วิทยาศาสตร์ธรรมชาติมุ่งทำความเข้าใจ ว่าโลกและจักรวาลรอบตัวเราทำงานอย่างไร มีสาขาหลักห้าสาขา ดังแสดงในภาพด้านบนที่เรียงตามเข็มนาฬิกาจากซ้ายบนได้แก่ดาราศาสตร์เคมีธรณีวิทยาชีววิทยาและฟิสิกส์

วิทยาศาสตร์ธรรมชาติหรือวิทยาศาสตร์เชิงประจักษ์เป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการอธิบาย ทำความเข้าใจ และทำนายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ โดยอาศัยหลักฐานเชิงประจักษ์จากการสังเกตและการทดลอง^{[ 1 ]}กลไกต่างๆ เช่นการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญและ ความสามารถใน การทำซ้ำของการค้นพบถูกนำมาใช้เพื่อพยายามรับรองความถูกต้องของความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์

วิทยาศาสตร์ธรรมชาติสามารถแบ่งออกเป็นสองสาขาหลัก ได้แก่วิทยาศาสตร์ชีวภาพและวิทยาศาสตร์กายภาพวิทยาศาสตร์ชีวภาพเรียกอีกอย่างว่าชีววิทยาวิทยาศาสตร์กายภาพแบ่งย่อยออกเป็นฟิสิกส์ดาราศาสตร์วิทยาศาสตร์โลกและเคมีสาขาเหล่านี้ของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอาจแบ่งย่อยออกเป็นสาขาเฉพาะทางมากขึ้น ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าสาขาต่างๆ ในฐานะวิทยาศาสตร์เชิงประจักษ์ วิทยาศาสตร์ธรรมชาติใช้เครื่องมือจากวิทยาศาสตร์เชิงรูปธรรมเช่นคณิตศาสตร์และตรรกศาสตร์แปลงข้อมูลเกี่ยวกับธรรมชาติให้เป็นการวัดที่สามารถอธิบายได้เป็นข้อความที่ชัดเจนของ " กฎของธรรมชาติ " ^{[ 2 ]}

วิทยาศาสตร์ธรรมชาติสมัยใหม่ประสบความสำเร็จมากกว่าแนวทางคลาสสิกในปรัชญาธรรมชาติกาลิเลโอ กาลิเลอี , โยฮันเนส เคปเลอร์ , เรเน่ เดส์การ์ต , ฟรานซิส เบคอนและไอแซค นิวตันถกเถียงกันถึงประโยชน์ของ วิธีการ ทางคณิตศาสตร์มากกว่าวิธีการทดลองในการศึกษาธรรมชาติ ถึงกระนั้น มุมมองทางปรัชญาข้อสันนิษฐานและสมมติฐานซึ่งมักถูกมองข้าม ยังคงมีความจำเป็นในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ^{[ 3 ]}การรวบรวมข้อมูลอย่างเป็นระบบ รวมถึงวิทยาศาสตร์การค้นพบ ได้พัฒนาต่อยอดมาจากประวัติศาสตร์ธรรมชาติซึ่งเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 16 โดยการอธิบายและจำแนกพืช สัตว์ แร่ธาตุ และอื่นๆ^{[ 4 ]}ปัจจุบัน "ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ" หมายถึงคำอธิบายเชิงสังเกตที่มุ่งเป้าไปที่ผู้ชมทั่วไป^{[ 5 ]}

นักปรัชญาด้านวิทยาศาสตร์ได้เสนอเกณฑ์หลายประการ รวมถึง เกณฑ์ การพิสูจน์ความเท็จที่เป็นที่ถกเถียงของKarl Popperเพื่อช่วยให้พวกเขาสามารถแยกแยะความพยายามทางวิทยาศาสตร์ออกจากความพยายามที่ไม่ใช่วิทยาศาสตร์ได้^{[ 6 ] [ 7 ]}ความถูกต้องความแม่นยำ และการควบคุมคุณภาพ เช่นการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิและความสามารถในการทำซ้ำของผลการค้นพบ เป็นหนึ่งในเกณฑ์ที่ได้รับการเคารพมากที่สุดในชุมชนวิทยาศาสตร์ระดับโลกในปัจจุบัน^{[ 8 ] [ 9 ]}

ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้มักได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นไปได้สูงมาก มากกว่าที่จะถูกพิจารณาว่าได้รับการพิสูจน์แล้วจนไม่อาจโต้แย้งได้ พื้นฐานของการยอมรับอย่างแข็งแกร่งนี้มาจากการรวมกันของหลักฐานมากมายที่แสดงว่าสิ่งนั้นไม่เกิดขึ้น ควบคู่ไปกับทฤษฎีพื้นฐานที่ประสบความสำเร็จอย่างมากในการทำนาย ซึ่งสมมติฐานของทฤษฎีนั้นนำไปสู่ข้อสรุปเชิงตรรกะว่าสิ่งนั้นเป็นไปไม่ได้ แม้ว่าข้อกล่าวอ้างเกี่ยวกับความเป็นไปไม่ได้ในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติจะไม่สามารถพิสูจน์ได้ แต่ก็สามารถหักล้างได้ด้วยการสังเกตตัวอย่างค้านเพียงตัวอย่างเดียว ตัวอย่างค้านดังกล่าวจะต้องมีการตรวจสอบสมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีที่บ่งชี้ถึงความเป็นไปไม่ได้อีกครั้ง

ดาราศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่ศึกษาวัตถุและปรากฏการณ์บนท้องฟ้า วัตถุที่น่าสนใจได้แก่ ดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ ดาวฤกษ์ เนบิวลา กาแล็กซี และดาวหาง ดาราศาสตร์คือการศึกษาทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลที่อยู่นอกเหนือชั้นบรรยากาศของโลก รวมถึงวัตถุที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ดาราศาสตร์เป็นหนึ่งในวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุด

นักดาราศาสตร์ในอารยธรรมยุคแรกๆ ได้ทำการสังเกตท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างเป็นระบบ และมีการค้นพบสิ่งประดิษฐ์ทางดาราศาสตร์จากยุคก่อนหน้านั้นมาก ดาราศาสตร์แบ่งออกเป็นสองประเภท คือ ดาราศาสตร์เชิงสังเกต และดาราศาสตร์เชิงทฤษฎี ดาราศาสตร์เชิงสังเกตมุ่งเน้นไปที่การเก็บรวบรวมและวิเคราะห์ข้อมูล โดยส่วนใหญ่ใช้หลักการพื้นฐานทางฟิสิกส์ ในทางตรงกันข้าม ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์หรือแบบจำลองเชิงวิเคราะห์เพื่ออธิบายวัตถุและปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์

สาขาวิชานี้เป็นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวัตถุและปรากฏการณ์ ทางดาราศาสตร์ ที่เกิดขึ้นนอกชั้นบรรยากาศของโลกเกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการฟิสิกส์เคมีอุตุนิยมวิทยาธรณีวิทยาและการเคลื่อนที่ของ วัตถุทาง ดาราศาสตร์รวมถึง การก่อ ตัว และการพัฒนาของจักรวาล

ดาราศาสตร์ครอบคลุมถึงการตรวจสอบ ศึกษา และสร้างแบบจำลองดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และดาวหาง ข้อมูลส่วนใหญ่ที่นักดาราศาสตร์ใช้ได้มาจากการสังเกตการณ์จากระยะไกล อย่างไรก็ตาม มีการจำลองปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ในห้องปฏิบัติการบ้างแล้ว (เช่น เคมีโมเลกุลของสสารระหว่างดาว ) ดาราศาสตร์มีความทับซ้อนกับฟิสิกส์ และ วิทยาศาสตร์โลกในบางด้านนอกจากนี้ยังมีสาขาวิชาสหวิทยาการ เช่นฟิสิกส์ดาราศาสตร์วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์และจักรวาลวิทยารวมถึงสาขาวิชาที่เกี่ยวข้อง เช่นฟิสิกส์อวกาศและเคมี ดาราศาสตร์

แม้ว่าการศึกษาลักษณะและปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์จะสามารถสืบย้อนไปได้ถึงสมัยโบราณ แต่ระเบียบวิธีทางวิทยาศาสตร์ในสาขานี้เริ่มพัฒนาขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 17 ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งคือ การที่ กาลิเลโอได้นำกล้องโทรทรรศน์มาใช้เพื่อตรวจสอบท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างละเอียดมากขึ้น

