Unter dem Begriff Naturwissenschaft werden Wissenschaften zusammengefasst, die empirisch arbeiten und sich mit der Erforschung der Natur befassen. Naturwissenschaftler beobachten, messen und analysieren die Zustände und das Verhalten der Natur durch Methoden, die die Reproduzierbarkeit ihrer Ergebnisse sichern sollen, mit dem Ziel, Regelmäßigkeiten zu erkennen. Neben der Erklärung der Naturphänomene ist eine der wichtigsten Aufgaben der Naturwissenschaft, die Natur nutzbar zu machen.Vgl. J. Habermas: Erkenntnis und Interesse. In: Ders. (Hrsg.): Technik und Wissenschaft als „Ideologie“. Suhrkamp, Frankfurt am Main 1969, S. 146–168. Die naturwissenschaftlichen Begriffe und Methoden, die ab dem 17. Jahrhundert zur Erforschung physikalischer und chemischer Vorgänge entwickelt wurden, werden heute auch in zahlreichen anderen Gebieten angewendet.
Im 17. Jahrhundert gelang den Naturwissenschaften der entscheidende Durchbruch in den intellektuellen Gesellschaftsschichten. Dies löste im Zusammenhang mit der Aufklärung eine wissenschaftliche Revolution aus, die im 18. Jahrhundert mit vielen neuen Entdeckungen und Erfindungen zum industriellen Zeitalter führte und die Gesellschaft vor allem in der westlichen Welt stark veränderte. Bis heute wird sie durch den allgemeinen Wissenschaftsbetrieb so stark geprägt, dass in der Soziologie von einer naturwissenschaftlichen und technischen Gesellschaft gesprochen wird.
Moderne Naturwissenschaften arbeiten auf Grundlage eines methodischen Naturalismus: Sie suchen ausschließlich nach natürlichen, empirisch überprüfbaren Erklärungen für beobachtbare Phänomene.Thomas Hanke: Naturalismus. Stichwort im staatslexikon-online.de, Herder, Freiburg, Version vom 8. Juni 2022, online abgerufen am 11. Februar 2024. Ob alle Phänomene prinzipiell naturwissenschaftlich erklärbar sind, wie es der physikalistische Naturalismus annimmt, ist Gegenstand wissenschaftsphilosophischer Debatten. Unter Wissenschaftlern besteht hierzu keine einheitliche Position.
Teilgebiete der Naturwissenschaften sind unter anderem Astronomie, Physik, Chemie, Biologie, sowie Umweltwissenschaften wie Ozeanografie, Geologie, Meteorologie und Klimaforschung, aber auch Agrarwissenschaften, Materialwissenschaften und Warenlehre. Die technische Nutzbarkeit der natürlichen Gesetzmäßigkeiten wird seit jeher in unterschiedlichen Ingenieurwissenschaften behandelt. Naturwissenschaftliche Erkenntnisse bilden auch die Grundlage wichtiger Teile der Medizin.
Einordnung und Abgrenzung Nach einer klassischen Auffassung können die Naturwissenschaften neben den Geisteswissenschaften und den Sozialwissenschaften eingeordnet werden. Aufgrund der Entstehung einer Vielfalt von neuen Wissenschaftszweigen in der Moderne herrscht über eine allgemeine Klassifizierung der Einzelwissenschaften kein Konsens. Die Einordnung erweist sich vor allem aufgrund vieler Überschneidungen verschiedener Wissenschaftsgebiete als schwierig. Die Naturwissenschaften gehören zu den empirischen Wissenschaften. Sie zeichnen sich vor allem durch ihren Forschungsgegenstand, die belebte und unbelebte Materie aus. Einige Naturwissenschaften sind durch einen mathematischen Zugang zu ihrem Forschungsgegenstand geprägt. Diese werden als exakte Wissenschaften bezeichnet. Die Mathematik ist ebenfalls eine exakte Wissenschaft, umfasst aber mit ihrer Untersuchung von abstrakten Strukturen sowohl Bereiche der Geisteswissenschaften als auch der Naturwissenschaften. Aus diesem Grund wird sie oft neben der Informatik den Strukturwissenschaften zugeordnet.
