自然科学发展概要(1)（广州大学）

广州大学参考教材http://vhost.gzhu.edu.cn/nature/ckjcindex.htm
第一章 自然科学的性质、结构、功能及其发展趋势

自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。它是人类了解自然和认识自然，在生产斗争和科学实验中的实践经验的概括和总结。自然科学的产生和发展以不同的方式通过各种途径影响物质生产的能力、经济体制的状况、精神文明的建设，社会制度的变革等。今天的自然科学几乎渗透到社会生活的一切领域，新的科学技术革命正震撼着世界。由于这个缘故，关注自然科学的变化发展、应用自然科学的最新成果、钻研自然科学的专业知识已经成为人们的迫切需要。但是自然科学是一个庞大的知识群，大约拥有2000多门具体的学科。在学习了解自然科学的各门专业知识之前，对自然科学的研究对象和基本特征、自然科学的分类原则、体系结构、社会功能、发展趋势和特点等作一些简要介绍，相信对大家的学习是有帮助的。

第一节 自然科学的研究对象和基本特征
1.1 自然科学的研究对象
“科学”这个概念不仅包括获得新知识的活动，而且包括这个活动的结果。换句话，既可以把科学当作认识世界的一种方式，也可以把科学当作反映客观世界的本质和规律的一种知识体系。人们往往把科学比拟为一座宏伟的、内容丰富的、结构严密的知识大厦。而自然科学、社会科学、思维科学、哲学科学等学科乃是构成人类知识大厦的基本组成部分。
自然科学能够成为知识大厦中一个基本组成部分，根据就在于有自己特定的研究对象。例如，从基本粒子、原子、分子到天体，从微生物、植物、动物到人类，凡是客观存在的事物，一概属于自然科学研究的对象。恩格斯（F·Engels）指出，由于物体和运动是不可分的，自然界中实际存在的一切客体的性质和种类只有在运动中才能认识。“因此，自然科学只有在物体的相互关系中，在物体的运动中观察物体，才能认识物体，所以，对这些不同运动形式的探讨，就是自然科学的主要对象”。显然，自然科学是从物质运动这个着眼点去观察客观世界的，其研究对象就是自然界中的各类物体、物质的各个层次及其运动形式。
今天，虽然自然科学的物理、化学、生物学、天文学、地学和其繁多的技术科学与工程技术已经涉及整个客观世界，但是自然科学所关注的仍然只是自然界中各种具体现象、各种具体事物、各个特定层次及领域的本质和运动规律，自然科学不可能从整体角度去研究自然界。众所周知，把客观自然界当作一个整体，探讨它的一般本质和普遍发展规律的任务，主要属于哲学、自然辩证法。其实，自然科学作为一个科学门类，是由一系列的具体学科，如数学、物理学、化学、生物学、天文学、地学、材料科学、能源科学、空间科学、农业科学、医学科学等组成的。自然科学不过是这类具体学科的一个总名称而已。由此可见，所谓自然科学的研究对象，实际上是各门具体的自然科学研究对象的总和。自然科学中各门具体学科的研究对象，就是自然界中某种特定的物质(或物质层次)及其运动形式。
从人类认识能力的至上性和科学实践的本性及其发展趋势来看，自然界的一切物质及其运动形式都是可知的，它们迟早都会成为自然科学的研究对象。所以实际中可以把自然科学的研究对象分为两类，即现实的研究对象和可能的或潜在的研究对象。所谓现实的研究对象，指的是人们依靠自身的肢体、感觉器官、思维器官，以及现有的科学仪器和装备能够感知到的那些自然物、自然现象。换言之，现实的研究对象就是已经与人建立起一定的信息联系，进入当时自然科学工作者认识视野之内的各种自然事物。除了这些已经能够被人感知的自然物，自然界中客观存在的其他的一切物质及其运动形式外，统统可以称之为自然科学的可能的或潜在的研究对象。毫无疑问，随着科学实践活动向纵深发展，随着人们智力的发展，以及所掌握的科学工具和科学知识的增长，将会有越来越多的可能的或潜在的研究对象转化为现实的研究对象。由此可见，自然科学工作者认识的“自然界”不是一成不变的、封闭的，而是不断开拓的、日益扩大的。任何时代的自然科学工作者只能在自己时代的条件下进行认识自然界的活动；例如，原子、基本粒子、河外星系等，早在人类诞生之前就已经存在；而在19世纪以前，它们并不是自然科学的现实的研究对象，因为当时的社会无力提供感知这些自然物的必要的科学仪器，人们还不具备认识这些自然物的本质和运动规律的基础知识。20世纪以后，自然科学本身的发展不仅提出了需要观察和认识基本粒子和河外星系等自然物的要求，而且提出了观察和认识它们的物质手段（高能加速器、电子显微镜、云室、射电望远镜、电子计算机）。还有，相对论、量子力学等新学科的创立给人们提供了认识这些自然物的基础知识和研究方法。正因为如此，20世纪以后有愈来愈多的微观客体、宇观客体进入了自然科学家的研究范围，成为自然科学的现实研究对象。
总之，自然科学研究自然界中多种多样的现象，以各式各样的物质及其运动形式为研究对象。人们开展自然科学研究的宗旨，就在于探讨各类物质及其运动形式的本质和物质间相互作用的规律，从而达到认识自然和了解自然，为人类的发展服务。
1.2 自然科学的基本特征
自然科学作为反映自然物及其运动形式的本质和规律的一种知识体系，同人类其他类型的知识相比，具有一些自己特征和属性。
1.2.1 科学知识的客观真理性