การศึกษาดาราศาสตร์ด้วยคณิตศาสตร์เริ่มต้นจากการพัฒนาทฤษฎีกลศาสตร์ท้องฟ้าและกฎแรงโน้มถ่วง ของ นิวตันอย่างไรก็ตาม จุดเริ่มต้นนั้นมาจากงานของนักดาราศาสตร์รุ่นก่อนๆ เช่นเคปเลอร์ในศตวรรษที่ 19 ดาราศาสตร์ได้พัฒนาเป็นวิทยาศาสตร์อย่างเป็นทางการ ด้วยการนำเครื่องมือต่างๆ มาใช้ เช่นสเปกโทรสโคปและการถ่ายภาพรวมถึงกล้องโทรทรรศน์ที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น และการสร้างหอดูดาวระดับมืออาชีพ

วิชาเคมี เป็นการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสสารใน ระดับ อะตอมและโมเลกุลโดยส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับกลุ่มของอะตอม เช่นแก๊สโมเลกุลผลึกและโลหะมีการศึกษาองค์ประกอบ คุณสมบัติทางสถิติ การเปลี่ยนแปลง และปฏิกิริยาของวัสดุเหล่านี้ นอกจากนี้ เคมียังเกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจคุณสมบัติและการปฏิสัมพันธ์ของอะตอมและโมเลกุลแต่ละตัวเพื่อนำไปใช้ในงานระดับที่ใหญ่ขึ้น

กระบวนการทางเคมีส่วนใหญ่สามารถศึกษาได้โดยตรงในห้องปฏิบัติการ โดยใช้เทคนิคต่างๆ (ซึ่งมักผ่านการทดสอบมาเป็นอย่างดี) ในการจัดการวัสดุ รวมถึงความเข้าใจในกระบวนการพื้นฐาน เคมีมักถูกเรียกว่า " วิทยาศาสตร์หลัก " เนื่องจากมีบทบาทในการเชื่อมโยงวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอื่นๆ เข้าด้วยกัน

การทดลองทางเคมีในยุคแรกมีรากฐานมาจากระบบเล่นแร่แปรธาตุซึ่งเป็นชุดความเชื่อที่ผสมผสานความลึกลับเข้ากับการทดลองทางฟิสิกส์ วิทยาศาสตร์เคมีเริ่มพัฒนาขึ้นจากผลงานของโรเบิร์ต บอยล์ผู้ค้นพบก๊าซและอองตวน ลาวัวซิเยร์ ผู้ พัฒนา ทฤษฎีการอนุรักษ์มวล

การค้นพบธาตุเคมีและทฤษฎีอะตอมได้เริ่มวางระบบวิทยาศาสตร์สาขานี้ และนักวิจัยได้พัฒนาความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับสถานะของสสารไอออนพันธะเคมีและปฏิกิริยาเคมีความสำเร็จของวิทยาศาสตร์สาขานี้ได้นำไปสู่อุตสาหกรรมเคมี ที่เสริมกัน ซึ่งปัจจุบันมีบทบาทสำคัญในเศรษฐกิจโลก

สาขาวิชานี้ครอบคลุมหลากหลายสาขาวิชาที่ศึกษาปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต ขอบเขตของการศึกษาสามารถมีตั้งแต่ชีวฟิสิกส์ ระดับย่อยไป จนถึงระบบนิเวศ ที่ซับซ้อน ชีววิทยาเกี่ยวข้องกับลักษณะการจำแนกประเภทและพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิตตลอดจนวิธี การกำเนิด ของสปีชีส์และการปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันและกับ สิ่งแวดล้อม

สาขาชีววิทยา เช่นพฤกษศาสตร์สัตววิทยาและการแพทย์มีมาตั้งแต่ยุคแรกเริ่มของอารยธรรม ในขณะที่จุลชีววิทยาถูกนำเข้ามาในศตวรรษที่ 17 พร้อมกับการประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์ อย่างไรก็ตาม ชีววิทยาได้กลายเป็นวิทยาศาสตร์ที่เป็นเอกภาพอย่างแท้จริงก็ในศตวรรษที่ 19 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ค้นพบความเหมือนกันระหว่างสิ่งมีชีวิตทั้งหมด จึงตัดสินใจว่าควรศึกษาสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นในภาพรวม

ความก้าวหน้าสำคัญบางประการในสาขาชีววิทยา ได้แก่ การค้นพบพันธุศาสตร์วิวัฒนาการผ่านการคัดเลือกโดยธรรมชาติทฤษฎีเชื้อโรคและการประยุกต์ใช้เทคนิคทางเคมีและฟิสิกส์ในระดับเซลล์หรือโมเลกุล อินทรีย์

ชีววิทยาสมัยใหม่แบ่งออกเป็นสาขาย่อยตามประเภทของสิ่งมีชีวิตและตามระดับที่ศึกษาชีววิทยาระดับโมเลกุลเป็นการศึกษาเคมีพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ในขณะที่ชีววิทยาระดับเซลล์เป็นการตรวจสอบเซลล์ ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ในระดับที่สูงขึ้นกายวิภาคศาสตร์และสรีรวิทยาศึกษาโครงสร้างภายในและหน้าที่ของสิ่งมีชีวิต ในขณะที่นิเวศวิทยาศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตต่างๆ

วิทยาศาสตร์โลก ( หรือที่รู้จักกันในชื่อธรณีวิทยา) เป็นคำที่ครอบคลุมวิทยาศาสตร์ทุกแขนงที่เกี่ยวข้องกับโลกรวมถึงธรณีวิทยาภูมิศาสตร์ธรณีฟิสิกส์ธรณีเคมีภูมิอากาศวิทยาธารน้ำแข็งวิทยาอุทกวิทยาอุตุนิยมวิทยาและสมุทรศาสตร์

แม้ว่าการทำเหมืองแร่และอัญมณีจะเป็นสิ่งที่มนุษย์ให้ความสนใจมาตลอดประวัติศาสตร์อารยธรรม แต่การพัฒนาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง เช่นธรณีวิทยาเศรษฐกิจและแร่ธาตุวิทยาเพิ่งเกิดขึ้นในศตวรรษที่ 18 การศึกษาเกี่ยวกับโลก โดยเฉพาะอย่างยิ่งบรรพชีวินวิทยา เฟื่องฟูในศตวรรษที่ 19 การเติบโตของสาขาวิชาอื่นๆ เช่นธรณีฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20 นำไปสู่การพัฒนาทฤษฎีแผ่นเปลือกโลกในทศวรรษ 1960 ซึ่งมีผลกระทบต่อวิทยาศาสตร์โลกคล้ายกับที่ทฤษฎีวิวัฒนาการมีต่อชีววิทยา ปัจจุบันวิทยาศาสตร์โลกมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับปิโตรเลียมและทรัพยากรแร่การวิจัยสภาพภูมิอากาศและ การประเมิน และการ ฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม

แม้ว่าบางครั้งจะถูกพิจารณาควบคู่ไปกับวิทยาศาสตร์โลก แต่เนื่องจากการพัฒนาแนวคิด เทคนิค และการปฏิบัติที่เป็นอิสระ และข้อเท็จจริงที่ว่ามีสาขาย่อยมากมายภายใต้การดูแลวิทยาศาสตร์บรรยากาศจึงถือเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแยกต่างหาก สาขานี้ศึกษาลักษณะของชั้นบรรยากาศที่แตกต่างกันตั้งแต่ระดับพื้นดินไปจนถึงขอบอวกาศ ช่วงเวลาของการศึกษาก็แตกต่างกันไปตั้งแต่ระดับวันไปจนถึงระดับศตวรรษ บางครั้งสาขานี้ยังรวมถึงการศึกษารูปแบบภูมิอากาศบนดาวเคราะห์ดวงอื่นที่ไม่ใช่โลกด้วย^{[ 10 ]}

