科学最早起源于人类对宇宙和生命问题的思考，这些最初的思考包含了人类对于世界最朴素的观察和理解，通过思想和逻辑上的加工形成了学说。人类文明初期，对于世界的认识是粗浅的，知识体系是不完备的，针对同一个问题所形成的不同学说，逐渐将思考这些问题的人分成了各种学派。由于不同学派思考问题的差异，随着知识体系的不断完善，自然科学逐渐从哲学和神学的范畴中独立出来，演化出了以观察和推理为基础的自然科学。自然科学产生后，极大地促进了人类对世界的认识，推动了社会的发展。生产力水平的提升也成为推动人类社会在不同阶段发展的根本动力，人类从认识自然、适应自然向改造自然的方向迈进。如果从科学发展的源头来看，最初关于一些自然问题的思考是笼统的、没有具体边界的，而不同问题之间是相关联的。

在人类知识爆炸式增长和社会分工不断细化的过程中，自然科学逐渐发展出了不同的学科方向，同时形成了专门从事科学研究的社会群体。受限于人类的寿命和智力水平，任何一个人都无法获得所有的知识，而对于社会发展而言，这些海量知识的获取对于单独的生产力而言也是不必要的。当今世界范围内，大部分科研群体和个人已经与科学发展初期思考世界运行规律和生命本质等问题的先贤们有很大的区别。例如，早期人类思考日月星辰的运行规律，提出了地心说，后来哥白尼变革性的提出了日心说，随着思辨和观察能力的提升，逐渐衍生出了力学、光学、电磁学和地球科学等。现在的地球科学研究人员所从事的问题可能是在野外采集具体的地质标本，也可能是在开展月壤成分和结构的分析。因此，在过去的科学研究发展范式中，知识体系逐渐细化，形成了门类繁多的不同学科，科研人员的研究任务也变得越来越具体。

在自然科学领域，物理学最早来源于古希腊理性唯物思想，其发展历史较长，也是自然科学中知识体系最完备的一门学科分支。物理学在不同阶段取得的重大变革都极大地影响了人类社会发展的进程。例如，牛顿力学理论为第一次工业革命奠定了科学的理论基础，而相对论的诞生也改变了人类对能源的利用方式和对宇宙的认知水平。物理学成为一门成熟的自然科学分支，最重要的标志在于所有的物理现象和规律都可以通过数学语言简洁地表达。

随着物理学的发展，人类的生产和生活方式也发生了诸多变革。 1864年，英国物理学家麦克斯韦提出了总结电磁学规律的方程组，并且预言了电磁波的存在。电磁波的发现为信息科学的发展带来了变革性的影响，比如人与人之间的沟通不再是仅仅通过对话时的声音，而是依赖于新的信息技术和信息载体。

在信息论，系统论和控制论的基础上，结合电磁学和凝聚态物理中的新原理和新材料，信息科学取得了飞速的发展。电报、雷达、无线通信、计算机和卫星等技术的发展使得人类进入以信息科技为代表的第三次工业革命。信息革命的产生与物理学的发展密不可分，而近代信息技术的发展也促进了物理学领域的快速进步。基于高精度电子器件的先进设备，人类能够直接观测到许多更宏观和更微观的物理现象，例如观测宇宙中的引力波和微观世界中的原子和夸克等。这些观测都对实验中所使用的探测设备提出了极高的灵敏度要求。随着信息科技产业的不断更新换代，信息领域的原始创新也遇到了极大的挑战，例如摩尔定律已经接近物理极限，集成化功能器件研发周期逐渐增加，海量信息的采集、传输和存储都成为亟需解决的重大科学技术问题。借助量子力学的新原理和新效应有望为信息科技带来重大变革，如量子计算机和人工智能等。

