מדעי הטבע | תחומי מדעי הטבע

תחומי מדעי הטבע

ביולוגיה

קטע מ-DNA שמכיל מידע גנטי חשוב להתפתחות ותפקוד יצורים חיים.
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – ביולוגיה

תחום זה כולל קבוצת דיסציפלינות המתארות תופעות המיוחסות לעולם החי. קנה המידה של המחקר מצוי בטווח רחב שבין תת-רכיבים בביופיזיקה למבנים מורכבים באקולוגיה. הביולוגיה מתייחסת גם למאפיינים, סיווג והתנהגות של אורגניזמים, במינים שהתפתחו ויחסי הגומלין שבין פרטים בתוך אותו מין, יחסי הגומלין שבין המינים ויחסי הגומלין שבין מין לסביבתו.

ראשית ההתפתחות של ענפי הביולוגיה, כמו בוטניקה, זואולוגיה ורפואה, החלה בתקופה מוקדמת מאוד של הציוויליזציה, בעוד שהמיקרוביולוגיה החלה במאה ה-17 עם המצאת המיקרוסקופ.

מספר פיתוחים חשובים בביולוגיה כוללים את גילוי הגנים, תורת האבולוציה של דרווין והברירה הטבעית, התאוריה החיידקית של המחלות ויישום טכניקות בכימיה ופיזיקה בתרכובות אורגניות ותאים.

הביולוגיה המודרנית מחולקת למספר תת-דיסציפלינות בהתאם לסוג האורגניזם וקנה המידה של המחקר. ביולוגיה מולקולרית היא ענף החוקר את הכימיה הבסיסית של החיים בעוד שביולוגיה של התא היא ענף החוקר את התא הבודד, היחידה הבסיסית ביותר ממנה בנויים כל היצורים החיים, ומנגנוניו. הפיזיולוגיה חוקרת את המבנה הפנימי השלם של האורגניזם והאקולוגיה חוקרת את ניהול מערכות יחסים הדדיות בין מגוון המינים.

כימיה

הנוסחה המבנית של הקפאין מציגה באופן גרפי את אטומי המולקולה והקשרים הכימיים שביניהם.
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – כימיה

תחום זה חוקר את החומר בקנה מידה אטומי ומולקולרי ועוסק בעיקר בתרכובות ותערובות מהן בנויים גזים, נוזלים, מוצקים, קריסטלים ומתכות. הכימיה מתעסקת בהרכב, המאפיינים הסטטיסטיים, ההתמרות והתגובות הכימיות של חומרים אלו עם חומרים אחרים ברמת האטומים הבודדים כדי להשתמש בידע הנצבר ליישומים בקנה מידה גדול יותר.

תהליכים כימיים רבים נחקרים במהלך ניסויים במעבדות ומשתמשים במהלכם בסדרת טכניקות כדי להשפיע על החומרים הנחקרים וכמו כן כדי להבין טוב יותר תהליכים בסיסיים שמתרחשים. הכימיה נקראת גם "המדע המרכזי" בזכות העובדה שהוא מקשר בין המדעים המדויקים לביולוגיה ולמדעים שימושיים.

הניסויים הראשונים בכימיה נעוצים בראשית דרכה בעת העתיקה ובימי הביניים, כשלמדע זה ניתן השם אלכימיה, שילוב של כימיה, פיזיקה, רפואה, מיסטיקה ודת. הכימיה המודרנית החלה להתפתח עם פרסום עבודותיהם של רוברט בויל, מגלה מצב הצבירה הגזי, ואנטואן לבואזיה, מפתח חוק שימור החומר.

עם גילוי היסודות הכימיים ופיתוח התורה האטומית החלה הכימיה להתגבש לכימיה המודרנית אותה אנו מכירים כיום. חוקרים החלו לפתח את ההבנה כי קיימים מספר מצבי צבירה לכל חומר והאטומים שבו נושאים מטען חשמלי, מטענים אלו נקראים יונים. בנוסף הבינו החוקרים כי קיימים גם קשרים כימיים ותגובות כימיות בין אטומים ומולקולות. הידע הרב שנצבר הוביל לפיתוח תעשייה כימית שהיא כיום חלק בלתי נפרד מהכלכלה העולמית.