การศึกษามหาสมุทรอย่างจริงจังเริ่มขึ้นในศตวรรษที่ 19 ในฐานะสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ มันค่อนข้างใหม่ แต่มีหลักสูตรเฉพาะทางที่เปิดสอนในสาขานี้ แม้ว่าจะยังคงมีข้อโต้แย้งเกี่ยวกับการจัดประเภทสาขานี้ภายใต้สาขาวิทยาศาสตร์โลก วิทยาศาสตร์สหวิทยาการ หรือเป็นสาขาแยกต่างหาก แต่ผู้ทำงานสมัยใหม่ส่วนใหญ่ในสาขานี้เห็นพ้องต้องกันว่าสาขานี้ได้เติบโตจนถึงขั้นที่มีแบบแผนและแนวปฏิบัติของตนเองแล้ว^{[ 11 ]}

วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์หรือวิทยาดาวเคราะห์ คือการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับดาวเคราะห์ ซึ่งรวมถึงดาวเคราะห์ภาคพื้นดินเช่น โลก และดาวเคราะห์ประเภทอื่นๆ เช่นดาวเคราะห์แก๊สยักษ์และดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ยังเกี่ยวข้องกับวัตถุทางดาราศาสตร์อื่นๆ เช่นดาวเคราะห์แคระดวงจันทร์ดาวเคราะห์น้อยและดาวหางซึ่งส่วนใหญ่ครอบคลุมระบบสุริยะแต่ในปัจจุบันเริ่มขยายไปสู่ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ โดยเฉพาะดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่ มี ลักษณะคล้าย โลก วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์สำรวจวัตถุต่างๆ ตั้งแต่ไมโครอุกกาบาตไปจนถึงดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ เพื่อศึกษาองค์ประกอบ การเคลื่อนที่ การกำเนิด ความสัมพันธ์ และประวัติความเป็นมา วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์เป็นสาขาวิชาสหวิทยาการ มีต้นกำเนิดมาจากดาราศาสตร์และวิทยาศาสตร์โลกและปัจจุบันครอบคลุมหลายสาขา เช่นธรณีวิทยาดาวเคราะห์เคมีจักรวาลวิทยาศาสตร์บรรยากาศฟิสิกส์สมุทรศาสตร์อุทกวิทยาวิทยาดาวเคราะห์เชิงทฤษฎีธารน้ำแข็งวิทยาและวิทยาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ สาขาที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ฟิสิกส์อวกาศซึ่งศึกษาผลกระทบของดวงอาทิตย์ต่อวัตถุต่างๆ ในระบบสุริยะ และชีววิทยาอวกาศ

วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ประกอบด้วยสาขาการสังเกตการณ์และทฤษฎีที่เชื่อมโยงกัน การวิจัยเชิงสังเกตการณ์เกี่ยวข้องกับการสำรวจอวกาศโดยส่วนใหญ่ผ่านภารกิจยานอวกาศหุ่นยนต์ที่ใช้การสำรวจระยะไกลและงานทดลองเปรียบเทียบที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการบนโลก ส่วนด้านทฤษฎีเกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์อย่าง กว้างขวาง

โดยทั่วไป นักวิทยาศาสตร์ด้านดาวเคราะห์มักทำงานอยู่ในภาควิชาดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ หรือวิทยาศาสตร์โลก ในมหาวิทยาลัยหรือศูนย์วิจัย อย่างไรก็ตาม ทั่วโลกก็มีสถาบันวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์โดยเฉพาะเช่นกัน โดยทั่วไปแล้ว ผู้ที่ต้องการประกอบอาชีพด้านวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จะศึกษาต่อในระดับบัณฑิตศึกษาในสาขาวิทยาศาสตร์โลก ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ธรณีฟิสิกส์ หรือฟิสิกส์ จากนั้นจึงมุ่งเน้นการวิจัยในสาขาวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ มีการจัดประชุมวิชาการใหญ่เป็นประจำทุกปี และมีวารสารวิชาการที่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ จำนวนมาก ที่ครอบคลุมความสนใจในการวิจัยที่หลากหลายในสาขาวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์บางคนทำงานในศูนย์วิจัยเอกชนและมักมีส่วนร่วมในโครงการวิจัยร่วมกับผู้อื่น

ฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับองค์ประกอบพื้นฐานของจักรวาลแรง และปฏิสัมพันธ์ที่ องค์ประกอบเหล่านั้นกระทำต่อกัน และผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์เหล่านั้น โดยทั่วไปแล้ว ฟิสิกส์ถือเป็นศาสตร์พื้นฐาน เพราะวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอื่นๆ ทั้งหมดใช้และปฏิบัติตามหลักการและกฎของฟิสิกส์ ฟิสิกส์พึ่งพาคณิตศาสตร์ อย่างมาก โดยเฉพาะแคลคูลัสในฐานะกรอบตรรกะสำหรับการกำหนดและวัดปริมาณหลักการต่างๆ

การศึกษาหลักการของจักรวาลมีประวัติศาสตร์อันยาวนานและส่วนใหญ่มาจากการสังเกตและการทดลองโดยตรง การกำหนดทฤษฎีเกี่ยวกับกฎที่ควบคุมจักรวาลเป็นหัวใจสำคัญของการศึกษาฟิสิกส์มาตั้งแต่ยุคแรกเริ่ม โดยปรัชญาค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยการทดสอบและการสังเกตเชิงทดลองเชิงปริมาณอย่างเป็นระบบในฐานะแหล่งที่มาของการตรวจสอบ พัฒนาการสำคัญทางประวัติศาสตร์ในฟิสิกส์ ได้แก่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงสากลและกลศาสตร์คลาสสิกของไอแซค นิวตันความเข้าใจเกี่ยวกับไฟฟ้าและความสัมพันธ์กับแม่เหล็กทฤษฎี สัมพัทธภาพ พิเศษและทั่วไปของไอน์สไตน์การพัฒนาอุณหพลศาสตร์และ แบบจำลอง กลศาสตร์ควอนตัมของฟิสิกส์อะตอมและอนุอะตอม

สาขาฟิสิกส์นั้นกว้างขวางและครอบคลุมการศึกษาที่หลากหลาย เช่นกลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์เชิงทฤษฎีฟิสิกส์ประยุกต์และทัศนศาสตร์ฟิสิกส์สมัยใหม่กำลังมีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านมากขึ้น โดยนักวิจัยมักจะมุ่งเน้นไปที่สาขาใดสาขาหนึ่งโดยเฉพาะ มากกว่าที่จะเป็น "นักคิดรอบด้าน" อย่างเช่นไอแซค นิวตันอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์และเลฟ แลนเดาซึ่งทำงานในหลายสาขา

ความแตกต่างระหว่างสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติไม่ได้ชัดเจนเสมอไป และหลายสาขาก็มีความเกี่ยวข้องกันในหลายด้าน ฟิสิกส์มีบทบาทสำคัญในวิทยาศาสตร์ธรรมชาติอื่นๆ เช่นฟิสิกส์ดาราศาสตร์ธรณีฟิสิกส์ฟิสิกส์เคมีและชีวฟิสิกส์ในทำนองเดียวกัน เคมีก็มีสาขาต่างๆ เช่นชีวเคมีเคมีเชิงฟิสิกส์ธรณีเคมีและเคมี ดาราศาสตร์

ตัวอย่างหนึ่งของสาขาวิทยาศาสตร์ที่ดึงเอาความรู้จากวิทยาศาสตร์ธรรมชาติหลายแขนงมาใช้คือวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อมสาขานี้ศึกษาปฏิสัมพันธ์ขององค์ประกอบทางกายภาพ เคมี ธรณีวิทยา และชีวภาพของสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบจากกิจกรรมของมนุษย์และผลกระทบต่อความหลากหลายทางชีวภาพและความยั่งยืนวิทยาศาสตร์สาขานี้ยังดึงเอาความเชี่ยวชาญจากสาขาอื่นๆ มาใช้ด้วย เช่น เศรษฐศาสตร์ กฎหมาย และสังคมศาสตร์

สาขาวิชาที่เทียบเคียงได้คือสมุทรศาสตร์เนื่องจากครอบคลุมสาขาวิทยาศาสตร์ที่หลากหลายเช่นเดียวกัน สมุทรศาสตร์ยังแบ่งย่อยออกเป็นสาขาเฉพาะทางที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่นสมุทรศาสตร์กายภาพและชีววิทยาทางทะเลเนื่องจากระบบนิเวศทางทะเลกว้างใหญ่และมีความหลากหลาย ชีววิทยาทางทะเลจึงแบ่งย่อยออกเป็นสาขาย่อยอีกมากมาย รวมถึงความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในสิ่ง มี ชีวิต แต่ละ ชนิด

