。^{[ 54 ]}哲学を神学と同等のレベルに置くことや、宗教的構築物を科学的文脈で議論することを禁じた1277年の非難は、カトリックの指導者たちが神学的観点からさえ自然哲学の発展にどれほど執拗に抵抗したかを示している。^{[ 55 ]}トマス・アクィナスと、同時代のもう一人のカトリック神学者であるアルベルトゥス・マグヌスは、著作の中で神学と科学を切り離そうとした。^{[ 56 ]}彼は1271年に「アリストテレスの解釈が信仰の教えと何の関係があるのか​​私には分からない」と書いた。^{[ 57 ]}

16 世紀と 17 世紀までに、より多くの初期ギリシャ哲学が発見され翻訳されるにつれて、自然哲学はアリストテレスの注釈を超えて発展しました。^{[ 58 ]} 15 世紀の印刷機の発明、顕微鏡と望遠鏡の発明、そしてプロテスタントの宗教改革は、西洋における科学的探究の発展の社会的文脈を根本的に変えました。^{[ 58 ]}クリストファー・コロンブスの新世界の発見は、世界の物理的構成についての認識を変え、コペルニクス、ティコ・ブラーエ、ガリレオによる観測は、太陽系が地動説であるというより正確な像をもたらし、天体に関するアリストテレスの多くの理論が誤りであることを証明しました。^{[ 59 ]}ルネ・デカルト、ピエール・ガッサンディ、マラン・メルセンヌ、ニコラ・マールブランシュ、トーマス・ホッブズ、ジョン・ロック、フランシス・ベーコンなど、 17世紀の哲学者たちは、アリストテレスとその中世の追随者たちを真っ向から否定し、彼らの自然哲学へのアプローチを表面的なものと呼び、過去との決別を図った。^{[ 60 ]}

ガリレオの著作『二つの新科学』とヨハネス・ケプラーの『新天文学』のタイトルは、17世紀にアリストテレスが否定され、自然界への新しい探求方法が支持されるようになった変化の雰囲気を強調している。^{[ 62 ]}ベーコンはこの変化を普及させる上で重要な役割を果たした。彼は、人々は自然を支配するために芸術と科学を用いるべきだと主張した。 ^{[ 63 ]}これを実現するために、彼は「人間の生活は発見と力に満たされなければならない」と書いた。^{[ 64 ]}彼は自然哲学を「事物の原因と秘密の動きについての知識、そしてあらゆる可能なことを実現するために人間の支配の境界を拡大すること」と定義した。^{[ 62 ]}ベーコンは、科学的探求は国家によって支援され、科学者の共同研究によって促進されるべきだと提案した。これは当時としては、その範囲、野心、形式において前例のないビジョンであった。^{[ 64 ]}

自然哲学者たちは、自然を複雑な時計のように分解して理解できるメカニズムとして捉えるようになった。^{[ 65 ]}アイザック・ニュートン、エヴァンジェリスタ・トリチェリ、フランチェスコ・レディ、エドメ・マリオット、ジャン＝バティスト・ドニ、ジャック・ロオーなどの自然哲学者たちは、水の流れに焦点を当てた実験を行い、気圧計を使って大気圧を測定し、自然発生説を否定した。^{[ 66 ]}科学協会や科学雑誌が出現し、印刷機によって広く普及し、科学革命の火付け役となった。^{[ 67 ]}ニュートンは1687年に『自然哲学の数学的原理』、または『プリンキピア・マテマティカ』を出版し、19世紀まで通用する物理法則の基礎を築いた。^{[ 68 ]}

アンドリュー・カニンガム、ペリー・ウィリアムズ、フローリス・コーエンなどの現代の学者の中には、自然哲学は科学とは適切に呼ばれておらず、真の科学的探究は科学革命によって初めて始まったと主張する者もいる。^{[ 69 ]}コーエンによれば、「科学が『自然哲学』と呼ばれる包括的な存在から解放されたことは、科学革命の決定的な特徴の一つである」^{[ 69 ]}エドワード・グラントなどの他の科学史家は、17世紀、18世紀、19世紀に花開いた科学革命は、光学、力学、天文学といった精密科学で学んだ原理が自然哲学によって提起された問題に適用され始めたときに起こったと主張している。^{[ 69 ]}グラントは、ニュートンが自然の数学的基礎、つまり自然が従う不変の法則を明らかにしようと試み、そうすることで初めて自然哲学と数学を結びつけ、近代物理学の初期の著作を生み出したと主張している。^{[ 70 ]}