自然科学的研究对象是自然界的各种物质客体的结构和运动形式。科学的任务就是揭示物质运动的客观规律，达到真理性的认识。科学必须从事实出发，按世界的本来面貌反映世界，不允许毫无根据的臆造和假设。科学要用现象的自然原因来解释现象，而完全撇开超自然的任何影响。这一特征表明，科学不同于宗教信仰。宗教是一种精神寄托，它相信并崇拜超自然的神灵的力量，它只能用虚幻的、扭曲的形式反映现实。而科学则能为人们提供真理性的知识。
1.2.2 科学认识形式的抽象性
科学虽然以自然界为研究对象，但它并不停留在对自然现象的直观描述阶段。它要透过纷繁复杂的表面现象揭示其内在的本质，进而发现规律。为此，就要经过“去粗取精、去伪存真、由此及彼、由表及里”的抽象过程，并以概念、范畴、原理等形式确定下来。只有借助于思维的抽象力，才能把握事物的本质及其运动规律。科学的这一特征表明，它不同于艺术。艺术是一种借助于直观可以把握、表演、造型等手段塑造典型的形象来反映社会生活的意识形式。
1.2.3 科学内容的无阶级性
自然科学是生产斗争和科学实验的产物，它的内容与社会经济基础的要求没有什么关系。它虽然是社会意识的一种，但它是社会意识中非意识形态部分，不属于上层建筑，而属于生产力的范畴，所以科学本身没有阶级性。这一特征表明，它同政治、法律、思想、道德、社会科学、哲学等社会意识形态不同。这些是对社会经济基础和政治制度的自觉反映，属于上层建筑，在阶级社会中，是为一定阶级服务的。
1.2.4 科学劳动的探索性
既然科学是对自然界运动规律的反映，而自然界又处于永不休止的变化之中，所以，科学活动总是处于积极探索的过程之中。科学大厦的建设，是一项永远不会完结的工程，人类总得有所发现、有所发明、有所创造、有所前进，而不会穷尽“终极真理”。
1.2.5 科学理论的解释性
科学来源于实践，再回到实践中去接受检验，科学要对人们在生产实践和科学实验中所提出的各种问题作出解释。科学理论的目标就是提供系统的、严密的、有根据的解释。
1.2.6 科学理论的预见性
科学的预见性是指对自然界的现象和本质之间的联系作出的深刻认识，科学理论能够对自然界事物的发展趋势或者尚未发现的事物作出推断和判断。因为，自然界的一切事物都是遵循一定的规律发展变化的。因此，人们一旦掌握了客观规律，就能够预见它的发展进程和结局。科学预见是人们能动性的体现，是人类利用自然的实践活动获得成功的前提。

第二节 自然科学的体系结构

2.1 自然科学体系的形成
自然科学体系是由一系列具体的自然科学学科构成的知识体系。这些不同门类的具体的自然科学学科，一方面具备各自特有的研究对象、性质和理论体系，另一方面以复杂的方式相互渗透，交叉作用。它们既是相对独立的，又是息息相关的。所以德国著名的科学家普朗克认为：“从本质上来说，科学在其内部乃是一个严密的统一体。”的确，现代自然科学作为一个拥有2000多种不同学科的知识体系，并非是五花八门的、具体的自然科学学科的任意堆积，而是一个门类齐全、层次分明、结构严密的有机整体。
那么，井然有序的自然科学体系是怎样形成的呢？追根溯源，虽然自然科学体系一旦形成就具有相对独立性，并集中地体现了科学的内在逻辑结构。但是自然科学体系的产生和发展与自然界的存在，以及人们变革自然界的实践活动是密切相关的。自然科学体系的形成是以自然界的客观存在为基础的，或者说自然界为自然科学体系提供了现实的原型。自然界是普遍联系的，它不是既成事物的集合体，而是过程的集合体，其中的一切事物无不处于运动、变化、发展的过程中，过程之间又是相互作用着的。自然科学作为人们的一种认识，作为人们认识自然、利用自然的实践经验的总结，正是客观自然界的主观反映，它与客观自然界之间是对立的统一。它们一方面是反映与被反映的关系，另一方面又是利用与被利用的关系。自然科学中的一切概念、定律、公式以及由此构成的理论体系，归根到底都是自然界中各种物质及其运动形式的本质和发展规律的表征。而自然科学体系中不同门类的学科、学科群之间的关系，归根到底是自然界中物质的各种运动形式之间或不同物质层次之间的相互过渡和相互转化关系的表现。简言之，自然科学体系的有机联系性是客观自然界的物质统一性的表现。如果没有作为被反映、被利用的对象——客观自然界的存在，自然科学知识和由它构成的自然科学体系也就无从产生。反之，自然科学体系的不断进化、日臻完善，必将会越来越深刻和全面地反映出自然界的普遍联系。
另外，自然科学体系的形成和发展不能脱离人们认识自然、利用自然的科学实践活动。因为，客观存在的自然界不会自发地产生自然科学体系；自然界的存在只不过为自然科学体系的形成提供了根据，提供了一种现实的可能性，要使这种可能转变为现实，必须依赖于科学实践。人们只有在认识自然和利用自然的实践活动中，才能逐渐地了解自然事物的本质和发展规律，才能为自然科学体系的形成和发展输送必要的、日益丰富的信息和源源不断的动力。
自然科学发展的历史也表明，自然科学知识及其体系的产生和发展，必然要受到科学实践在深度和广度上的制约。随着科学实践的萌发和向纵横方向的展开，自然科学亦不断进化，由最初是零散而笼统的知识，渐渐演变成较为系统和精确的知识。自然科学中不同学科之间由彼此无关、纹理不清的状态逐步过渡到彼此联系紧密、井然有序的状态。换言之，科学实践活动的水平实际上规定了自然科学知识的水平和自然科学体系的性质与形式。科学实践是自然科学知识及其体系发生、发展的直接原因和重要源泉。