นอกจากนี้ยังมีสาขาสหวิทยาการย่อยๆ ที่มีกระแสความคิดที่แข็งแกร่งซึ่งขัดแย้งกับการเชี่ยวชาญเฉพาะด้านโดยธรรมชาติของปัญหาที่พวกเขากำลังแก้ไข กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในบางสาขาของการประยุกต์ใช้แบบบูรณาการ ผู้เชี่ยวชาญในหลายสาขาเป็นส่วนสำคัญของวาทกรรมทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ สาขาแบบบูรณาการดังกล่าว ตัวอย่างเช่นนาโนวิทยาดาราชีววิทยาและ สารสนเทศระบบที่ซับซ้อน

วิทยาศาสตร์วัสดุเป็นสาขาใหม่และสหวิทยาการที่เกี่ยวข้องกับการศึกษาเรื่องสสารและคุณสมบัติของสสาร ตลอดจนการค้นพบและการออกแบบวัสดุใหม่ๆ เดิมทีพัฒนามาจากสาขาโลหะวิทยาการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุและของแข็งได้ขยายขอบเขตไปสู่วัสดุทุกชนิดแล้ว สาขานี้ครอบคลุมถึงเคมี ฟิสิกส์ และการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมของวัสดุ รวมถึงโลหะ เซรามิก โพลิเมอร์สังเคราะห์ และอื่นๆ อีกมากมาย แก่นแท้ของสาขานี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมโยงโครงสร้างของวัสดุกับคุณสมบัติของวัสดุเหล่านั้น

วิทยาศาสตร์วัสดุเป็นหัวใจสำคัญของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เป็นส่วนสำคัญของวิศวกรรมนิติวิทยาศาสตร์ (การตรวจสอบวัสดุ ผลิตภัณฑ์ โครงสร้าง หรือส่วนประกอบที่ชำรุดหรือใช้งานไม่ได้ตามที่ตั้งใจไว้ ทำให้เกิดการบาดเจ็บหรือความเสียหายต่อทรัพย์สิน) และการวิเคราะห์ความล้มเหลวซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจสาเหตุของอุบัติเหตุทางการบินต่างๆ เป็นต้น ปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่เร่งด่วนที่สุดในปัจจุบันหลายอย่างเกิดจากข้อจำกัดของวัสดุที่มีอยู่ และด้วยเหตุนี้ ความก้าวหน้าในสาขานี้จึงมีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบอย่างมากต่ออนาคตของเทคโนโลยี

พื้นฐานของวิทยาศาสตร์วัสดุเกี่ยวข้องกับการศึกษาโครงสร้างของวัสดุและเชื่อมโยงโครงสร้างนั้นกับคุณสมบัติ ของวัสดุ เมื่อเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติแล้ว นักวิทยาศาสตร์วัสดุจึงสามารถศึกษาประสิทธิภาพของวัสดุในแอปพลิเคชันเฉพาะได้ ปัจจัยหลักที่กำหนดโครงสร้างของวัสดุและคุณสมบัติของวัสดุนั้น คือ ธาตุเคมีที่เป็นส่วนประกอบและวิธีการแปรรูปวัสดุให้เป็นรูปทรงสุดท้าย ลักษณะเหล่านี้ เมื่อนำมารวมกันและเชื่อมโยงกันผ่านกฎของอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ จะควบคุม โครงสร้างจุลภาคของวัสดุและคุณสมบัติของวัสดุนั้น

นักวิชาการบางคนสืบย้อนต้นกำเนิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติไปถึงสังคมมนุษย์ก่อนยุคการเขียน ซึ่งการเข้าใจโลกธรรมชาติเป็นสิ่งจำเป็นต่อการอยู่รอด^{[ 12 ]}ผู้คนสังเกตและสะสมความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมของสัตว์และประโยชน์ของพืชในฐานะอาหารและยา ซึ่งส่งต่อจากรุ่นสู่รุ่น^{[ 12 ]}ความเข้าใจดั้งเดิมเหล่านี้นำไปสู่การสอบสวนที่เป็นทางการมากขึ้นในช่วงประมาณ 3500 ถึง 3000 ปีก่อนคริสตกาลใน วัฒนธรรม เมโสโปเตเมียและอียิปต์โบราณซึ่งก่อให้เกิดหลักฐานที่เป็นลายลักษณ์อักษรชิ้นแรกที่รู้จักของปรัชญาธรรมชาติซึ่งเป็นต้นกำเนิดของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ^{[ 13 ]}แม้ว่างานเขียนจะแสดงให้เห็นถึงความสนใจในดาราศาสตร์ คณิตศาสตร์ และแง่มุมอื่นๆ ของโลกทางกายภาพ แต่จุดมุ่งหมายสูงสุดของการสอบสวนเกี่ยวกับการทำงานของธรรมชาติในทุกกรณีนั้นเป็นเรื่องทางศาสนาหรือตำนาน ไม่ใช่เรื่องวิทยาศาสตร์^{[ 14 ]}

ประเพณีการสืบสวนทางวิทยาศาสตร์ยังเกิดขึ้นในจีนโบราณซึ่งนักเล่นแร่แปรธาตุและนักปรัชญาลัทธิเต๋า ได้ทดลองกับยาอายุวัฒนะเพื่อ ยืดอายุขัยและรักษาโรคภัยไข้เจ็บ^{[ 15 ]}พวกเขามุ่งเน้นไปที่หยินและหยางหรือธาตุที่ตรงข้ามกันในธรรมชาติ หยินเกี่ยวข้องกับความเป็นหญิงและความเย็น ในขณะที่หยางเกี่ยวข้องกับความเป็นชายและความอบอุ่น^{[ 16 ]}ธาตุทั้งห้า ได้แก่ ไฟ ดิน โลหะ ไม้ และน้ำ อธิบายถึงวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงในธรรมชาติ น้ำกลายเป็นไม้ ซึ่งกลายเป็นไฟเมื่อเผาไหม้ เถ้าถ่านที่เหลือจากไฟคือดิน^{[ 17 ]}โดยใช้หลักการเหล่านี้ นักปรัชญาและแพทย์ชาวจีนได้สำรวจกายวิภาคของมนุษย์ โดยจำแนกอวัยวะเป็นหยินหรือหยางเป็นหลัก และเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างชีพจร หัวใจ และการไหลเวียนของเลือดในร่างกายหลายศตวรรษก่อนที่จะได้รับการยอมรับในโลกตะวันตก^{[ 18 ]}

หลักฐานที่หลงเหลืออยู่เกี่ยวกับ ความเข้าใจธรรมชาติของวัฒนธรรม อินเดียโบราณรอบแม่น้ำสินธุ มีน้อยมาก แต่บางมุมมองของพวกเขาอาจสะท้อนอยู่ในพระเวท ซึ่งเป็น คัมภีร์ศักดิ์สิทธิ์ของศาสนาฮินดู^{[ 18 ]}คัมภีร์เหล่านี้เผยให้เห็นแนวคิดเกี่ยวกับจักรวาลที่ขยายตัวอย่างต่อเนื่องและมีการหมุนเวียนและก่อตัวขึ้นใหม่ตลอดเวลา^{[ 18 ]}ศัลยแพทย์ใน ประเพณี อายุรเวทมองว่าสุขภาพและความเจ็บป่วยเป็นผลรวมของธาตุทั้งสาม ได้แก่ลมน้ำดีและเสมหะ[ ^{18 ] ชีวิต}ที่มีสุขภาพดีเกิดจากความสมดุลของธาตุเหล่านี้^{[ 18 ]}ในความคิดของอายุรเวท ร่างกายประกอบด้วยธาตุทั้งห้า ได้แก่ ดิน น้ำ ไฟ ลม และอวกาศ^{[ 18 ]}ศัลยแพทย์อายุรเวททำการผ่าตัดที่ซับซ้อนและพัฒนาความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับกายวิภาคของมนุษย์^{[ 18 ]}

