仰观于天，府察于地，造物主为智慧的人类配备了一双智慧的眼睛。当人们睁开双眼面对缤纷多彩的大自然时，许许多多熟悉的和不熟悉的、理解和不理解的、有趣味的无趣味的现象与景观便纷至沓来，通过双眼而进入人们的大脑。当人的大脑不断接受这种直接信息的刺激而产生感性积累时，就对大自然有了一些表观的、外在的、粗浅的认知。这就是一般意义上的“观察”。当人们把这种观察进一步深化，专注于某一种或某一类现象并试图找出它更深层的规律时，当人们试图探求一类现象或几咱现象之音质本质联系和共同法则时，就开始了以观察为基础的科学研究。
无论是科学研究的实际程序，还是科学发展的历史，都清楚地证明，科学研究是从观察开始的。观察为科学研究积累资料、捕捉信息，为理论的抽象和思考准备必不可少的事实基础。并且，以观察为始端的科学研究，其最终结果又必须回到观察中去，用观察的事实来验证研究所得到的结论。正如爱因斯坦所说：“即使是最明晰的逻辑数学理论，它本身也不能使真理得到保证，要不是用自然科学中的最准确的观察来检验，它也是毫无意义的。”
人们习惯于把人的眼睛比喻为“心灵的窗户”，这种比喻实际上包含着两个方面的意义。其一是在由外向内地认识世界的过程中，眼睛是最重要的感觉器官。心理学的研究表明，进入人的心灵（大脑）的外部信息90%以上是通过眼睛获得的。可见，人们感知外部世界是从眼睛开始的。其二是在由内向外地表露情感的过程中，眼神可以表达人的欢愉、悲哀、愤怒、怨恨等相当复杂的心理状态。可见，人们表达内心感受，在很多情况下是通过眼睛来进行的。由这两个方面可以看出，眼睛在人的心灵（大脑）与外界的交流中起着极其特殊和重要的作用科学研究从观察开始，又以观察结束。观察对于科学研究的意义，颇似于眼睛对于大脑的意义，因此可以说，观察就是科学研究的眼睛。如果说眼睛是心灵的窗户，那么，观察就是探索世界的窗户。
科学家历来都十分重视观察的作用。且不说主要从事观察和实验的科学家，即使是从事纯理论研究的科学家，也非常关注科学观察与实验的最新成果与进展情况。著名物理学家法拉第曾深刻地指出：“没有观察就没有科学，科学发现诞生于仔细观察之中。”著名生物学家巴甫洛夫则谆谆告诫他的学生和助手们：“观察，观察，再观察。”
（一）观察对物理学的作用
与其他学科相比，物理学与观察有着更为密切和直接的关系。从根本上讲，物理学是一门实验科学，离开了实验，物理学就失去了存在和发展的基础。所谓实验，就是通过实验工具人为地控制或干预研究对象，使其事件或现象在有利于观察的条件下发生或重现，从而获取科学事实的研究方法。由此不难看出，实验方法是在观察方法的基础上发展而来的，是观察方法的延伸和扩充。所以，从更基本的层次上讲，物理学是一门观察的科学。
从宏观上看，物理学从诞生到发展，靠的就是一代代科学家长期不官的观察和积累。从微观上看，物理学的每一次重大发现和突破，甚至每个课题的形成、确立、研究及成果检验，都与观察密不可分。观察对于物理学，其作用不仅是重要的，而且是多方面的。
系统观察促成了物理学的诞生
哥白尼的《天体运行论》被恩格斯誉为自然科学的“独立宣言”，它樗着从此以后自然科学将从神学的禁锢中解放出来。后人考察《天体运行论》诞生的过程，自然可找到其复杂的社会、文化和学术的背景，但有一点是必须给予肯定的，那就是《天体运行论》是建立在哥白尼自己以及他的前人长期观察而积累的大量科学事实基础上的。