在古代，当科学实践刚刚萌芽、社会生产能力十分低下的时候，人们既缺乏全面考察、认识自然界的能力，又缺少探索具体的自然物的物质手段，因此不可能采用系统的实验方法对自然界进行分析和解剖。在这样的历史条件下产生的自然科学知识必然是零散的、笼统的。当自然科学知识处于零散而无系统结果的阶段，当自然科学的社会功能不甚明显的时候，尽管有些思想敏锐的人“力求达到知识的完全的合理协调”，但终究无法建立起具有相对独立形式的自然科学体系。古代思想家们的种种努力，充其量只能构造一个自然科学体系的雏型。
自然科学形成科学的体系是从15世纪下半叶才开始的。当时科学实践在广度和深度上都发生了巨大的变化。社会生产关系的大变革引起的产业革命，不仅向自然科学提供了许多新的研究课题和可供观察的经验材料，同时为科学研究提供着日益增多的、越来越精确的物质手段，如温度计、显微镜、望远镜、分光仪等。实验方法的普及提高，实验仪器和装置的充实扩展，不仅促使科学实验从生产实践中分化出来，成为发展自然科学的一种重要方式，同时对自然科学体系结构的形成，产生了深远的影响。
一是帮助自然科学从自然哲学中分化出来或从生产经验和技能中分离出来，开始其独立发展的阶段；二是帮助自然科学摆脱直观、笼统、纯思维的传统研究方法，把从有限部分入手、注重科学实验的研究方法提到首要的地位，从而使自然科学知识取得明确的形式和成为独立的新学科成为可能；三是促使自然科学中的理论研究和应用研究都得到迅速的发展，从而导致理论科学、应用科学、生产技术三者的关系越来越明朗。总之，由于科学实践在近代的独立和发展，自然科学开始崛起，自然科学中的新分支、新层次、新门类纷至沓来；理论自然科学、应用科学、生产技术的各个组成部分之间，以及这三者之间的界限日益明显，相互的联系越来越密切，交叉作用日益丰富多彩。这一切标志着近代构筑自然科学体系大厦的要素材料和“粘合剂”已经具备，自然科学体系的形成达到瓜熟蒂落、水到渠成。
20世纪以来，科学实践进一步向纵横方向深入，推动着现代自然科学的蓬勃发展，同时给自然科学体系的进化带来了极为深刻和全面的影响。
首先现代自然科学向纵深领域的展开，一方面揭示了许多新的物质结构层次；另一方面对已经揭示的物质的各个层次的性质及规律的全面探讨，出现了“全科学”趋势，从而使自然科学体系增添了愈来愈多的新成分。如果说19世纪之前人们对自然界的探索范围主要限于宏观世界，那么20世纪人们认识的范围大大超越了这个界限，把视野拓展到了更深入的微观世界和宇观世界。从数量级来看，自然科学所涉及的尺度，从空间上小到10-13cm以下，大到1028cm，范围达40多个数量级；从时间上短到10-23s，长到1017s，范围达40个数量级。无庸置疑，随着现代科学的进步，科学研究的范围还将继续扩展。随着人们对自然界探测范围的扩大，现代自然科学不仅研究既成事物及其现存状态，而且研究它的动态过程，并把各种事物的演变历史以及各种事物之间的特定关系作为研究对象，其结果产生了结构科学、演化科学、横断科学等新学科，自然科学体系又增添了丰富多彩的新成分、新要素、新门类。
二是现代自然科学中学科的高度分化和高度综合，促成了自然科学的“整体化”趋势，这不仅丰富了自然科学体系的构成要素，而且增强了各具体学科之间的联系。所谓学科的分化，表现为自然科学知识的个别分支从某一传统学科中分离出来，成为有自己独特的研究对象、研究方法和理论体系的相对独立的学科。例如，传统的化学学科分化为无机化学、有机化学、分析化学、……。所谓学科的综合，指学科分化的基础上人们在实践中认识到某些领域和某些不同的运动形态之间存在着相互依存和相互转化的必然联系、或有着共同的特性，这些方面就自然而然地结合在一起，形成具有独特新内容的新学科。例如，物理化学、分子生物学、环境科学、智能科学、……。科学的分化和综合是形成自然科学新学科的两种基本形式，既是相对立的又是有联系的，两者相互交替、相互渗透、彼此促进，最终导致每一门具体学科只有在整个自然科学体系的相互联系中才能得到发展。一句话，现代自然科学中学科的高度分化和高度综合，导致了现代自然科学的整体化趋势，而这种趋势的发展又导致了当代各种分支学科、边缘学科、横向学科层出不穷，从而自然科学体系包含的学科的数量迅速增多、学科间的联系方式越来越多样化和复杂化。
三是现代自然科学的发展改变了科学、技术、生产之间的关系，使它们成为一个统一的有机整体。19世纪中叶之前，科学的进步与技术的进步是平行的，但现代的情况就完全不同了，一方面科学的发展深深地依赖于技术和生产，要求它们为自己的发展提供先进的技术装备和强大的工业基础；另一方面，生产技术的攻关和重大突破需求助于科学理论的直接指导，而科研成果往往直接体现在生产的产品中；再一方面，现代自然科学的生产力属性越来越显著，科学的发现与技术的发明转化为直接生产力的周期明显缩短。如在1885—1919年，从科学技术发明到它在工业上应用的“成熟期”平均需要30年，从生产上掌握到投入市场平均需要7年；在1920—1944年，这两种时间对应为16年和8年，而在1945—1964年，则分别为9年和5年。这说明科学、技术、生产之间的关系日趋紧密，已成为一个严密的整体。
2.2 自然科学分类的基本原则
自然界的所有过程都处于一种系统联系中，根据这一认识,科学家总是希望通过个别部分和整体去证明这种联系。一系列相对独立的知识体系的建立，激发人们去揭示科学分类的基本原则。或者说，为了统一认识不同的领域（即以不同的运动状态为研究对象的各门科学），使人类的知识系统化，因而提出了科学分类的问题。
