A fizika – és a többi természettudomány – a természet jelenségeinek minél alaposabb megismerésére, megértésére és leírására törekszik. Természetes dolog, hogy ennek első lépése a jelenségek megfigyelése, amelynek lehetőleg minél sokrétűbbnek és mindenre kiterjedőnek kell lennie. A megfigyelés szempontjából a természeti jelenségek széles skálán mozognak. Vannak olyanok, amelyek maguktól, minden beavatkozás nélkül akárhányszor végbemennek. Ezek – pl. a Nap látszólagos mozgása az égbolton – jól megfigyelhetőek. Vannak azonban olyanok is, amelyek ritkán zajlanak le és ekkor is igen nehezen észlelhetőek. Ilyen pl. a neutrínók kölcsönhatása az anyaggal.

A legtöbb esetben a spontán megfigyelés nehézkes vagy nem is valósítható meg. Ilyenkor a jelenségeket mesterségesen idézzük elő, és tervszerűen választott feltételek mellett tanulmányozzuk. Ezt a módszert kísérletezésnek nevezzük. A kísérletezés nagy jelentőségű, mert a jelenséget a zavaró körülményektől mentesen figyelhetjük meg, és a feltételek változtatásával pedig a jelenség lényeges törvényszerűségei könnyebben megismerhetőek. Ugyanakkor a kísérletezés veszélyeket is rejt magában, mert a feltételek megválasztásakor a kísérletező akaratlanul is felerősíthet olyan tulajdonságokat, amely a spontán megfigyelés során nem vagy csak elenyészően észlelhetőek, és nem tartoznak a jelenség lényegéhez.

Amikor a spontán megfigyelés és a kísérletezés útján már sok információ gyűlt össze, a jelenség magyarázatára hipotézist (feltevést, feltételezést) állítunk fel. A hipotézis azért fontos, mert segítségével újabb kísérleteket és megfigyeléseket tervezhetünk meg, amelyek közelebb vihetnek a probléma végleges megoldásához.

A hipotézist további megfigyelésekkel és kísérletekkel ellenőrizni kell. Ha ezek folyamán a hipotézis ellentmondásra vezet, akkor azt el kell vetni és a bővült tapasztalatok alapján új hipotézist kell felállítani. Ha a hipotézis beválik, akkor törvény vagy elmélet lesz belőle. Ez azt mutatja, hogy az ellenőrzés szerepe döntő a jelenségek megismerési folyamatában.

A tudomány fejlődése egy-egy elmélet érvényességi körét idővel megváltoztathatja. Ez nem jelenti azt, hogy a teljes elméletet el kell vetni, azt azonban igen, hogy az elmélethez való hozzáállásunkat át kell alakítani. Hosszú időn keresztül úgy vélték, hogy a Newton-törvények a mechanikai jelenségek minden szempontból kimerítő magyarázatát adják. A XX. század első évtizedének két – egymástól teljesen eltérő – felfedezése mutatott rá arra, hogy ezek a törvények sem a mikrovilág jelenségeire, sem a nagy sebességek esetén fellépő jelenségekre nem adnak kielégítő választ. Ez tehát korlátozza a Newton-törvények felhasználásának körét, viszont nem kérdőjelezi meg használhatóságát a mindennapi életünk jelenségeinek körében.