科学的本质

清晨的阳光透过卧室的窗。看起来今天将是美好的一天，就像天气预报报道的那样。
我们总是习惯于把大自然给予我们的一切视为理所当然。 每天，太阳都会在预计的时刻从东边准时升起，又会从西边落下。同样的，月相和四季也按照它们自己的规律周期重复。
古人早已注意到大自然中的这些规律，并且据此形成了他们独特的生活方式和社会文化。今天，我们将这种对自然规律的探索过程总结整理，并称之为科学。

什么是科学？

当你开车进入一个加油站时，你会问自己：我的汽车加什么类型的汽油好呢？也许，你会尝试几种不同型号的，然后观察加了这种型号之后你的车在之后的一段时间里表现如何。最后，您可能会得出结论：某个品牌和等级的汽油最适合你的汽车，然后决定将来都加这种。当你购买洗发水，止痛药，运动鞋和其他各种产品时，你都会经历类似的调查和实验的过程。 这些简单的例子展现了我们了解周围世界的一种方式。首先，我们观察世界，看看那里有什么，并了解它是如何工作的。然后我们概括一下，制定出符合我们所见的规则。最后，我们将这些一般规则应用于以前从未遇到过的新情况，并且期望这些规则能够发挥作用。

在选择汽油或洗发水品牌这些事上，这个过程似乎没有什么惊天动地的。但是当我们想要了解遥远的恒星或者活细胞的运作时，提问、观测、得出结论的基本过程可以更正式和更定量地得到应用。在这些情况下，我们所作的这些事被称为科学，通过研究这些问题来谋生的人被称为科学家。 科学为我们提供了迄今为止最强大的工具，让我们得以了解我们的世界是如何运作的，以及我们是如何与周围的环境相互影响的。 科学不仅包含了关于我们宇宙运作方式的基本思想和理论，而且还提供了一个获取更多知识，解决了崭新问题的框架。 科学给我们提供了预报自然灾害、治愈癌症、发现新的改变世界的材料和技术的最可行方向。科学还让我们得以欣赏到宇宙法则无与伦比的秩序之美，让我们的视野从原子核的微观世界延伸到无可比拟的广阔宇宙空间。

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科学的特殊之处

科学的特殊之处在于它只对物理世界的客观一面进行提问和回答。科学建立在可重复的观察、可控的实验和可验证的推理之上。科学和其它的求知方式有着本质的不同，它是建立在独立的可证实的事实之上，具体来说：

• 和宗教相比，宗教是基于人为诠释的真理；
• 和艺术相比，艺术是基于每个艺术家个性化的审美；
• 自然科学也不同于政治科学或者社会科学，人文科学的理论来源于对过去和未来事件的阐释，而对同一个事件我们可以有不同的阐释方式。

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科学的进步给我们提供了强有力的工具，让我们能够观察世界、学习它如何运作、对未来事件做出预测或者发现改变外界环境的方法。

科学素养的意义

在现代社会，每一个人都需要具备一定的科学素养。科学素养能够帮助我们做出合理的决定，学到的科学知识能够让我们理解各种市场上的各种产品为什么能工作以及如何工作，科学求知的过程也给我们提供了一个辨证思考的框架，让我们能够迁移到日常生活中，做出正确的个人选择。 科学素养在很多方面都极为有用：

• 许多高薪工作依赖于科学以及来源于科学发现而产生的技术。无论是现代医学、法律还是商业都离不开科学的进步。
• 科学是教育孩子，让他们了解世界的最本质工具。具备科学素养的家长和教师能够强化一个孩子对自然的好奇心和探索欲。
• 科学素养让一个人得以分享最新科学发现所带来的乐趣。每天，科学家们都在获得对世界的新认识。没有科学素养，就无从理解这些进步的内涵。

我们需要怎样的科学教育？

每一个人都可以获得科学素养。科学的原理无需通过复杂的名词或者高深的公式也能够得到清楚的展示。过去对科学的认知和错误的教育方式阻碍了我们获得科学素养。科学不是工程技术，也不是专为那些未来想成为科学家的人所准备的垫脚石。我们不需要在成为一个科学家之后才能欣赏到科学发现之美。 美国推出的《国家科学教育标准》代表了数千名科学家和教育工作者对所有公民都应该掌握的科学素养所达成的共识。这个文件为科学课程的设计提供了一个坚实的基础：

• 科学素养的培养应该建立在掌握高屋建瓴的科学原理之上，而不是记忆大量的词汇和知识点。
• 科学素养应该建立在理解科学方法的基础之上，即理解那些对自然界提出问题并回答的探索过程。

科学的结构

科学作为人类的不懈努力的结晶，有它自己独特的组织架构。在我们的印象中，科学总是固定地划分成几个学科，这一点可能阻碍了非科学家们学习了解科学。但是，科学的架构是有理可循的，事实上，科学原理之间有着清晰的传承关系。

• 物理，研究运动的物质，是科学架构的第一层次。因为物理规律必须适用于所有的自然体系——无论是大是小、是死是活。经典物理涉及的是物质的日常现象，能量，力和运动。现代物理涉及的是超出我们日常经验的领域，非常小、非常大或者非常快的物体需要新的物理规律来阐释，而这些正是量子力学、核物理、粒子物理和相对论所解决的问题。
• 化学，研究原子之间的相互作用，特别是化学反应和新材料的形成。现代化学建立在中世纪炼金术的基础之上。这是一门经验科学，一些受启发而来的猜测经常导致了重大的发现。化学研究和化学工程学紧密相连。这让我们能够将试管中的实验发现扩展到大规模的工业制造。
• 地球科学，研究地球的起源、现状和动态变化过程，有时也涉及其他星球。地球科学是从勘探和采矿中衍生出来的年轻领域。地球科学的两个主要领域包括：地理，研究石头和土壤以及它们的分布；地球物理，研究地球的动态变化过程，比如潮汐、海啸和地震。
• 生物，研究活体系统。活体系统是目前为止我们已知的最复杂物体。因为它对健康和医药产业的重要性，生物是最大和经费最多的科学领域中。生物是一个极为广泛的学科，因为我们有太多的方法去研究活体事物。

虽然我们将科学分为物理、化学、地科和生物等学科，但是自然界是一个整体，它的各个部分之间并没有严格的边界。

思考这些问题

• 想一想过去的24小时里，科学是如何影响你的生活的？
• 如果你穿越回了科学建立之前的社会，你最想念什么？和同时代的人相比，你又有什么优势呢？