在古代，有许多自然哲学家对知识分类问题进行过研究，影响最大的是亚里士多德(Aristoteles)，他以人的活动为准则，即依据人的活动方式来进行知识分类。他把纯认识活动的学问叫做理论哲学；把研究人的行为的学问叫做实践的哲学；而把关于创作、艺术、讲演等活动的学问叫做创造的哲学。至于物理学，数学等具体自然科学知识，在亚里士多德看来，都只是从“存在”中割取一部分，研究一类事物的根源和原因，所以属于理论哲学中较低的层次。
在近代，由于一系列具体的自然科学学科相继从自然哲学中分化出来，成为独立的知识门类，于是人们从整体上探索科学分类基本原则和科学体系结构的愿望再次高涨。
弗·培根（F·Bacon）是近代描述科学知识体系结构的先驱。以他和法国的“百科全书”派为代表的一些科学家认为，科学的发展表明了人类理性的能力，因而主张科学分类应当从人类的理性出发。在他们看来人类的理性有三种能力：记忆、判断和想象，所以科学可以相应地分为三类：历史是记忆的科学；诗歌、艺术是想象的科学；哲学则是理性判断的科学。当然，这三大类科学又可分为若干子类。例如，哲学可以分为第一哲学、自然学和人类科学等三个部分。自然学是关于自然界的科学，又可划分为理论部分(包括关于物质运动的物理学和关于终极原因的形而上学等)、实用部分(包括同物理学相应的机械学和化学技术等)和数学(包括纯数学几何、算术和实用数学等)。从历史的眼光来看，培根等人的这项工作，对于破除古代经院哲学体系，促进科学和技术的进步起过重要的作用，然而，他们以记忆、判断、想象等精神现象做为科学分类的基本原则，却是一个重大的、不可忽视的缺陷。
随后，圣西门（C·H·de Saint-Simon）和奥古斯多·孔德(Auguste Comte)批判了这种有着浓厚主观主义倾向的分类原则思想。圣西门认为，科学是对客观对象的描述，是客观对象的规律在人脑里的反映。他提出以研究对象作为科学分类和构造科学体系结构的原则思想。根据天文现象、物理现象、化学现象和生理现象建立与之对应的天文学、物理学、化学和生理学。孔德进一步把科学体系描述为：数学；几何天文学、力学天文学；物理学(包括引力学、热力学、声学、光学和电学)；化学(包括有机化学、无机化学)；生理学(包括植物生理学、动物生理学)；社会学。虽然圣西门等人提出并坚持的科学分类的客观原则是值得称颂的，但由于把科学对象和孤立的表面现象混为一谈，决定了他们不可能把握学科之间的内在联系。因此，他们的分类仅仅是按照外表特征的机械排列，不能科学地反映自然科学知识体系的内在逻辑结构。
黑格尔(G·W·F·Hegel)最先把发展的思想引进科学分类，他的客观唯心主义哲学体系就是一个科学分类的系统。黑格尔认为，各门科学是在“绝对精神”自我变化发展过程中依次出现的。最初，绝对精神在超时空的逻辑领域进行纯概念推演，这就是关于辩证思维的科学。绝对精神结束了逻辑发展阶段之后，“外化”为自然界。开始是机械性阶段，这时自然界处于物质的混沌状态，只有机械过程，只存在没有任何质的规定的时间和空间，即自然界只有纯粹量的关系，因此相应的科学便是力学和数学。接着进入物理性阶段，出现了有质的规定性的物体，产生了整个无机自然界，于是就有了研究热、光、电、磁等现象的物理学和研究化学过程的化学。最后是有机性阶段，产生了生命体，有机生命的出现是以地质条件为前提的，有机生命分为植物体和动物体，因此相应于这个阶段有地质学、植物学、动物学。在动物有机体的最高阶段产生了人，绝对精神便进入精神哲学阶段，于是依次出现了人文科学的各个学科．由此可见，发展的原则是黑格尔科学分类的最基本的思想，但由于它是建立在客观唯心主义基础上的，因此在黑格尔的分类体系中尽管对各门科学的内在联系作了一些合理的猜测，但却有着不少的臆造。
恩格斯批判地继承了历史上一切合理的“形态分类“思想，分析和概括了当时自然科学的新成果，提出了崭新的科学分类原则。恩格斯认为，科学分类应当按照物质运动形式的区别及其固有次序来进行。他在《自然辩证法》一书中，把数学、力学(天文学)、物理学、化学和生物学列为基础学科，并指出其中的“每一门学科都是分析某一个别的运动形式或一系列互相关联和互相转化的运动形式的，因此，科学分类就是这些运动形式本身依据其内部固有的次序的分类和排列，而它的重要性也正是在这里。”“正如一个运动形式是从另一个运动形式中发展出来一样，这些形式的反映，即各种不同的科学，也必然是一个从另一个中产生出来”。对此，恩格斯还作了具体的说明：机械运动、物理运动、化学运动、生物运动、人类社会运动是五种基本的运动形式，它们依次排列，越往后的越复杂、越高级。为了显示出各门学科之间的互相过渡，恩格斯还提出如下的学科命名法：力学是关于物体机械运动的科学，物理学是关于分子的力学，化学是关于原子的物理学，生物学是关于蛋白质的化学。今天看来，恩格斯的一些具体论述不免显得有些勉强，但他把客观性原则和发展原则有机地统一起来进行科学分类的方法，依然是我们研究科学分类问题的基本准则。
2.3 自然科学体系的结构
现代自然科学象一座宏伟的大厦，又象一个精致的艺术品。它门类繁多，纵横交错，相互渗透，结构极为复杂，因此可以从不同的层次或角度去研究其结构形式。近几十年来，科学家们为了从整体上把握自然科学，乃至整个科学的体系结构，相继提出过各种设想和一系列关于科学体系结构的模式。例如，有人把科学比拟成正在施工中的逐步增高的金字塔，从而提出“塔式”模式，说明科学水平依次提高；也有人把科学看成为枝叶繁茂的参天大树，用“树式”的模式解释学科的不断分化和学科之间的关系；还有人把科学想象成一张正在编织的大网，并设置“网式“模式来形象地描述学科门类不断增多时交错发展的情景。应当承认，关于科学体系结构诸如此类的模式，各有千秋，它们的出现对进一步了解科学体系的结构及演化规律都曾起过积极的作用。