นักปรัชญา ก่อนยุคโสกราตีสใน วัฒนธรรม กรีกโบราณได้นำปรัชญาธรรมชาติเข้าใกล้การสอบถามโดยตรงเกี่ยวกับสาเหตุและผลในธรรมชาติมากขึ้นระหว่าง 600 ถึง 400 ปีก่อนคริสตกาล อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบของเวทมนตร์และตำนานยังคงอยู่^{[ 19 ]}ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ เช่น แผ่นดินไหวและสุริยุปราคา ได้รับการอธิบายมากขึ้นในบริบทของธรรมชาติเอง แทนที่จะถูกกล่าวหาว่าเป็นผลมาจากเทพเจ้าที่พิโรธ^{[ 19 ]}ธาเลสแห่งมิเลตุสนักปรัชญายุคแรกผู้มีชีวิตอยู่ระหว่าง 625 ถึง 546 ปีก่อนคริสตกาล ได้อธิบายแผ่นดินไหวโดยตั้งทฤษฎีว่าโลกลอยอยู่บนน้ำและน้ำเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในธรรมชาติ^{[ 20 ]}ในศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสตกาลลิวซิปปัสเป็นผู้สนับสนุนแนวคิดอะตอมนิยม ในยุคแรก ซึ่งเป็นแนวคิดที่ว่าโลกประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่แบ่งแยกไม่ได้^{[ 21 ]}พีทาโกรัสได้นำนวัตกรรมทางคณิตศาสตร์ของกรีกมาประยุกต์ใช้กับดาราศาสตร์และเสนอว่าโลกมี รูป ทรงกลม^{[ 21 ]}

ความคิดของ โสกราตีสและเพลโตในภายหลังมุ่งเน้นไปที่จริยธรรม ศีลธรรม และศิลปะ และไม่ได้พยายามสำรวจโลกทางกายภาพ เพลโตวิจารณ์นักคิดก่อนโสกราตีสว่าเป็นพวกวัตถุนิยมและต่อต้านศาสนา^{[ 22 ]} อย่างไรก็ตาม อริสโตเติลศิษย์ของเพลโตซึ่งมีชีวิตอยู่ระหว่างปี 384 ถึง 322 ก่อนคริสต์ศักราช ได้ให้ความสนใจกับโลกธรรมชาติในปรัชญาของเขามากขึ้น^{[ 23 ]}ในหนังสือประวัติศาสตร์สัตว์ ของเขา เขาได้อธิบายการทำงานภายในของสัตว์ 110 ชนิด รวมถึง^ปลากระเบนปลาแคทฟิชและผึ้ง [ ^{24 ]}เขาศึกษาตัวอ่อนของไก่โดยการแตกไข่และสังเกตพวกมันในระยะต่างๆ ของการพัฒนา^{[ 25 ]}ผลงานของอริสโตเติลมีอิทธิพลตลอดศตวรรษที่ 16 และเขาได้รับการยกย่องว่าเป็นบิดาแห่งชีววิทยาจากผลงานบุกเบิกของเขาในวิทยาศาสตร์สาขานี้^{[ 26 ]}เขายังนำเสนอปรัชญาเกี่ยวกับฟิสิกส์ ธรรมชาติ และดาราศาสตร์โดยใช้เหตุผลอุปนัยในผลงานของเขาเรื่องฟิสิกส์และอุตุนิยมวิทยา^{[ 27 ]}

แม้ว่าอริสโตเติลจะพิจารณาปรัชญาธรรมชาติอย่างจริงจังมากกว่านักปรัชญารุ่นก่อนๆ แต่เขาก็มองว่ามันเป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์เชิงทฤษฎี^{[ 28 ]}ถึงกระนั้น นักปรัชญา โรมันโบราณในช่วงต้นศตวรรษที่ 1 คริสต์ศักราช รวมถึงลูเครติอุส เซเนกาและพลินีผู้เฒ่า ก็ได้รับแรงบันดาลใจจากงานของเขา และได้เขียนตำราที่เกี่ยวข้องกับกฎของโลกธรรมชาติในระดับความลึกที่แตกต่างกัน^{[ 29 ]} นัก ปรัชญานีโอเพลโต นิสต์ โรมันโบราณหลายคนในช่วงศตวรรษที่ 3 ถึง 6 ยังได้ปรับคำสอนของอริสโตเติลเกี่ยวกับโลกทางกายภาพให้เข้ากับปรัชญาที่เน้นเรื่องจิตวิญญาณ^{[ 30 ]} นักปรัชญา ยุคกลางตอนต้นเช่นมาโครเบียสคัลซิดิอุสและมาร์เทียนัส คาเปลลาก็ได้ศึกษาโลกทางกายภาพ โดยส่วนใหญ่มาจากมุมมองทางจักรวาลวิทยาและภูมิศาสตร์จักรวาลโดยเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับการจัดเรียงของเทห์ฟากฟ้าและท้องฟ้า ซึ่งสันนิษฐานว่าประกอบด้วยอีเธอร์^{[ 31 ]}

ผลงานของอริสโตเติลเกี่ยวกับปรัชญาธรรมชาติยังคงได้รับการแปลและศึกษาต่อไปท่ามกลางการขึ้นมาของจักรวรรดิไบแซนไทน์และรัฐกาลิฟาอับบาซิด^{[ 32 ]}

ในจักรวรรดิไบแซนไทน์จอห์น ฟิโลโพนัสนักวิจารณ์อริสโตเติลชาวอเล็กซานเดรียและนักเทววิทยาคริสเตียน เป็นคนแรกที่ตั้งคำถามเกี่ยวกับการสอนฟิสิกส์ของอริสโตเติล ต่างจากอริสโตเติลที่อาศัยเหตุผลทางวาจาเป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์ ฟิโลโพนัสกลับอาศัยการสังเกตและโต้แย้งเพื่อการสังเกตแทนที่จะใช้เหตุผลทางวาจา^{[ 33 ]}เขาได้นำเสนอทฤษฎี แรงกระตุ้น การวิจารณ์หลักการทางฟิสิกส์ของอริสโตเติล โดยจอห์น ฟิโลโพนัส เป็นแรงบันดาลใจให้กาลิเลโอ กาลิเลอีในช่วงการปฏิวัติวิทยาศาสตร์^{[ 34 ] [ 35 ]}

การฟื้นฟูคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นในช่วงสมัยของราชวงศ์อับบาซิดตั้งแต่ศตวรรษที่ 9 เป็นต้นไป เมื่อนักวิชาการมุสลิมได้ขยายความปรัชญาธรรมชาติ ของกรีกและ อินเดีย^{[ 36 ]}คำว่าแอลกอฮอล์พีชคณิตและจุดสูงสุดล้วนมีรากศัพท์ มาจากภาษา อาหรับ^{[ 37 ]}

งานเขียนของอริสโตเติลและปรัชญาธรรมชาติของกรีกอื่นๆ ไม่ได้แพร่หลายไปยังโลกตะวันตกจนกระทั่งราวกลางศตวรรษที่ 12 เมื่อมีการแปลงานเขียนจากภาษากรีกและภาษาอาหรับเป็นภาษาละติน^{[ 38 ]}การพัฒนาอารยธรรมยุโรปในช่วงปลายยุคกลางนำมาซึ่งความก้าวหน้าเพิ่มเติมในปรัชญาธรรมชาติ^{[ 39 ]}สิ่งประดิษฐ์ของยุโรป เช่นเกือกม้าปลอกคอม้าและการหมุนเวียนพืช ผล ทำให้ประชากรเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในที่สุดก็นำไปสู่การขยายตัวของเมืองและการก่อตั้งโรงเรียนที่เชื่อมโยงกับอารามและมหาวิหารใน ประเทศฝรั่งเศสและอังกฤษในปัจจุบัน^{[ 40 ]}ด้วยความช่วยเหลือจากโรงเรียน แนวทางเทววิทยา คริสเตียน จึงพัฒนาขึ้นโดยมุ่งตอบคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติและเรื่องอื่นๆ โดยใช้ตรรกะ^{[ 41 ]}อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้ถูกมองโดยผู้คัดค้านบางคนว่าเป็นลัทธินอกรีต^{[ ​​41 ]}