在自然科学的众多学科中，最早发展起来是天文学和力学，这是因为这两门学科与人类的生活和生存有着最直接和最重要的关系。人们从事农业和畜牧业生产，需要掌握季节的变换、气象的变化；在海上航行，则需要辨别方向。通过长期的观察，人们发现这些问题都与天上的太阳、月亮、行星等天体有着某种对应的关系。当人们把注意力集中到观察太阳、月亮等天体的运动并试图总结出它们的运动规律时，便促进了天文学的发展。人们在生产劳动中为了省力以提高工作效率，很早就学会应用杠杆、斜面、滑轮、螺旋等简单机械，这就形成了最初的静力学。在静力学的发展中，人们又形成了重心、比重、力等重要的概念，总结出了杠杆原理、浮力原理等等。天文学的发展为力学找到了一个最理想的“实验室”——天体。在这里，人们可以在纯粹的、最不受干扰的状态下研究它们的力学规律。同样，力学的发展又进一步促进了天文学的研究和发展。然而，在哥白尼之前，天文学和力学却被牢牢地禁锢在圣经、托勒密体系和亚里士多德的体系之中，而不许越雷池一步。
天文学、力学要获得突破性的发展，人们要正确地技术运动现象、建立正确的物理理论，必须冲破神学的束缚。勇敢的哥白尼顺应了时代的召唤，他于1543年出版了朽名著——《天体运行论》，建立了新的行星运行体系，提出了以日心说为核心的天体运行模式，举起了自然科学革命的大旗。
对哥白尼天言语学研究道路产生过深刻影响的是他的老师达·诺法拉。诺法拉是当时意大利波隆亚大学的天文学教授。他鲜明的人文主义思想倾向、坚定的科学探索精神，特别是他勤于观察、重视实测和敢于怀疑的治学方法和科学态度，对哥白尼的一生有着至关重要的影响。具有丰富天文观测经验的诺法拉曾亲自对南欧一些城市的纬度进行过测量，发现实测值与托勒密体系给出的数据不一致。诺法拉还对黄道的倾角进行过精心的观测，发现实测值也与托勒密体系给出的数据有差别。所以，通过这些观测，诺法拉曾对托勒密体系提出过大胆的怀疑。此外，诺法拉还曾带领哥白尼一起观察天象，研究掩星现象。诺法拉的这些观察实践和怀疑精神，带给哥白尼的是思想深处的最初萌动，并由此而逐渐形成了终生的信念。
在诺法拉的影响下，一生以行医和宗教事务为实际职业的哥白尼，把全部的业余时间都用在了进行天文观察和研究上。在波罗的海海滨的弗劣恩堡教堂的小箭楼上，哥白尼30多年如一日，坚持不懈地观察天象，获取了大量的第一手资料。他后来在《天体运行论》一书中所列举的27项观测实例，有25项是他自己量的天文学古籍。从这里，哥白尼了解到历代天文学曾观察到大量的与托勒密体系不符的事实；也是从这里，哥白尼首次了解到古代学者曾提出过的“日心说”理论。把前人的、老师和自己的观察事实结合到一起，哥白尼坚信托勒密体系是根本错误的，对这个体系继续修修补补已无济于事，必须另辟蹊径建立新的行星运行体系。30年的观察，30年的思考《天体运行论》终于在哥白尼“小天文台”中诞生了。
哥白尼及其《天体运行论》的重大历史意义，在于其首先冲破了专利权统治的罗网，从根本上改变了人们的宇宙观。对此，歌德曾评价说：“哥白尼学说撼动人类意识之深，无一种创见、无一种发明可与伦比。当大地是球形被哥白尼证实以后不久，地球为宇宙主宰的尊号也被剥夺了，自古以来没有这样天翻地覆把人类意识倒转过来。如果地球不是宇宙中心，无数古人相信的事将成为一场空，谁还相信伊甸乐园、赞美诗的歌倾和宗教的故事呢。”哥白尼的理论引导着物理学的先驱者们不再盲从神学和亚里士多德的教条，而是以观察事实为依据，去重新认识自然界的运动规律，开始了物理学的独立与诞生的探索之路。从物理学的角度讲，哥白尼的体系在当时仍然是缺乏物理依据的，比如它不能从动力学业原理上回答“即然地球是运动的，那么地球为什么不崩裂？地球上的物体为什么不会滑脱？鸟儿为什么不落在后面？”等等问题。因而，哥白尼理论一方面为物理学的独立与诞生开辟了道路，另一方面其自身的证明又期待着物理学基本理论的建立，而物理学理论的建立，需要更充实、更系统、更精确的观察事实的积累。当物理学正在荆棘与丛莽中跋涉以寻求突破之际，历史把天才观察家第谷·布拉赫献给了物理学。