从层次上来分析，可以把科学体系的结构分为原级结构、门类结构、学科结构和知识结构四大类。
原级结构是科学体系的最基础一级，着重说明了人类所掌握的全部经验和科学知识的大部类。我国科学家钱学森认为：“我们现在的科学技术体系有六个组成部分，概括一切的是哲学，哲学通过自然辩证法和历史唯物主义(社会辩证法)两个桥梁与自然科学、数学科学和社会科学相联接。自然科学研究自然界，社会科学研究人类社会，数学科学则是自然科学和社会科学都要用的学问。在这三大类学科之下，介乎用来改造客观世界的工程技术之间的是技术科学，那是针对工程技术中带普遍性的问题，加以统一处理而形成的，如流体力学、固体力学、电子学、计算机科学、运筹学、控制论等等．在工程技术问题中兴起的一大类是各门系统工程。”
钱学森还描述了历史上科学体系的原级结构的不同形态及其演化发展。因为自然界不是凝固不变的，作为反映自然界的科学技术也不会一成不变，科学体系的结构也不会凝固成一个僵死的躯壳，它将随着现代科学技术的加速发展而变化。
科学的门类结构是科学的一级结构，主要说明各大部类的基本构成情况。自然科学作为科学中一个重要门类，主要由基础科学．技术科学和应用科学构成，其中基础科学由基础理论和实验技术组成；技术科学由技术理论和专业技术组成；应用科学由应用理论和应用技术(生产技术、工程技术等)所组成。如果仅从科学的角度来看，科学理论是包括基础科学理论、技术科学理论、应用科学理论的“三足鼎立”。同样，从技术方面看,技术则是包括实验技术、专业技术和生产技术的“三足鼎立”。
这两组“三足鼎立”连同它们相对应的每一足之间的对立统一关系，使科学的门类结构成为一个复杂的立体结构。自然科学的门类结构告诉我们，任何自然科学知识的发育过程应包括基础科学阶段、技术科学阶段和应用科学阶段。只有完成了这三个阶段的全过程，自然科学知识才能变成直接的生产力。例如，在激光辐射理论问世后，只有经过激光理论的建立和激光器研制技术的发明，激光打孔机及激光通讯设备才能应用于实际生产过程中。
学科结构是科学的二级结构，主要说明门类结构中各基本部分的结构情况。事实上，如果我们将门类结构中的每个基本部分加以分解，就会发现它们都有复杂结构。而且采取不同的分类方法，可以作出不同的学科结构图。由此我们可以把科学分为分支学科、边缘学科、综合学科、横向学科等。
知识结构是说明具体学科的构成。任何一门具体的自然科学学科都是由许多彼此独立的定理、定律构成，而定理、定律又是由一定数量的知识单元组合而成的。
现代自然科学已经形成了一种不以人们意志为转移的客观结构，这种结构是多层次的、纵横交错的。自然科学的体系结构，既是客观自然界层次结构、物质运动形式相互关系的主观反映；又是科学内在逻辑结构的集中体现。因此，了解自然科学体系结构及其演化规律，对于从整体上把握科学技术的发展趋势，制订科学技术发展规划和探讨科学技术的社会功能，都有着重要的意义。

第三节 自然科学的社会功能

3.1 自然科学是推动社会发展的强大动力
人类与其他动物不同，人类为了维持自身的生存和争取美好的生活，通过生产劳动向自然界索取。在生产劳动中，人类所能取得物质生活资料的品种和数量，很大程度上取决于社会生产力所达到的水平．生产力就是人类凭借和应用劳动资料作用于劳动对象时所产生的生产物质资料的能力。它“归根到底总是来源于发挥着作用的劳动的社会性质，来源于社会内部的分工，来源于智力劳动特别是自然科学的发展”。因此，自然科学是一种推动社会生产发展的强大力量，也是生产力。正如邓小平指出：“当代的自然科学正在以空前的规模和速度，应用于生产，使社会的物质生产的各个领域面貌一新。”“科学技术是第一生产力”。
当我们说自然科学是生产力或具有生产力功能时，并不意味着自然科学构成了生产力的一个独立要素，而是说自然科学渗透于生产力系统，通过变革其要素和结构，使得社会生产力的水平不断高涨。具体来说，自然科学的生产力功能表现在：一是通过教育的途径帮助劳动者掌握新的科技知识，从而提高他的劳动能力；二是通过技术发明的途径革新生产工具、劳动资料；三是通过认识日益增多的自然物的属性，扩大了劳动对象的范围和利用率；四是通过科学管理实现生产的多快好省。
总之，生产力是一个动态系统，其发展直接来源于生产力的成分和结构的变化，而结构和成分的变化在很大程度上还取决于科学的力量。马克思（K·Marx）说过：“这所谓科学力量，不仅指它自身，而且还包括为生产所占有的，甚至已经实现于生产中的科学力量。”由此可见，要迅速提高社会生产力，就应当加强智力投资，重视科学技术的发展和应用。
3.2 自然科学是促进思想解放的精神武器
科学学创始人J.D.贝尔纳（Bernard）在谈到科学的社会功能时指出：“科学可以既通过说明某些人类目的的虚假和不可能，又通过满足其他人类的目的，而带来力量和人类的解放。由于科学变成物质文明的自觉的指导力量，它应该越来越渗透到一切其他文化领域中去。”随着自然科学的发展及其向其他文化领域的渗透，自然科学必将成为人们思想解放的重要武器。