ในศตวรรษที่ 12 นักวิชาการและนักปรัชญาชาวยุโรปตะวันตกได้ติดต่อกับองค์ความรู้ที่พวกเขาไม่เคยรู้จักมาก่อน นั่นคือผลงานจำนวนมากในภาษากรีกและอาหรับที่นักวิชาการอิสลามเก็บรักษาไว้^{[ 42 ]}ผ่านการแปลเป็นภาษาละติน ยุโรปตะวันตกได้รู้จักกับอริสโตเติลและปรัชญาธรรมชาติของเขา^{[ 42 ]}ผลงานเหล่านี้ได้รับการสอนในมหาวิทยาลัยใหม่ในปารีสและออกซ์ฟอร์ดในช่วงต้นศตวรรษที่ 13 แม้ว่าการปฏิบัติเช่นนี้จะไม่เป็นที่ยอมรับของคริสตจักรคาทอลิกก็ตาม^{[ 43 ]}พระราชกฤษฎีกาในปี 1210 จากสภาสังคายนาแห่งปารีสสั่งว่า "ห้ามจัดการบรรยายใดๆ ในปารีสไม่ว่าในที่สาธารณะหรือส่วนตัวโดยใช้หนังสือของอริสโตเติลเกี่ยวกับปรัชญาธรรมชาติหรือคำอธิบาย และเราห้ามสิ่งเหล่านี้ทั้งหมดโดยมีโทษถึงขั้นตัดขาดจากศาสนา" ^{[ 43 ]}

ในช่วงปลายยุคกลางนักปรัชญาชาวสเปนDominicus Gundissalinusได้แปลตำราของนักวิชาการชาวเปอร์เซียรุ่นก่อนAl-Farabiที่ชื่อว่าOn the Sciencesเป็นภาษาละติน โดยเรียกการศึกษาเกี่ยวกับกลศาสตร์ของธรรมชาติว่าScientia naturalisหรือวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ^{[ 44 ]} Gundissalinus ยังได้เสนอการจำแนกประเภทของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติในงานเขียนของเขาในปี 1150 ที่ชื่อว่า On the Division of Philosophy ^{[ 44 ]}นี่เป็นการจำแนกประเภทของวิทยาศาสตร์อย่างละเอียดครั้งแรกโดยอิงจากปรัชญากรีกและอาหรับที่มาถึงยุโรปตะวันตก^{[ 44 ]} Gundissalinus นิยามวิทยาศาสตร์ธรรมชาติว่า "วิทยาศาสตร์ที่พิจารณาเฉพาะสิ่งที่ไม่เป็นนามธรรมและมีการเคลื่อนไหว" ซึ่งตรงข้ามกับคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์ที่อาศัยคณิตศาสตร์^{[ 45 ]}ตามแบบของ Al-Farabi เขาได้แบ่งวิทยาศาสตร์ออกเป็นแปดส่วน ได้แก่ ฟิสิกส์ จักรวาลวิทยา อุตุนิยมวิทยา วิทยาศาสตร์แร่ และวิทยาศาสตร์พืชและสัตว์^{[ 45 ]}

ต่อมา นักปรัชญาได้จัดประเภทวิทยาศาสตร์ธรรมชาติของตนเองโรเบิร์ต คิลวาร์ดบีเขียนหนังสือเรื่อง On the Order of the Sciencesในศตวรรษที่ 13 ซึ่งจัดให้การแพทย์เป็นวิทยาศาสตร์เชิงกล เช่นเดียวกับเกษตรกรรม การล่าสัตว์ และการละคร ในขณะที่นิยามวิทยาศาสตร์ธรรมชาติว่าเป็นวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับวัตถุที่เคลื่อนที่^{[ 46 ]}โรเจอร์ เบคอนนักบวชและนักปรัชญาชาวอังกฤษ เขียนว่าวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเกี่ยวข้องกับ "หลักการของการเคลื่อนที่และการหยุดนิ่ง เช่น ในส่วนต่าง ๆ ของธาตุไฟ อากาศ ดิน และน้ำ และในสิ่งไม่มีชีวิตทั้งหมดที่ทำจากธาตุเหล่านั้น" ^{[ 47 ]}วิทยาศาสตร์เหล่านี้ยังครอบคลุมถึงพืช สัตว์ และวัตถุบนท้องฟ้าด้วย^{[ 47 ]}

ต่อมาในศตวรรษที่ 13 โทมัสอควินัส นักบวชคาทอลิกและนักเทววิทยา ได้นิยามวิทยาศาสตร์ธรรมชาติว่าเกี่ยวข้องกับ "สิ่งมีชีวิตที่เคลื่อนที่ได้" และ "สิ่งต่างๆ ที่ขึ้นอยู่กับสสารไม่เพียงแต่เพื่อการดำรงอยู่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเพื่อนิยามของพวกมันด้วย" ^{[ 48 ]}นักวิชาการในยุคกลางส่วนใหญ่เห็นพ้องกันว่าวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเกี่ยวข้องกับวัตถุที่เคลื่อนที่ อย่างไรก็ตาม มีความเห็นที่แตกต่างกันเกี่ยวกับการรวมสาขาต่างๆ เช่น การแพทย์ ดนตรี และทัศนวิสัย^{[ 49 ]}นักปรัชญาพิจารณาคำถามต่างๆ รวมถึงการมีอยู่ของสุญญากาศ การเคลื่อนที่สามารถก่อให้เกิดความร้อนได้หรือไม่ สีของรุ้ง การเคลื่อนที่ของโลก สารเคมีพื้นฐานมีอยู่จริงหรือไม่ และฝนก่อตัวขึ้นที่ใดในชั้นบรรยากาศ^{[ 50 ]}

ในช่วงหลายศตวรรษจนถึงปลายยุคกลาง วิทยาศาสตร์ธรรมชาติมักผสมผสานกับปรัชญาเกี่ยวกับเวทมนตร์และไสยศาสตร์^{[ 51 ]}ปรัชญาธรรมชาติปรากฏในรูปแบบต่างๆ ตั้งแต่ตำราไปจนถึงสารานุกรมและคำอธิบายเกี่ยวกับอริสโตเติล^{[ 52 ]}ปฏิสัมพันธ์ระหว่างปรัชญาธรรมชาติและศาสนาคริสต์มีความซับซ้อนในช่วงเวลานี้ นักเทววิทยาในยุคแรกๆ บางคน รวมถึงทาเทียนและยูเซบิอุสถือว่าปรัชญาธรรมชาติเป็นผลพวงจากวิทยาศาสตร์กรีกนอกรีตและมีความสงสัยในเรื่องนี้^{[ 53 ]}แม้ว่านักปรัชญาคริสเตียนรุ่นหลังบางคน รวมถึงอควินัส จะมองว่าวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเป็นวิธีการตีความพระคัมภีร์ แต่ความสงสัยนี้ยังคงอยู่จนถึงศตวรรษที่ 12 และ 13 ^{[ 54 ]}คำประณามในปี 1277ซึ่งห้ามการตั้งปรัชญาให้เท่าเทียมกับเทววิทยาและการถกเถียงเรื่องโครงสร้างทางศาสนาในบริบททางวิทยาศาสตร์ แสดงให้เห็นถึงความดื้อรั้นของผู้นำคาทอลิกในการต่อต้านการพัฒนาปรัชญาธรรมชาติแม้จากมุมมองทางเทววิทยา^{[ 55 ]}อควินัสและอัลเบอร์ตัส แม็กนัสนักเทววิทยาคาทอลิกอีกคนหนึ่งในยุคนั้น พยายามที่จะแยกเทววิทยาออกจากวิทยาศาสตร์ในงานเขียนของพวกเขา^{[ 56 ]} “ฉันไม่เห็นว่าการตีความอริสโตเติลของใครเกี่ยวข้องอะไรกับการสอนของศาสนา” เขาเขียนไว้ในปี 1271 ^{[ 57 ]}