科学技术发展到当今，不同国家之间的关系越发紧密，政治、经济、科技和文化的交流日益密切。这种紧密的“人类命运共同体”也使得很多问题超出了个人和国家的范畴，人类需要共同去思考和解决各种重大问题，例如世界能源问题，气候变化问题和空间科学问题等。地球科学在未来人类社会的发展中将扮演越来越重要的角色，对于人类应对未来气候、能源和太空探索等诸多“人类命运共同体”相关的科学问题都将产生深远影响。此外，我们也应当看到地球科学发展中遇到的瓶颈，许多重大科学问题仍然有待解决，例如地球动力学问题，地震的预测，矿藏资源的形成与勘探，以及全球气候发展趋势等。地球科学领域未来要实现重大突破也迫切的需要物理、信息和材料等诸多学科的支撑，协助解决地球科学中的原理性问题和尖端仪器设备的应用需求问题等。

回顾自然科学发展史可以发现，物理、信息和地球科学等领域的重大突破对人类社会的进步产生了深远影响，也必将在未来人类文明的进程中提供不竭动力。然而，在看到辉煌的同时，也应该看到未来自然科学发展中所遇到的挑战和机遇，学科之间的交叉融合和相互促进已经成为未来自然科学发展的主旋律。特别是在物理、信息和地球科学领域的交叉科学研究，正在孕育着新的学科方向和新的产业技术革命。近几十年来，虽然物理学科在理论研究方面发展缓慢，但在应用领域的研究中仍然充满生机。在信息科学的发展中，电子信息器件已经逼近物理极限，要想取得新的突破需要量子物理和其他学科的支撑，并且也亟需寻找在其他学科中的重要应用突破口。地球科学领域长期以来存在的一系列争论，以及人类社会未来所面临的能源、气候等问题，也亟需物理、信息等领域的发展，为地球科学研究注入新的活力。

我国的交叉科学研究近年来迎来了快速发展的黄金期。2020年11月，国家自然科学基金委员会成立了交叉科学部。交叉科学部以重大基础科学问题为导向，统筹和部署面向国家重大战略需求和新兴科学前沿交叉领域的研究，促进复杂科学技术问题的多学科协同攻关，推动形成新的学科增长点和科技突破口。近年来，我国多所高校成立了交叉科学相关的特色学院，在探索建立交叉科学研究范式，培养交叉科学人才，营造交叉科学文化方面起到了积极的推动作用。2016年，北京理工大学成立前沿交叉科学研究院，在物理、化学、生物医药、信息、材料等领域布局新的学科发展方向，以学科交叉为特征，开展前瞻性、引领性、颠覆性研究，鼓励原始创新，培育新增长极。学院积极引进具有国际视野和交叉科学思维的青年科学家，例如，以黄元教授为代表的研究团队近年来在物理、信息和地球科学相关的交叉科学研究中取得了一系列可喜的成果。他们通过对应变场中二维材料特性的研究，不仅发现了材料物理性质的变化和器件功能的提升，更为有趣的是，他们提出了应变场存在时层状地壳结构与多层二维材料之间存在显著的相似性，为理解一些常见的地质活动机理和探寻特殊矿藏资源提供了新思路。2021年，黄元教授与团队成员在西藏地球的多个热泉中探测到了较高浓度的氦气，为我国寻找氦资源提供了新的技术路线。

综上所述，自然科学的发展经历了从哲学问题的思考，到如今在物理、化学、信息、生命和地球科学等领域的百花齐放。随着知识体系的完善和技术上的不断突破，在未来自然科学的发展中，不同学科之间将会朝“分久必合”的方向发展，不同学科间的交叉将日益密切。前沿科学的交叉融合也将加快孕育新学科和新技术，为新兴产业带来发展契机，推动经济和国家综合实力的提升。我国在交叉科学领域有望培养出一批具有国际视野的交叉科学复合型人才，孕育一系列具有原创性的交叉科学研究成果，为推动自然科学的发展、增强国家的科研实力做出重要贡献。（曹莉）