首先自然科学鼓励人们充分发挥主观能动性，充分地认识和利用自然界的规律，创造日益繁荣昌盛的物质文明，建造现实的幸福美好生活。自然科学是一种创造性的活动，其精华是自由探索的精神，它的发展越来越深刻地揭示着自然界的奥秘。因此，自然科学与宗教迷信是水火不相容的，它将其批判的锋芒直接指向宗教神学的认识论基础。随着自然科学的不断发展以及它的基本精神日益深入人心，人们的思想将愈来愈解放。
其次，自然科学的发展为哲学的进步提供了日益坚固的科学基础和强大的推动力。自然科学的发展会给哲学以深刻的影响，脱离自然科学的哲学是残缺不全的贫困的哲学，甚至可能成为无源之水、无本之木。许多哲学家和自然科学家在谈到这一点时都十分强调自然科学对哲学进展的作用。如当代著名的科学家玻恩(M·Born)指出：“科学不仅是技术的基础，同时也是健康哲学的来源。”德国物理学家劳厄（M·V·Laue）也说：“自然科学的进展，给第一流的哲学家提供了强大的动力。”恩格斯在《路德维希·费尔巴哈（Ludwig Feuerbach）和德国古典哲学的终结》中明确地指出：“从笛卡儿(Descartes)到黑格尔和从霍布斯(Hobbes)到费尔巴哈这一长时期内，推动哲学家前进的，决不象他们所想象的那样，只是纯粹思想的力量。恰恰相反，真正推动他们前进的，主要是自然科学和工业的强大而日益迅速的进步”。
自然科学发展的水平首先深刻地影响哲学理论体系的形式，而且哲学的概念、范畴、规律都会随着自然科学的发展不断丰富，日益深化以至变换更替。同时，随着自然科学的发展，科学方法论也必然发生相应的变革。所以，自然科学既是哲学赖以存在的重要基础，又是哲学继续前进的强大推动力。哲学工作者应当认真学习自然科学，熟悉自然科学的新成果，研究由于自然科学新发展所提出的各种哲学问题。
可见，自然科学是人们解放思想的重要武器，自然科学的认识功能的表现是多种多样的。著名科学家康普顿(Compton)说：“科学赐于人类最大的礼物是什么呢?是使人类相信真理的力量。”随着自然科学的发展和普及，自然科学中那种推陈出新、勇于创新的科学精神，尊重事实、实事求是的科学态度，严格要求、一丝不苟的工作作风，将会越来越深入人心，影响社会精神生活的面貌和人们思想品德的修养。

第四节 自然科学发展的趋势和特点

4.1 科学研究纵深化
现代科学的研究工作，由于有了既精密又强大的观察和实验装备,正在从宏观向微观深入，向宇观扩展。从深度看，人们的洞察力已经进入到了小于10-15m的基本粒子内部，研究夸克的相互作用和内在结构，以揭示微观世界之谜。从广度看，人们的眼光已经扩展到了距地球140亿光年的宇宙空间，以探讨可观测宇宙形成、演化的过程和规律。人类掌握的能量尺度范围，从1eV直到几十亿eV，包括了重力作用、电磁作用、弱相互作用以及强相互作用等形式，进一步在研究它们的统一性问题。现在，对于弱相互作用与电磁相互作用统一性的研究，已经取得了重大突破，正在深入探讨四种相互作用统一性的机理，以建立超对称大统一模型。由于现代科学基础广延，宏微并举，所以具有全层次性特征。对于自然界的各个层次，从夸克、基本粒子、核子、原子、分子、生物大分子、细胞、生物个体、生物圈、地球、太阳系、星系、星系团到总星系等等，都展开了研究。对于自然界不同层次之间的联系、过渡、演化及转化的规律，也有了科学的认识。现代科学的最前沿问题。例如，物质微观结构、生命起源与本质、人类思维和意识产生的机制、宇宙起源与演化的研究，在近年可能面临重大的突破，人类对自然界的认识将会有新的飞跃，崭新的宇宙图景将展现在人类面前。就对生命现象的研究来看；现代生物学已经从量子、生物大分子、细胞器；细胞、组织、器官、个体、种群、群落、生态系统一直到生物圈等层次全面展开。在生物大分子层次，科学家们正在进行巨大的努力，在本世纪初弄清人类DNA中全部30亿个碱基对的排序，以确定全部的基因，从中了解控制生命过程的全部信息。在生态系统层次，不但要研究生物群落内部不同种群之间，而且要研究生物群落与其生存环境之间不断进行物质交换和能量流动所构成的相互作用、相互制约的关系。科学研究的纵深化还表现在对极限状态的研究方面。由于极限技术的发展，提供了各种各样的极限条件，如超高电压、超高气压、超强磁场、超高温、超低温、高真空等等，促进了极限科学的发展，发现了自然界的事物在非常态的极限条件下的新结构、新性质、新功能，揭示了物质世界的奇妙的超级境界及其广阔的应用前景。
4.2 科学发展加速化
由于社会生产和经济发展为科研工作提供了比以往任何时代更丰富的物质基础和经费支持，技术的发展特别是高技术的崛起为科学研究提供了先进的仪器和装备，科学教育的大发展培养了大量优秀人才，又由于科学知识的不断积累、分化、创新，使得科学发展的速度大大加快了。科学的各项指标，都在按指数(或阶梯指数)增长。人类科学知识在19世纪每50年增长一倍，20世纪中叶则每10年增长一倍，70年代以来每5年增长一倍，80年代每3年增长一倍。本世纪60年代以来的科学新成果，比过去二千年的总和还要多。20世纪末，人类社会获得的知识比80年代初又翻一番。现在，每天发表科学论文16000篇，出版图书180O种，批准专利3000多项。同时，科学知识的更新速度也在加快。今天工程师掌握的知识，5年之后将有一半过时。近10年内，一个工程师所掌握的知识的90％与计算机的最新发展有关。美国国立卫生研究院的计算机储存的资料每5年就增加85％。人类真是进入了信息的汪洋大海之中了。在这个汪洋大海中要想不被淹没，就要学会掌握信息、利用信息、筛选信息和更新信息。还有一些科学指标，也表明了科学的加速发展。