Naturwissenschaftliche Forschung beschäftigt sich vor allem mit Fragestellungen, die durch Untersuchung von gesetzmäßigen Zusammenhängen in der Natur beantwortet werden können. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung des Vorgangs selbst und nicht etwa bei einer Sinnfindung. Vereinfacht kann es mit der Frage nach dem Wie anstatt des Wozu dargestellt werden. Die Fragestellung Warum gibt es Regen? findet nicht etwa mit Damit Pflanzen wachsen können ihre Erklärung, sondern wird objektiv beantwortet: Weil Wasser verdunstet, aufsteigt, sich in Wolken sammelt und schließlich kondensiert, was zum Niederschlag führt. Die Naturwissenschaft beantwortet also in erster Linie keine teleologischen (nach dem Zweck oder Ziel ausgerichteten) Fragen, sondern führt die untersuchten Vorgänge auf Naturgesetze oder auf schon bekannte Sachverhalte zurück. Insoweit dies gelingt, wird der Naturwissenschaft nicht nur ein beschreibender, sondern auch ein erklärender Charakter beigemessen.
Geschichte der Naturwissenschaft
Naturphilosophie der Antike mini|Darstellung des Ptolemäischen Weltbilds von Andreas Cellarius (1660)
Naturwissenschaftliche Erkenntnis nahm einerseits in der handwerklichen und technischen Betätigung und andererseits in der geistigen Überlieferung der gelehrten Tradition des Menschen ihren Anfang.Stephen Mason: Geschichte der Naturwissenschaft in der Entwicklung ihrer Denkweisen. GTN, 3. Aufl. 1997, S. 15. Naturbeobachtungen altertümlicher Kulturen – insbesondere in der Astronomie – brachten oft zwar zutreffende quantitative und qualitative Aussagen hervor, wurden aber vorwiegend – wie etwa in der Astrologie – mythologisch gedeutet. Entscheidende Fortschritte brachte die griechische Naturphilosophie mit der Entwicklung einer Methodik, die sich an der Philosophie und der Mathematik orientierte. Die wahrnehmbare Welt dachte man sich wie etwa in der Vier-Elemente-Lehre als Zusammensetzung der „Elemente“ Feuer, Luft, Wasser und Erde und beschreibt verschiedene Umwandlungsprozesse. Auch die Vorstellung von kleinsten, unteilbaren Teilchen (Atomismus), aus denen die ganze Welt zusammengesetzt sei, wurde entwickelt. Schon lang bekannte periodische Bewegungen der Himmelskörper wurden geometrisch interpretiert und die Vorstellung eines Weltensystems entwickelt, in dem sich die Sonne, der Mond und die damals bekannten Planeten auf Kreisbahnen um die ruhende Erde in der Mitte bewegten (geozentrisches Weltbild).Mason: Geschichte, S. 49. Die Kugelgestalt der Erde wurde vermutet und spätestens von Aristoteles stichhaltig begründet,C. F. v. Weizsäcker: Die Tragweite der Wissenschaft. Hirzel, 6. Aufl. 1990, S. 60. das Zustandekommen von Sonnen- und Mondfinsternissen erklärt, relative Abstände von Erde, Sonne und Mond abgeschätzt und sogar durch eine Winkelmessung und geometrische Überlegungen der Erdumfang recht genau bestimmt.Mason: Geschichte, S. 65 f.
Im Römischen Reich wurden die intellektuellen Errungenschaften der griechischen Kultur zum größten Teil übernommen und weiterentwickelt, mit einer Hochblüte in der Kaiserzeit, gingen aber mit dem Zerfall des Reiches im 5. Jahrhundert n. Chr. zum größten Teil verloren. Im mittelalterlichen Europa konnten sich die Naturwissenschaften unter dem Primat der Theologie und der Philosophie sowohl in der christlichen als auch in der islamischen Welt nur langsam und im Rahmen der weltanschaulichen Prämissen entwickeln.