פיזיקה

אורביטל אטומי באטום מימן. התיאור המתמטי של מסלול האלקטרון סביב הפרוטון נחקר על ידי מכניקת הקוונטים, תחום של הפיזיקה.
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – פיזיקה

תחום זה חוקר את המרכיבים הבסיסיים של היקום, הכוחות ויחסי הגומלין שהם מפעילים אלו על אלו ותוצאות תהליכים הנגרמים עקב יחסי הגומלין ביניהם. באופן כללי, הפיזיקה נחשבת למדע בסיסי בזכות העובדה שכל שאר מדעי הטבע משתמשים ומצייתים לעקרונות ולחוקים שהיא מייצגת. הפיזיקה נשענת ברובה על המתמטיקה כדי לנסח לכמת את העקרונות.

לחקר העקרונות הפיזיקליים של היקום יש היסטוריה ארוכה ונגזרות רבות משמעות שהושגו הן באמצעות תצפיות והן במהלך ניסויים שנבנו לאורך ההיסטוריה האנושית. ניסוח תאוריות לגבי החוקים ששולטים ביקום הוא תחום מחקר ראשי המעלה שאלות פילוסופיות מראשית ההיסטוריה אנושית. פיתוחים בעלי משמעות היסטורית כוללים את המכניקה הקלאסית ו תאוריית הכבידה האוניברסלית של אייזק ניוטון, חשמל ומגנטיות, תורת היחסות הפרטית והכללית של אלברט איינשטיין, פיתוח התרמודינמיקה, אופטיקה ופיתוח התאוריה של מכניקת הקוונטים.

הפיזיקה המודרנית מתפתחת כיום במהירות רבה מאחר שכל חוקר מתמקד בנושאים בודדים, בשונה מאייזק ניוטון, אלברט איינשטיין ולב לנדאו שעסקו בנושאים רבים.

אסטרונומיה

המכתש הגדול דדלוס, אשר צולם על ידי צוות אפולו 11 כאשר הקיפו את הירח ב-1969
Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אסטרונומיה

תחום זה חוקר את ההתפתחות, הפיזיקה, הכימיה, המטאורולוגיה ותנועתם של גרמי שמיים הנמצאים מחוץ לאטמוספירת כדור הארץ וגם את צורתו והתפתחותו של היקום כולו.

האסטרונומיה בוחנת וחוקרת את הכוכבים, כוכבי הלכת, שביטים, גלקסיות והיקום. רוב המידע שנמצא כיום בידי האסטרונומים הושג באמצעות תצפיות על כוכבים מרוחקים אף על פי שחלק מהמידע נחזה מראש והוכח רק לאחר מכן (לדוגמה: כימיה מולקולרית של תווך בין-כוכבי).

בעוד שהעיסוק באסטרונומיה החל בימי קדם, הגישה המדעית החלה להתפתח באמצע המאה ה-17 עם המצאת הטלסקופ וגילויו הרבים של גלילאו גליליי באמצעותו.

הפיתוחים והנוסחאות מתמטיות של הידע שנצבר עד אז, נמנים עם עבודותיו של אייזק ניוטון על מכניקה שמיימית ותאוריית הכבידה, אולם ישנם תיעודים מוקדמים יותר של אסטרונומים כדוגמת קפלר. במאה ה-19, הפכה האסטרונומיה למדע באופן רשמי עם המצאת הספקטרומטר והצילום לצד שכלול והגדלת עוצמתם של הטלסקופים.

מדעי כדור הארץ

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מדעי כדור הארץ

תחום זה חוקר את כל הקשור לגאולוגיה, גיאופיזיקה, הידרולוגיה, מטאורולוגיה, גאוגרפיה פיזית, אוקיינוגרפיה ו מדע הקרקע.

למרות העיסוק של האדם בכרייה וגמולוגיה לאורך ההיסטוריה כולה, התפתחות מדעים בנושאים אלו כמו גאולוגיה כלכלית ומינרלוגיה החלו רק במאה ה-18. המחקר של כדור הארץ, ובייחוד פלאונטולוגיה, התפתח במאה ה-19. התפתחותם של תחומים אחרים, כמו גאופיזיקה, במאה ה-20 הובילו לפיתוח תאוריית טקטוניקת הלוחות בשנות השישים של המאה ה-20 והייתה לה השפעה על מדעי כדור הארץ שניתן לדמותה להשפעה של תאוריית האבולוציה על הביולוגיה. יישומים של מדעי כדור הארץ כיום מצויים בתחום חיפוש מקורות נפט ומינרלים, מחקרי אקלים והשפעת האדם על הסביבה ושיקומה.