Khoa học tự nhiên và đối tượng nghiên cứu

Khoa học tự nhiên là gì?

Khoa học tự nhiên là hệ thống tri thức nghiên cứu thế giới tự nhiên bằng quan sát, đo lường, thực nghiệm và lập luận dựa trên bằng chứng. Đối tượng của lĩnh vực này bao gồm cả tự nhiên không sống và tự nhiên sống, từ những thành phần rất nhỏ của vật chất đến các hệ thống lớn như sinh quyển, Trái Đất và các thiên thể.

Điểm quan trọng của khoa học tự nhiên là không dừng ở việc mô tả rằng một sự việc “đã xảy ra”. Một nghiên cứu khoa học thường tiếp tục đặt các câu hỏi: hiện tượng xảy ra trong điều kiện nào, yếu tố nào tác động đến nó, các đại lượng liên quan thay đổi ra sao và kết quả có thể được kiểm chứng hay lặp lại hay không.

Chẳng hạn, quan sát thấy một vật rơi là ghi nhận hiện tượng. Nghiên cứu chuyển động của vật, lực tác dụng lên vật và mối quan hệ giữa các đại lượng mới giúp hình thành hiểu biết khoa học về hiện tượng đó.

Đối tượng nghiên cứu của khoa học tự nhiên gồm những gì?

Đối tượng của khoa học tự nhiên rất rộng nhưng đều có điểm chung là thuộc thế giới tự nhiên hoặc các quá trình diễn ra trong đó. Có thể nhận biết phạm vi này qua một số nhóm chính:

·         Vật chất: Thành phần, cấu trúc, tính chất và sự biến đổi của các chất

·         Năng lượng: Các dạng năng lượng, sự truyền và chuyển hóa năng lượng

·         Chuyển động và tương tác: Chuyển động của vật, lực và sự tương tác giữa các vật

·         Sự sống: Cấu trúc, hoạt động, sinh trưởng, sinh sản, di truyền và quan hệ của sinh vật với môi trường

·         Trái Đất: Đất, đá, nước, khí quyển và các quá trình tự nhiên xảy ra trên Trái Đất

·         Thiên thể: Mặt Trời, Mặt Trăng, hành tinh, sao và những hiện tượng diễn ra ngoài Trái Đất

Các nhóm này có thể liên hệ chặt chẽ với nhau. Một hiện tượng như quang hợp chẳng hạn vừa liên quan đến sinh vật, vừa liên quan đến năng lượng ánh sáng và quá trình biến đổi vật chất. Vì thế, ranh giới giữa các ngành khoa học tự nhiên không phải lúc nào cũng tách biệt tuyệt đối.

Khoa học tự nhiên nghiên cứu những hiện tượng nào?

Hiện tượng tự nhiên là những sự việc hoặc quá trình xảy ra trong thế giới tự nhiên và có thể được con người quan sát trực tiếp hoặc phát hiện thông qua phương tiện đo lường.

Một số hiện tượng vật lí quen thuộc gồm vật chuyển động, ánh sáng phản xạ, âm thanh truyền đi, vật nóng lên hoặc dòng điện chạy qua mạch. Với các hiện tượng này, nhà khoa học quan tâm đến những đại lượng có thể quan sát hoặc đo được và mối quan hệ giữa chúng.

Hiện tượng hóa học xuất hiện khi chất có sự biến đổi làm hình thành chất khác, chẳng hạn quá trình cháy, gỉ sắt hoặc một số phản ứng giữa các chất. Việc một vật chỉ thay đổi hình dạng hay trạng thái không nhất thiết đồng nghĩa với việc đã xảy ra biến đổi hóa học.

Ở thế giới sống, khoa học tự nhiên nghiên cứu những hiện tượng như sinh trưởng, trao đổi chất, sinh sản, di truyền, thích nghi và sự tương tác giữa sinh vật với môi trường.

Ở quy mô lớn hơn còn có những hiện tượng liên quan đến Trái Đất và bầu trời như mưa, gió, sự vận động của nước, các quá trình địa chất và chuyển động quan sát được của các thiên thể.

Như vậy, một hiện tượng thuộc phạm vi khoa học tự nhiên không phải vì nó lớn hay nhỏ, quen thuộc hay hiếm gặp, mà vì nó là một phần của tự nhiên và có thể được nghiên cứu bằng bằng chứng.

Khoa học tự nhiên tìm kiếm những quy luật nào?

Mục tiêu của khoa học tự nhiên không chỉ là tập hợp nhiều hiện tượng riêng lẻ. Quan trọng hơn, khoa học tìm kiếm những mối quan hệ có tính ổn định giúp giải thích nhiều quan sát khác nhau.