Kopernikanische Wende und naturwissenschaftliche Revolution mini|Nikolaus Copernicus. Kupferstich aus dem Jahr 1597 von Robert Boissard. Die lateinische Inschrift bedeutet:
Erst in der Renaissance trat wieder ein größeres Interesse an der Naturbeobachtung auf. Durch die Annäherung der Wissenschaft an die handwerkliche Tradition in der empirischen Methode wurden auf sämtlichen Gebieten neue Erkenntnisse gewonnen.Mason: Geschichte, S. 166 f. Die Wechselwirkung von Alchemie und Medizin bereicherte beide Disziplinen in der Entwicklung zu empirischen Wissenschaften. Die Korrektur des alten Julianischen Kalenders und die Navigation in der ozeanweiten Schifffahrt erforderte eine intensive Beschäftigung mit der Astronomie.Mason: Geschichte, S. 153. Nikolaus Kopernikus entwickelte ausgehend von einer Bewegung der Erde um die Sonne ein Weltsystem, das die von der Erde kompliziert erscheinenden Himmelsbahnen der Planeten einfacher erklärte und gegenüber dem ptolemäischen System eine leichtere, allerdings nicht genauere Berechnung der Positionen ermöglichte.Mason: Geschichte, S. 154–158. Francis Bacon und Galileo Galilei forderten, Naturforschung müsse vom Experiment ausgehen, wobei Galilei mit besonderem Erfolg die mathematische Auswertung numerischer Messergebnisse vorantrieb. Das kopernikanische Weltsystem begann sich jedoch gegenüber dem geozentrischen Weltbild erst durchzusetzen, nachdem Johannes Kepler aus genauen Messungen von Tycho Brahe elliptische Umlaufbahnen der Erde und der anderen Planeten feststellte, Galileo Galilei die Jupitermonde und die Phasen des Planeten Venus beobachtet hatte und Isaac Newton dies alles im Rahmen der von ihm entwickelten Mechanik durch sein Gravitationsgesetz theoretisch bestätigen konnte. Für diese revolutionären Entdeckungen des 16. und 17. Jahrhunderts wurde der Begriff der kopernikanischen Wende geprägt. Diese naturwissenschaftliche Revolution setzen Wissenschaftshistoriker auch als Wegbereiterin der modernen Naturwissenschaft an.
Moderne Naturwissenschaft Über eine präzise Definition und den zeitlichen Beginn der modernen Naturwissenschaft sind sich Fachleute nicht einig. Oft wird in Überschneidung mit der naturwissenschaftlichen Revolution als zeitlicher Rahmen etwa das 17. Jahrhundert für den Beginn der modernen Naturwissenschaft angegeben. Als wichtige Merkmale werden professionalisierter Wissenschaftsbetrieb, die Entwicklung und Anwendung naturwissenschaftlicher Methodik und später die Herausbildung von Fachbereichen durch Spezialisierung angesehen.
Mit der Gründung von naturwissenschaftlichen Gesellschaften, Akademien und neuen Universitäten begann die Etablierung einer eigenständigen wissenschaftlichen Tradition in Europa. In Frankreich widmeten sich Gelehrte – beeinflusst durch Descartes’ rationalistische Philosophie – der theoretischen Beschreibung von Naturphänomenen unter Betonung der deduktiven Methode. In England dagegen galt das Interesse aufgrund Bacons Einfluss der empirischen Methode, weshalb man sich durch das Experiment vermehrt technischen Herausforderungen stellte.Mason: Geschichte, S. 335 f. Dies wird auch als einer der Gründe angesehen, warum die Industrielle Revolution in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts ihren Anfang in England nahm. Zahlreiche bahnbrechende Entdeckungen und Erfindungen leiteten einen unverkennbaren gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Wandel ein, der sich in den folgenden Jahrzehnten auf das europäische Festland und Amerika ausbreitete.
Mit der starken Zunahme an Wissen seit dem 18. Jahrhundert konnte schrittweise ein Grundverständnis über den Aufbau der empirisch zugänglichen Welt erarbeitet werden, was eine Einteilung der Naturwissenschaften in Fachbereiche wie Biologie, Chemie, Geologie und Physik möglich machte. Obwohl sich Unterschiede in der Methodik der Fachrichtungen entwickelten, beeinflussten und ergänzten sie sich gegenseitig. Die in der Biologie untersuchten Stoffwechselprozesse konnten beispielsweise durch die organische Chemie erklärt und näher erforscht werden. Des Weiteren lieferten moderne Atomtheorien der Physik Erklärungen zum Aufbau der Atome und trugen so in der Chemie zu einem besseren Verständnis der Eigenschaften von Elementen und chemischen Bindungen bei. Darüber hinaus entwickelten sich Fachbereiche wie Medizin, Agrar- oder Ingenieurwissenschaften, die Anwendungsmöglichkeiten für das theoretische Wissen erarbeiteten.