例如，科学研究的队伍在不断壮大。据对法国、联邦德国、日本、英国、美国和前苏联等六国的统计，1965年从事研究与发展的科学家和工程师共计132.6万人，到1983年就增加到了273.7万人，差不多15年翻一番。再从研究与发展经费的投入增长情况看，据对美国、日本、前联邦德国、法国和英国等五国的统计，1970年的总投入为1003.18亿美元，到1986年就增加到了1839.97亿美元，几乎翻一番。此外，研究与发展经费占国民生产总值的比值，在一些发达国家已占有相当高的比例。仅从民用部分来看，据1985年的统计，美国为1.86％，英国为1.71％，法国为1.85％，联邦德国为2.53％，日本为2.75％。现在,全世界用于科研的经费每年已达4000亿美元。这样大规模的人力、财力、物力的投入，使得科技事业发展成了一项庞大的、举足轻重的社会事业。
4.3 科学知识整体化
现代科学的发展，一方面不断分化和更加专门化，分支学科层出不穷,据我国《学科分类与代码》的统计，自然科学、农业科学、医药科学和工程与技术科学的分支学科有1913种,这就使人们有可能从特定的角度和侧面去认识客观世界的各种事物的属性和运动规律；另一方面，各个分支学科之间又相互联系、相互渗透，形成了有机联系的知识整体。从发展的总趋势看，科学的综合化、整体化越来越显著了。这一趋势主要表现在以下几个方面：
4.3.1 科学之间的交叉与渗透强化
各门自然科学之间和每门科学内部各分支学科之间，借助于概念、原理和方法的转移，相互交叉和渗透，形成了许多边缘科学(如物理化学、环境化学、生物化学、电化学、电声学、生理光学)及交叉科学(如环境地球化学、生物地球化学、环境物理学、环境医学、极谱分析学、无线电气象学、雷达天文学、遥感地质学等)。不仅在两门学科之间而且在几门学科之间也会出现多元交叉与渗透。边缘科学和交叉科学的大量涌现，消除了传统学科之间的分离和界限，使整个科学联为一体。
4.3.2 综合科学迅速发展
以特定的自然界的客体为研究对象，采用多学科的理论知识和方法进行研究，把多种不同学科综合为一个体系的综合科学的创立和发展，代表了当代科学整体化的又一方向。例如，环境科学技术、安全科学技术及管理科学等。它与边缘科学的不同之处在于，综合科学是对某一客体采用所有可能的科学知识进行研究的产物，而边缘科学则是以某种新原理或新方法研究某类物质对象。综合科学往往是一个科学群。
4.3.3 系统科学的创立
以客观世界的许多物质结构及其运动形式中的某一个特定的共同方面作为研究对象的系统科学(横断科学)，如信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、超循环理论等的创立和发展，进一步揭示了各种物质运动形式之间的统一性，表明了客观世界的各个领域之间的普遍联系。系统科学还为自然科学和社会科学的结合架起了一座桥梁，并使不同领域的研究成果得以互相借鉴和利用。
4.3.4 数学向各门科学广泛渗透
数学向自然科学和社会科学的各个领域广泛渗透是当代科学发展的一大特征，并由此派生了大量的新兴学科，使得现代科学出现了数学化趋势。所谓“数学化”,是指把数学方法运用于实验研究的数据处理和探求新的规律，建立新的理论以及创造这门科学的专门的公式化语言。数学作为自然科学的工具，形成了计算物理学、计算化学、生物统计学、数量遗传学、数理地质学、数理生态学等新学科。数学向社会科学领域渗透，产生了计量经济学、数理社会学、数理语言学、社会统计学、人口控制论等新学科。总之，数学的营养滋润着现代科学的各个领域。
4.3.5 科学与技术紧密结合
现代科学与技术相互渗透、相互依存、紧密结合，出现了科学技术化和技术科学化的趋势。科学发展为技术提供新的原理和概念，技术发展向科学提出任务和研究手段。科学与技术之间的关系越来越密切，二者之间的界限变得模糊了。在高技术领域，科学与技术已经融为一体，所以可以叫做高科技。
4.3.6 自然科学与社会科学正在走向统一
自然科学与社会科学之间相互交叉和渗透，正在走向统一，出现了自然科学社会化，社会科学自然化的发展趋势。由此产生的交叉学科、边缘学科层出不穷。例如，物理社会学学科群，社会物理学学科群。马克思曾预言：“自然科学往后将包括关于人的科学，正像关于人的科学包括自然科学一样：这将是一门科学。”在20世纪，这个潮流愈来愈明显，愈来愈强大，现代科学发展的总趋势充分证实了这一点。自然科学的概念、方法和手段被广泛运用于经济学、社会学、人文科学、考古学等各个领域，大大丰富了社会科学的理论，促进了社会科学的发展。社会科学理论，特别是马克思主义的世界观和方法论，对于阐明自然科学的发展目标、方向、社会条件、社会后果，指导自然科学的健康发展，起着重要作用。实现自然科学和社会科学的紧密结合，对于更有效更合理地利用科技资源，推动经济发展和社会进步有着十分重大的意义。
4.3.7 软科学的崛起是科学整体化的标志
软科学群的产生和发展是现代科学走向整体化的一个重要标志。软科学是一大类新兴学科的总称。它综合应用自然科学、社会科学、数学以及哲学的理论与方法，以计算机为手段，对现代科学、技术、生产发展带来的复杂社会问题进行跨学科、跨领域、定性和定量相结合的研究，为各级各类组织的领导、管理和决策的科学化、民主化服务，实现整体优化效应，以促进科技、经济和社会的协调发展。在软科学群体中，既有自然科学、社会科学和思维科学的交叉与渗透，也有科学与技术的交叉和渗透；既有科学门类之间的交叉与渗透，又有分支学科之间的交叉与渗透；既包括工程技术，又包括社会技术。因此，要绝对划分清楚软科学中各门学科的外延几乎是不可能的。这一点正是它的整体化特征，也是它发挥领导。管理、决策功能的根据。