Một quy luật tự nhiên thể hiện mối quan hệ hoặc khuynh hướng của các sự vật và hiện tượng trong những điều kiện xác định. Nhờ nhận ra các mối quan hệ này, con người có thể giải thích tại sao một hiện tượng xảy ra và trong nhiều trường hợp có thể dự đoán kết quả khi điều kiện thay đổi.

Quá trình hình thành hiểu biết về quy luật thường bắt đầu từ quan sát. Nhà khoa học nhận thấy một hiện tượng, đặt câu hỏi, xác định các yếu tố liên quan rồi thu thập bằng chứng thông qua đo lường hoặc thực nghiệm. Kết quả phải được phân tích để xem mối quan hệ quan sát được có đủ nhất quán hay không.

Điều này cũng tạo ra một giới hạn quan trọng: quy luật hoặc kết luận khoa học luôn phải được hiểu cùng những điều kiện mà nó áp dụng. Không nên biến một kết quả đúng trong một hoàn cảnh cụ thể thành khẳng định đúng cho mọi hoàn cảnh.

Khoa học tự nhiên nghiên cứu tự nhiên bằng cách nào?

Kiến thức khoa học tự nhiên được xây dựng dựa trên bằng chứng chứ không chỉ dựa vào cảm nhận hoặc suy đoán. Một quá trình nghiên cứu có thể bao gồm nhiều hoạt động:

1.    Quan sát hiện tượng: Xác định sự việc cần tìm hiểu

2.    Đặt câu hỏi: Xác định điều chưa biết hoặc mối quan hệ cần giải thích

3.    Đưa ra giả thuyết: Đề xuất lời giải thích có thể kiểm tra

4.    Đo lường hoặc thực nghiệm: Thu thập dữ liệu liên quan

5.    Phân tích kết quả: Xem dữ liệu ủng hộ hay không ủng hộ giả thuyết

6.    Rút ra kết luận: Hình thành cách giải thích phù hợp với bằng chứng

7.    Kiểm tra lại: Lặp lại hoặc đối chiếu kết quả trong những điều kiện phù hợp

Không phải mọi nghiên cứu đều thực hiện chính xác theo một chuỗi cố định. Chẳng hạn, với các thiên thể ở xa, con người không thể tạo ra chúng trong phòng thí nghiệm mà phải dựa nhiều vào quan sát và đo đạc. Điểm chung vẫn là kết luận cần có dữ liệu có thể kiểm tra làm cơ sở.

Khoa học tự nhiên khác với việc chỉ quan sát tự nhiên như thế nào?

Quan sát là một phần quan trọng của khoa học nhưng bản thân quan sát chưa đủ để tạo thành tri thức khoa học.

Nếu thấy cây đặt gần cửa sổ phát triển khác cây đặt trong góc tối, ta mới có một quan sát. Muốn tìm hiểu nguyên nhân, cần xem xét các yếu tố như ánh sáng, nước, nhiệt độ hoặc điều kiện của cây. Khi kiểm soát những yếu tố liên quan, thu thập dữ liệu và so sánh kết quả, việc quan sát mới trở thành một quá trình tìm hiểu có căn cứ.

Sự khác biệt nằm ở khả năng kiểm chứng. Khoa học tự nhiên yêu cầu người nghiên cứu phân biệt điều mình nhìn thấy với cách mình giải thích điều đó. Khi bằng chứng mới xuất hiện và cho thấy cách giải thích cũ chưa phù hợp, kết luận khoa học có thể được điều chỉnh.

Vì vậy, khoa học tự nhiên không phải tập hợp những điều được xem là đúng một cách bất biến. Đó là quá trình xây dựng và kiểm tra tri thức về tự nhiên dựa trên bằng chứng.

Khoa học tự nhiên nghiên cứu các sự vật, hiện tượng, quá trình và quy luật của thế giới tự nhiên, bao gồm vật chất, năng lượng, sự sống, Trái Đất và các thiên thể. Giá trị cốt lõi của lĩnh vực này không chỉ nằm ở việc biết một hiện tượng xảy ra, mà còn ở khả năng giải thích vì sao nó xảy ra, xảy ra như thế nào, trong điều kiện nào và bằng chứng nào hỗ trợ cho kết luận. Nhờ quan sát, đo lường, thực nghiệm và kiểm chứng, những hiện tượng riêng lẻ có thể được kết nối thành hiểu biết có hệ thống về tự nhiên.