二 、自然科学基础的结构 
　　　　　　　　　　　　　　　
　　上面论述的现代科学体系结构中，自然科学占有相当重要的地位，而自然科学从不同角度又有多种分类，一般认为，是由基础科学和技术科学两部分组成。

   （一）自然基础学科的主要内容

　　尽管自然科学门类繁多，但按照研究对象和物质运动形式的不同，可划分为五大基础学科和两大横断学科。

　　这五大基础学科是：物理学、化学、生物学和地学。路甬祥院长在他的报告中提出，自然科学包括的是生命科学、物质科学、地球与环境科学。

　　两大横断学科是指数学和系统科学。数学和系统科学并不是自然科学的分支，按知识的性质和相互关系，可把它们化分为横断（横向）科学，横断学科的共同特点是撇开各种事物、现象、运动形式、发展过程的具体特征，用抽象概括的方法抓住它们的某一共同侧面、共同属性及其共同规律并加以研究，其研究所及不是某一领域，而是多个领域或一切领域。它所揭示的是多种科学领域间的共同属性和相互关系，使科学趋于整体化。数学和系统科学作为横断科学，它们消除了自然界、社会和思维领域之间，自然科学和社会科学之间长期被认定的不可逾越的鸿沟，加速了科学整体化的趋势，给科学的发展带来了新的生机。实际上，数学和系统科学不仅是自然科学，也是整个科学的基础，它们“横断”了整个科学。

　　（二）物理学和数学科学的结构和关联

图1.4 物理学与数学学科结构关联示意图

　　数学研究共同的横断面是量的规定性，即事物的数量关系和空间形式。数学既是人们研究自然的工具，也是人们认识社会的工具。数学既是一门高度抽象的理论学科，是一门应用广泛的工具性学科。
　　关于物理学与数学的结构和关系，作者引用著名物理学家杨振宁教授最近在清华大学建校90周年的“世纪大讲堂”上所作的报告中的一段话：从图1.4a所表示的物理学的三个部门和其中的关系：唯象理论2是介于实验1和理论架构3之间的研究。1合3和起来是实验物理，2和3和起来是理论物理，而理论物理的语言是数学。

　　物理学的发展通常自实验1开始，即自研究现象开始。关于这一发展过程，我们可以举很多大大小小的例子，这里举牛顿力学的历史为例。布拉赫是实验天体物理学家，活动领域是1，他作了关于行星轨道的精密观测，后来开普勒仔细分析布拉赫的数据，发展了有名的开普勒三大定律。这是唯象理论2。最后牛顿创建了牛顿力学与万有引力理论，其基础就是开普勒的三大定律。这是理论架构3。至于量子力学和相对论的发展过程，也是历经这样三个阶段。

　　关于数学和物理的关系，杨振宁教授曾把二者的关系表示为两片在茎部重叠的叶子，（图1.4b）重叠的地方同时是二者之根、二者之源。譬如，微分方程、偏微分方程、希尔伯特空间、黎曼几何、和纤维丛等，今天都是二者共同的基本观念。这是惊人的事实，因为首先达到这些的观念的物理学家与数学家曾遵循完全不同的路径、完全不同的传统。为什么会殊途同归了呢？大家今天没有很好的答案，恐怕永远也不会有，因为答案必须牵扯到宇宙观、知识论和宗教信仰等难题。

　　必须注意的是在重叠的地方，共用的基本观念虽然如此惊人地相同，但是重叠的地方并不多，只占二者各自的及少部分。譬如实验1与唯象主义2都不在重叠区，而绝大部分的数学工作也在重叠区之外。另外，值得注意的是即使在重叠区，虽然基本观念物理与数学共用，但是二者的价值观与传统的截然不同，而二着发展的生命力也各自遵循不同的静脉流通，如图（1.4b）所示。

　　（三）物理学与自然基础的结构和关联

　　　

　　物理学是研究物质运动的一般规律和物质基本结构的科学。它研究的运动普遍存在于其它高级的复杂的物质运动形态之中，因而物理学是其他自然科学的重要基础。当代物理学根据它研究的范围，可分为宏观物理学、微观物理学和宇观物理学，这是根据它研究的物质运动形态和具体对象来划分的。研究表明，物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次。（见图1.5）明确了物质结构的不同层次结构之后，当代物理学的分支学科如何划分的问题，也就迎刃而解了。（见图1.6）最微小（也就是能量最高）的层次是粒子物理学（也称为高能物理学），然后是原子核物理学，再上去就是原子物理学和分子物理学，原子或分子聚集起来构成了不同的聚集相：气相，液相和固相，乃至固液之间的中介相，如液晶、复杂流气与聚合物等软物质。另一类气象就是等离子体，相应的是等离子体物理学，大尺度的固体与流体运动的研究归结为固体力学与流体力学。聚集相的复杂组合构成了岩石、土壤、河流、山脉、湖泊、海洋及大气等，成为地球物理的研究对象；而细胞、器官、植物、动物及人体构成了生物物理学的研究对象。继续扩大物质研究的空间尺度，就会引导到空间物理的领域。进而包括太阳、恒星星系、星系团，乃至整个宇宙，就构成了天体物理学和宇宙论的内容。至于光学和声学，目前的情况是，它们的部分内容正在朝向偏重技术的工程转化，而另一部分则和某些结构层次的物理学相结合。例如，光物理学就和原子与分子物理学密不可分，也和凝聚物理学关系密切，而物理声学则与凝聚态物理学及固体与流体力学密切相关。

　　下面，我们从其他自然基础学科研究的对象来看它们和物理学之间的关系。化学是在原子水平上研究物质的组成、结构和特征及其相互转化（化学变化）的科学，它和物理学之间必然有关联和交叉。有人说，化学是分子、原子水平上的物理学。自然界是由物质构成的，生命体也不利外，只不过它们是由有生命的物质所构成。构成生命物质的各种元素与非生命物质中的元素其实是完全一样的，只是在生命体中由元素组成的是有“生命活性”的化合物分子——蛋白质，核酸、糖类和脂肪等生物分子。它和物理学之间在分子水平上也必然有关联和交叉。有人说，生物学是大分子集团的物理学。1997年诺贝尔将物理学奖的得主朱棣文说，我们正在进入一个令人激动的科学时代，即物理学与生物学统一的时代。至于天文学，地学和物理学之间的关联和交叉从图1.6中已一目了然。因此物理学同这些自然科学之间交互渗透，产生了大量的边缘新兴学科，形成了繁花似锦的边缘物理学学科群。

　　　　 　　　　　　

　　这里仅就自然科学中有代表性的四大基础学科与物理学的交叉和关联来看。

　　　　物理学+化学=化学物理学
　　　　物理学+生物学=生物物理学
　　　　物理学+地学=地球物理学
　　　　物理学+天文学=天气物理学
　　以上诸边缘物理学与物理学之间的关联表示如下图；

　　因为物理学是研究物质的最基本结构和普遍的运动规律，有以上的交叉和关联也就不足为奇了。