4.4 科学活动社会化
现代科学活动是一个包括知识的生产、流通、利用和服务等活动的社会系统。这些活动既有分工又有合作，相互衔接构成一个有机的整体和网络。经过各个环节的传递，科学知识就会转化为推动生产力发展和社会进步的现实力量。为了保证各类科学活动的顺利开展，各个国家都建立了不同层次、不同水平、不同规模的研究开发机构、成果转化机构、科学教育机构和社会服务机构。它们有的达到了国家规模甚至国际规模。这些机构共同组成了庞大的科学技术产业，构成了非常重要的社会建制。它们有自己的体制目标，有达到其目标的特殊手段与方法，有一套实现其目标的分工严密的组织系统，有保证其正常运行的政策、制度及行为规范，有评判其成果和社会效益的价值标准。从事这项产业的科学家和工程师们，组成了知识生产和服务的产业大军。他们运用先进的、复杂的、昂贵的、甚至是非常庞大的知识生产手段和设备，出成果、出人才、出效益，为发展第一生产力而进行着创造性劳动。他们是新型的、先进的生产力的代表者，并得到了社会的认同。
由于现代科学活动占有重要战略地位，由于科学的社会功能日益强大，为了保证科技、经济和社会的协调发展，对科学活动进行社会调节和控制成了一项重要任务。为此，许多国家建立了专门管理机构(如国家科学技术委员会、国家科技发展部)，负责科技发展规划与计划的制订，对科学活动的目标、方向、规模、效果，进行选择与评估。政府还通过拨款、贷款、减免税收等手段对各类科学活动给以支持，利用经济杠杆进行引导和鼓励，借助于法律与规章制度实施约束与规范。
与此同时，整个社会也出现了科学化趋势。科学精神(求实、求真、理性、创新、协作)与科学方法日益深入人心，尊重科学知识，崇尚科学精神，按科学办事的意识、观念越来越普及，科学价值观成了人们价值观的重要组成部分。科学在改变着人们的生活方式、工作方式和思维方式。
4.5 科学交流国际化
现代科学的发展，既存在着国与国之间的激烈竞争，又存在着日益广泛的合作与交流，处于竞争与合作共存的局面。合作地域多边化、合作领域多元化、合作方式多样化是发展的大趋势。例如，欧洲共同体确立了实行广泛的“共同研究”的原则，组成了有21个国家参加的“欧洲科学基金会”，建立了欧洲原子核研究中心、欧洲分子生物实验室、欧洲航天局、欧洲中期气象预报中心以及国际肿瘤研究中心等跨国研究机构，在物理学、信息科学、生物学、天文学、气象学、医药学等领域进行合作研究以达到资源共用、成果共享。中国、美国、日本、西欧诸国在许多领域进行着合作研究，其形式多样，规模不等。这充分表明现代科学活动已经成为一项国际性活动，而且这一趋势愈来愈扩大，涉及的领域愈来愈广泛。究其原因主要在于：
①现代科学研究涉及的领域往往超出一个国家的地域之外。像天文、气象、海洋、生态、环境、核能、航天等领域的研究课题，大都是国际规模的大问题，需要许多国家的通力合作与共同研究。
②一些大型研究课题的内容极为复杂，具有明显的多学科性和综合性。需要不同学科，特别是不同文化背景的科学家从不同的角度，利用不同的观点和方法进行研究，才可能取得高水平的成果。因此，科学人才在国际范围的交流成为科学发展的必然。
③现代科学研究工作需要的情报、资料和信息是全球性的。科学家在做一个课题时，他不仅要继承前人的成果，而且要了解别的科学家的同类研究达到了什么水平，还有什么问题需要解决。他就要借助于先进的通讯网络(例如国际互联网)，在全世界成千上万个数据库和资料库中进行检索，以便充分利用别国的信息资源，加快自己的研究工作。由此，出现了科学信息服务国际化的趋势。
④现代科学研究所需设备复杂，耗资巨大，往往超出一个国家的承受能力。例如，设在日内瓦的欧洲联合核子研究中心，建造的质子同步加速器，其直径平均2.2km，磁铁重量达1.1万t，励磁功率13万VA，最高能量4000Mev，再加上探测器、计算机等各种先进仪器设备，总投资超过了100亿美元。它的建造费和运行费由欧洲12个国家的政府分担，其管理机构也由各国科学家共同组成，科研成果由参与国共享。
⑤高度发达的信息技术和交通运输工具以及国际化服务系统的发展，为科学研究国际合作的实现提供了技术条件。
⑥由于跨国公司经济形式的发展，为跨国研究提供了物质基础与经济后盾。跨国公司进行的一些研究工作，往往具有国际化特征。一些跨国公司之间，也在进行着合作研究与交流。
⑦联合国组织的国际合作与交流活动，例如“国际地球物理年”、“国际通讯年”等，进一步推动了科学研究的国际化进程。

【参考资料】
1、李继宗，戚进勤主编，1987，《自然科学基础》，复旦大学出版社，上海。
2、赵祖华主编，1999，《现代科学技术概论》，北京理工大学出版社，北京。
3、宗占国主编，1998，《现代科学技术导论》，高等教育出版社，北京。
4、周光召，1996，科学技术的发展趋势和它对社会的作用，世界科技研究与发展， 4（2），2-9。
5、路甬祥，1998，科学技术的时代特征和发展展望，中外科技信息（政策版）， 2，1-8。

思考题：
1、自然科学的研究对象与自然科学的发展有什么关系？
2、自然科学具有什么特点？
3、自然科学分类的依据是什么？
4、自然科学的社会功能何在？
5、自然科学的发展具有什么特点？