ในศตวรรษที่ 16 และ 17 ปรัชญาธรรมชาติได้พัฒนาไปไกลกว่าการตีความอริสโตเติล เนื่องจากมีการค้นพบและแปลปรัชญากรีกยุคแรกมากขึ้น^{[ 58 ]}การประดิษฐ์แท่นพิมพ์ในศตวรรษที่ 15 การประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์และกล้องโทรทรรศน์ และการปฏิรูปศาสนาโปรเตสแตนต์ได้เปลี่ยนแปลงบริบททางสังคมที่การสืบสวนทางวิทยาศาสตร์พัฒนาขึ้นในโลกตะวันตกอย่างพื้นฐาน^{[ 58 ]} การค้นพบโลกใหม่ของคริส โตเฟอร์ โคลัมบัสได้เปลี่ยนมุมมองเกี่ยวกับองค์ประกอบทางกายภาพของโลก ในขณะที่การสังเกตการณ์ของโคเปอร์นิคัสไทโค บราเฮและกาลิเลโอได้นำเสนอภาพที่แม่นยำยิ่งขึ้นของระบบสุริยะแบบเฮลิโอเซนทริกและพิสูจน์ว่าทฤษฎีของอริสโตเติลเกี่ยวกับเทห์ฟากฟ้าหลายข้อเป็นเท็จ^{[ 59 ]}นักปรัชญาหลายคนในศตวรรษที่ 17 รวมถึงRené Descartes , Pierre Gassendi , Marin Mersenne , Nicolas Malebranche , Thomas Hobbes , John LockeและFrancis Baconได้แยกตัวออกจากอดีตโดยการปฏิเสธอริสโตเติลและผู้ติดตามในยุคกลางของเขาโดยสิ้นเชิง โดยเรียกแนวทางของพวกเขาเกี่ยวกับปรัชญาธรรมชาติว่าผิวเผิน^{[ 60 ]}

ชื่อผลงานของกาลิเลโอเรื่อง " วิทยาศาสตร์ใหม่สองแขนง"และโยฮันเนส เคปเลอร์เรื่อง " ดาราศาสตร์ใหม่"เน้นย้ำบรรยากาศแห่งการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในศตวรรษที่ 17 เมื่ออริสโตเติลถูกปฏิเสธและหันมาใช้วิธีการสืบสวนสอบสวนแบบใหม่เกี่ยวกับโลกธรรมชาติแทน^{[ 62 ]}เบคอนมีบทบาทสำคัญในการเผยแพร่การเปลี่ยนแปลงนี้ เขาโต้แย้งว่าผู้คนควรใช้ศิลปะและวิทยาศาสตร์เพื่อควบคุมธรรมชาติ^{[ 63 ]}เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เขาเขียนว่า "ชีวิตมนุษย์ [ต้อง] ได้รับการค้นพบและพลังอำนาจ" ^{[ 64 ]}เขาให้นิยามปรัชญาธรรมชาติว่า "ความรู้เกี่ยวกับสาเหตุและการเคลื่อนไหวที่ซ่อนเร้นของสิ่งต่างๆ และการขยายขอบเขตของอาณาจักรมนุษย์ เพื่อให้บรรลุทุกสิ่งที่เป็นไปได้" ^{[ 62 ]}เบคอนเสนอว่าการสืบสวนทางวิทยาศาสตร์ควรได้รับการสนับสนุนจากรัฐและได้รับการสนับสนุนจากการวิจัยร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นวิสัยทัศน์ที่ไม่เคยมีมาก่อนในขอบเขต ความทะเยอทะยาน และรูปแบบในขณะนั้น^{[ 64 ]}

นักปรัชญาธรรมชาติเริ่มมองธรรมชาติมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็นกลไกที่สามารถแยกส่วนและทำความเข้าใจได้ คล้ายกับนาฬิกาที่ซับซ้อน^{[ 65 ]}นักปรัชญาธรรมชาติ ได้แก่ไอแซค นิวตัน , เอวานเจลิสตา ตอร์ริเชลลีและฟรานเชสโก เรดี , เอ็ดเม มาริออตต์ , ฌอง-แบปติสต์ เดนิสและฌาคส์ โรฮอลต์ได้ทำการทดลองโดยมุ่งเน้นไปที่การไหลของน้ำ การวัดความดันบรรยากาศโดยใช้บารอมิเตอร์และ การพิสูจน์ว่าการ กำเนิดโดย ธรรมชาติไม่เป็นความจริง [ ^{66 ]}สมาคมวิทยาศาสตร์และวารสารวิทยาศาสตร์เกิดขึ้นและเผยแพร่อย่างกว้างขวางผ่านแท่นพิมพ์ ทำให้เกิดการปฏิวัติวิทยาศาสตร์ [ ^{67 ] ใน}ปี ค.ศ. 1687 นิวตันได้ตีพิมพ์หนังสือ^{หลักการ}ทางคณิตศาสตร์ของปรัชญาธรรมชาติหรือPrincipia Mathematicaซึ่งวางรากฐานสำหรับกฎทางฟิสิกส์ที่ยังคงใช้กันอยู่จนถึงศตวรรษที่ 19 ^{[ 68 ]}

นักวิชาการสมัยใหม่บางคน รวมถึง Andrew Cunningham, Perry Williams และFloris Cohenโต้แย้งว่าปรัชญาธรรมชาติไม่ควรเรียกว่าวิทยาศาสตร์ และการสืบสวนทางวิทยาศาสตร์ที่แท้จริงเริ่มต้นขึ้นพร้อมกับการปฏิวัติวิทยาศาสตร์เท่านั้น^{[ 69 ]}ตามที่ Cohen กล่าวไว้ว่า "การปลดปล่อยวิทยาศาสตร์จากสิ่งที่เรียกว่า 'ปรัชญาธรรมชาติ' ถือเป็นลักษณะเด่นประการหนึ่งของการปฏิวัติวิทยาศาสตร์" ^{[ 69 ]}นักประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์คนอื่นๆ รวมถึงEdward Grantโต้แย้งว่าการปฏิวัติวิทยาศาสตร์ที่เฟื่องฟูในศตวรรษที่ 17, 18 และ 19 เกิดขึ้นเมื่อหลักการที่เรียนรู้ในวิทยาศาสตร์ที่แม่นยำ เช่น ทัศนศาสตร์ กลศาสตร์ และดาราศาสตร์ เริ่มถูกนำไปใช้กับคำถามที่เกิดขึ้นจากปรัชญาธรรมชาติ^{[ 69 ]} Grant โต้แย้งว่านิวตันพยายามเปิดเผยพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ของธรรมชาติ ซึ่งเป็นกฎที่ไม่เปลี่ยนแปลงที่ธรรมชาติปฏิบัติตาม และในการทำเช่นนั้น เขาได้รวมปรัชญาธรรมชาติและคณิตศาสตร์เข้าด้วยกันเป็นครั้งแรก ทำให้เกิดผลงานชิ้นแรกๆ ของฟิสิกส์สมัยใหม่^{[ 70 ]}

การปฏิวัติวิทยาศาสตร์ซึ่งเริ่มแพร่หลายในศตวรรษที่ 17 ถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญจากวิธีการสืบสวนแบบอริสโตเติล^{[ 71 ]}หนึ่งในความก้าวหน้าหลักคือการใช้วิธีการทางวิทยาศาสตร์เพื่อศึกษาธรรมชาติ มีการเก็บรวบรวมข้อมูลและทำการวัดซ้ำได้ ใน การทดลอง^{[ 72 ]}จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็สร้างสมมติฐานเพื่ออธิบายผลลัพธ์ของการทดลองเหล่านี้^{[ 73 ]}จากนั้นสมมติฐานก็ถูกทดสอบโดยใช้หลักการพิสูจน์ความเท็จเพื่อพิสูจน์หรือหักล้างความถูกต้อง^{[ 73 ]}วิทยาศาสตร์ธรรมชาติยังคงถูกเรียกว่าปรัชญาธรรมชาติ แต่การนำวิธีการทางวิทยาศาสตร์มาใช้ทำให้วิทยาศาสตร์ก้าวข้ามขอบเขตของการคาดเดาทางปรัชญาและนำเสนอวิธีการตรวจสอบธรรมชาติที่มีโครงสร้างมากขึ้น^{[ 71 ]}