17世紀に始まった科学革命は、アリストテレス的な探究方法からの大きな転換を意味した。^{[ 71 ]}その主な進歩の一つは、自然を調査するために科学的方法を用いることであった。データが収集され、実験で再現可能な測定が行われた。^{[ 72 ]}科学者たちは、これらの実験結果を説明するために仮説を立てた。 ^{[ 73 ]}その後、仮説は反証可能性の原理を用いて検証され、その正確性が証明または反証された。^{[ 73 ]}自然科学は引き続き自然哲学と呼ばれたが、科学的方法の採用により、科学は哲学的推測の領域を超え、自然を調査するためのより構造化された方法が導入された。^{[ 71 ]}

イギリスの数学者で物理学者のニュートンは、科学革命の先駆者でした。^{[ 74 ]}コペルニクス、ブラーエ、ケプラーによる天文学の進歩を基に、ニュートンは万有引力の法則と運動の法則を導き出しました。^{[ 75 ]}これらの法則は地球上と宇宙空間の両方に適用され、それまで別々の物理法則に従って独立して機能すると考えられていた物理世界の2つの領域を統合しました。^{[ 76 ]}例えば、ニュートンは潮汐が月の引力によって引き起こされることを示しました。^{[ 77 ]}ニュートンのもう一つの進歩は、数学を自然現象の強力な説明ツールにしたことです。^{[ 78 ]}自然哲学者は長い間、測定と分析の手段として数学を使用していましたが、その原理が自然における因果関係を理解する手段として使用されるようになったのはニュートン以降です。^{[ 78 ]}

18 世紀と 19 世紀には、シャルル＝オーギュスタン・ド・クーロン、アレッサンドロ・ボルタ、マイケル・ファラデーなどの科学者が、電磁気学、つまり電気的に帯電した粒子の正負の電荷と力の相互作用を探求することで、ニュートン力学を発展させました。 ^{[ 79 ]}ファラデーは、自然界の力は空間を満たす「場」の中で作用すると提唱しました。 ^{[ 80 ]}場の概念は、単に「遠隔作用」、つまり物体間の空間に介入するものがない状態で物体を引き付けるというニュートン力学の構成とは対照的でした。^{[ 80 ]} 19 世紀には、ジェームズ・クラーク・マクスウェルがこれらの発見を統一し、電気力学の首尾一貫した理論を構築しました。^{[ 79 ]}マクスウェルは、数学の方程式と実験を用いて、空間は互いに作用し合うことができ、帯電波を伝達する媒体となる帯電粒子で満たされていることを発見しました。^{[ 79 ]}

科学革命期には化学においても大きな進歩があった。フランスの化学者アントワーヌ・ラヴォアジエは、物が「フロギストン」を空気中に放出することで燃えるというフロギストン説を否定した。 ^{[ 80 ]}ジョセフ・プリーストリーは18世紀に酸素を発見したが、ラヴォアジエは燃焼が酸化の結果であることを発見した。^{[ 80 ]}彼はまた、33の元素の表を作成し、現代の化学命名法を考案した。^{[ 80 ]}正式な生物学は18世紀にはまだ黎明期にあり、自然界の分類と区分に重点が置かれていた。自然史のこの発展を牽引したのはカール・リンネであり、彼の1735年の自然界の分類法は現在でも使用されている。リンネは1750年代に、すべての種に学名を導入した。 ^{[ 81 ]}

19世紀までに、科学の研究は専門家や機関の管轄下に入りました。そうして、科学は徐々に自然科学というより現代的な名称を獲得しました。科学者という用語は、ウィリアム・ホイウェルが1834年にメアリー・サマーヴィルの『科学の関連性について』の書評の中で造語しました。^{[ 82 ]}しかし、この言葉が一般的に使われるようになったのは、ほぼ同世紀の終わり頃でした。^{[ 83 ] [ 84 ]}

アメリカの化学者ギルバート・N・ルイスとアメリカの物理化学者マール・ランドールによる1923年の有名な教科書『熱力学と化学物質の自由エネルギー』 ^{[ 85 ]}によると、自然科学は3つの大きな分野から成り立っています。

論理学と数学の他に、少数の基本公理から導き出される多様で広範囲にわたる推論によって際立つ自然科学の3つの大きな分野がある。それは力学、電気力学、熱力学である。^{[ 86 ]}

今日では、自然科学は一般的に、植物学や動物学などの生命科学と、物理学、化学、天文学、地球科学などの物理科学に分けられることが多い。