นิวตัน นักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เป็นบุคคลสำคัญในยุคปฏิวัติวิทยาศาสตร์^{[ 74 ]}โดยอาศัยความก้าวหน้าทางดาราศาสตร์ที่โคเปอร์นิคัส บราเฮ และเคปเลอร์ได้ทำไว้ นิวตันได้กำหนดกฎแรงโน้มถ่วงสากลและกฎการเคลื่อนที่ [ ^{75 ] กฎ}เหล่านี้ใช้ได้ทั้งบนโลกและในอวกาศ รวมสองขอบเขตของโลกทางกายภาพที่เคยคิดว่าทำงานแยกจากกันตามกฎทางฟิสิกส์ที่แยกจากกัน^{[ 76 ]}ตัวอย่างเช่น นิวตันแสดงให้เห็นว่าน้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากแรงดึงดูดของดวงจันทร์ [ ^{77 ] ความ}ก้าวหน้าอีกประการหนึ่งของนิวตันคือการทำให้คณิตศาสตร์เป็นเครื่องมืออธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่มีประสิทธิภาพ^{[ 78 ]}แม้ว่านักปรัชญาธรรมชาติจะใช้คณิตศาสตร์เป็นวิธีการวัดและวิเคราะห์มานานแล้ว แต่หลักการของคณิตศาสตร์ก็ไม่ได้ถูกนำมาใช้เป็นวิธีการทำความเข้าใจสาเหตุและผลในธรรมชาติจนกระทั่งนิวตัน^{[ 78 ]}

ในศตวรรษที่ 18 และ 19 นักวิทยาศาสตร์หลายคน รวมถึงCharles-Augustin de Coulomb , Alessandro VoltaและMichael Faradayได้ต่อยอดจากกลศาสตร์ของนิวตันโดยการสำรวจแม่เหล็กไฟฟ้าหรือปฏิสัมพันธ์ของแรงกับประจุบวกและประจุลบในอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า^{[ 79 ]} Faraday เสนอว่าแรงในธรรมชาติทำงานใน " สนาม " ที่เติมเต็มพื้นที่^{[ 80 ]}แนวคิดเรื่องสนามนี้แตกต่างจากแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงของนิวตันที่เป็นเพียง "การกระทำจากระยะไกล" หรือแรงดึงดูดของวัตถุโดยไม่มีสิ่งใดในพื้นที่ระหว่างวัตถุเหล่านั้นมาแทรกแซง^{[ 80 ]} James Clerk Maxwellในศตวรรษที่ 19 ได้รวมการค้นพบเหล่านี้เข้าด้วยกันในทฤษฎีพลศาสตร์ไฟฟ้าที่ สอดคล้องกัน ^{[ 79 ]}โดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์และการทดลอง Maxwell ค้นพบว่าพื้นที่เต็มไปด้วยอนุภาคที่มีประจุซึ่งสามารถกระทำต่อกันได้ และเป็นตัวกลางในการส่งผ่านคลื่นที่มีประจุ^{[ 79 ]}

ความก้าวหน้าที่สำคัญในวิชาเคมีเกิดขึ้นในช่วงการปฏิวัติวิทยาศาสตร์เช่นกันอองตวน ลาวัวซิเยร์นักเคมีชาวฝรั่งเศส ได้หักล้างทฤษฎีฟลอจิสตันซึ่งกล่าวว่าสิ่งต่างๆ ลุกไหม้โดยการปล่อย "ฟลอจิสตัน" ออกสู่อากาศ^{[ 80 ]}โจเซฟ พรีสต์ลีย์ค้นพบออกซิเจนในศตวรรษที่ 18 แต่ลาวัวซิเยร์ค้นพบว่าการเผาไหม้เป็นผลมาจากการออกซิเดชัน^{[ 80 ]}เขายังสร้างตารางธาตุ 33 ธาตุและคิดค้นระบบการตั้งชื่อทางเคมีสมัยใหม่^{[ 80 ]}วิทยาศาสตร์ชีวภาพอย่างเป็นทางการยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นในศตวรรษที่ 18 เมื่อจุดสนใจอยู่ที่การจำแนกและจัดหมวดหมู่สิ่งมีชีวิตตามธรรมชาติ การเติบโตในประวัติศาสตร์ธรรมชาติ ครั้งนี้ ได้รับการนำโดยคาร์ล ลินเนียสซึ่งอนุกรมวิธานของโลกธรรมชาติในปี 1735 ของเขายังคงใช้กันอยู่ ลินเนียสได้แนะนำชื่อวิทยาศาสตร์สำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิดของเขา ในช่วงทศวรรษ 1750 ^{[ 81 ]}

ในศตวรรษที่ 19 การศึกษาด้านวิทยาศาสตร์ได้กลายเป็นขอบเขตของผู้เชี่ยวชาญและสถาบันต่างๆ และค่อยๆ ได้รับชื่อที่ทันสมัยมากขึ้นว่าวิทยาศาสตร์ธรรมชาติคำว่านักวิทยาศาสตร์ถูกบัญญัติโดยวิลเลียม เวเวลล์ ในบทวิจารณ์หนังสือ On the Connexion of the Sciencesของแมรี ซอมเมอร์วิลล์ในปี 1834 ^{[ 82 ]}แต่คำนี้ไม่ได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายจนกระทั่งเกือบสิ้นศตวรรษเดียวกัน^{[ 83 ] [ 84 ]}

ตามตำราที่มีชื่อเสียงในปี 1923 เรื่องThermodynamics and the Free Energy of Chemical SubstancesโดยนักเคมีชาวอเมริกันGilbert N. Lewisและนักเคมีฟิสิกส์ชาวอเมริกันMerle Randall ^{[ 85 ]}วิทยาศาสตร์ธรรมชาติประกอบด้วยสาขาใหญ่สามสาขา:

นอกเหนือจากวิทยาศาสตร์เชิงตรรกะและคณิตศาสตร์แล้ว ยังมีสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ ที่สำคัญอีกสามสาขา ที่โดดเด่นด้วยความหลากหลายของข้อสรุปที่กว้างไกลซึ่งได้มาจากสมมติฐานหลักจำนวนเล็กน้อย ได้แก่กลศาสตร์ไฟฟ้าพลศาสตร์และอุณหพลศาสตร์^{[ 86 ]}

ในปัจจุบัน วิทยาศาสตร์ธรรมชาติมักถูกแบ่งออกเป็นวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เช่น พฤกษศาสตร์และสัตววิทยา และวิทยาศาสตร์กายภาพ ซึ่งรวมถึงฟิสิกส์ เคมี ดาราศาสตร์ และวิทยาศาสตร์โลก

• สาขาวิทยาศาสตร์
• ประสบการณ์นิยม
• รายชื่อสาขาวิชาและสาขาย่อยทางวิชาการ
• ประวัติศาสตร์ธรรมชาติ
• วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ (เคมบริดจ์)สำหรับหลักสูตรTriposที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์

• นิยามวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ Ledoux, SF, 2002: นิยามวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ, Behaviourology Today , 5(1) , 34–36.
• Stokes, Donald E. (1997). Pasteur's Quadrant: Basic Science and Technological Innovation . ปรับปรุงและแปลโดย Albert V. Carozzi และ Marguerite Carozzi. วอชิงตัน ดี.ซี.: สำนักพิมพ์ Brookings Institution . ISBN 978-0-8157-8177-6.

ค้นหาคำว่า "วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ"ในวิกิพีเดีย ซึ่งเป็นพจนานุกรมออนไลน์ฟรี

• ประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่
• วิทยาศาสตร์ธรรมชาติประกอบด้วยข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับการวิจัยในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ รวมถึงชีววิทยา ภูมิศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ด้านสิ่งมีชีวิตและโลก
• บทวิจารณ์หนังสือเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติเว็บไซต์นี้รวบรวมบทวิจารณ์หนังสือเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ธรรมชาติที่เคยตีพิมพ์แล้วกว่า 50 เรื่อง รวมถึงบทความคัดสรรเกี่ยวกับหัวข้อที่น่าสนใจในสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติ
• ฐานข้อมูลการให้ทุนสนับสนุนงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ประกอบด้วยรายละเอียดของโครงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์กว่า 2,000,000 โครงการที่ดำเนินการในช่วง 25 ปีที่ผ่านมา
• E!Scienceแหล่งรวบรวมข่าววิทยาศาสตร์ที่ทันสมัยจากแหล่งข้อมูลสำคัญ รวมถึงมหาวิทยาลัยต่างๆ