出身于贵族家庭的第谷以其毕生的精力，用当时最先进的观察技术，广泛、系统、细致、精确地观察并记录了当时人的肉眼所能观察到的几乎所有的天象。20多年中，他观察并记录下的行星的准确位置，最大误差不超过0.067度，这大致相当于把一枚针举到一臂远处，用眼睛看针类时所张的角度，即几乎达到了肉眼所能达到的极限。就是在数百年后人们有了现代仪器，也不得不惊叹他当时的观察是多么的准确。第谷的天才观察所积累的珍贵资料直接导致了并普勒三定律的诞生，而开普勒三定律的确立使人们看到天体运行遵循着自身的、不以人们的意识为转移的物理规律。开普勒三定律为哥白尼日心说体系的胜利奠定了基础更为进一步用地面上的力学来解释天体运动规律作了极为重要的准备。
与第谷和开普勒观察和研究天体相对应，伟大的物理学先驱伽利略，对地球上的力学现象做了广泛的观察和卓有成效的迭加原理等物理学基本的、重要的规律。当构筑物理大厦的基础已经打好，所需材料业已备足时，等待的就是高明的建筑师的出现，于是伟大的牛走上了物理学的舞台。是牛顿把开普勒、伽利略、惠更斯、笛卡儿、胡克等先驱者们的工作综合到了一起，把天上的和地上的力学结合到了一起并加以条理化、系统化、逻辑化，于是，近代物理学终于诞生了。
从哥白尼到牛顿，物理学走过了一条艰难崎岖的诞生生之路。一代代的先驱者前仆后继，不屈不挠，完成了历史赋邓他们的使命。当我们回首往事的时候，会看到哥白尼、第谷·布拉赫等人不辞劳苦的系统观察对物理学的诞生起了怎样的基础性作用。其实，那正是物理学诞生的一个坚实的起点。
物理学研究在观察中进行
观察是物理学研究的源头活水，它不断地为物理学研究带来新素材，新证据和新动力。当一个从未被人们了解的物理现象被观察到以后，人们首先想到的是用已有的物理理论对其进行解释，使归入到已构建的物理体系中去。如果这种浓度失败了，人们就可能另辟蹊径，从一个新的角度去对这些观察事实进行研究，并逐步弄清它的全部真相。所以，一个新的观察，就可能形成一个新的课题，开辟一个新的领域。而当新课题确立之后，反过来将进一步促进对新现象的全面、深入的观察。随着材料的积累和认识的深入，人们又会对新现象提出各种接近事实的新解释，这就形成了物理学研究过程中的假设性理论。假设性理论形成后，又将再回到观察实际中去，用更直接、更典型的观察对其加以验证。从课题的形成到假设的提出和理论的验证，物理学研究的每一个阶段，始终离不开观察。可见，物理学研究是在观察中进行的。
（1）观察导致研究课题的形成。
物理学研究课题的形成虽然有多种途径，但都必须以观察事实为基础。因而，从这个角度讲，所有的物理学研究课题都直接或间接地来自于观察。
1827年6月，英国植物学家布朗在用显微镜观察克拉花花粉时发现，悬浮在液面上的花粉总是在不停地、杂乱无章地运动着。在排除了液体流动和液体缓慢蒸发等因素后，布朗认为，这可能是由花粉自身的原因引起的。接着，布朗把他的观察推广到各种当时所能收集到的新鲜花粉，结果都看到了类似的现象。再后来，布朗又对煤粉、玻璃粉、岩石粉、金属粉等无生命物质的微粒进行了观察，同样看到了类似花粉粒的无规则运动现象。这就否定了这种运动与生命物质有关的解释。布朗自知无法正确解释这一观察事实，所以在1828年6月到8月，先后以《论植物花粉中的微粒》和《论有机物和无机物中活性分子的普遍存在》为题发表了论文，宣布了他的重大观察事实。这就是后来被称为“布朗运动”的发现经过。
限于当时物理学发展的水平和物理学家的认识能力，布朗的这一不寻常的观察发现并没有引起足够的重视。到了19世纪50年代，热力学第一定律和第二定律相继建立起来后，“热质说”理论最终退出了历史舞台，“热动说”理论被人们普遍地接受，于是促使了古老的分子运动论理论的复活，物理学家们开始关注和研究热与物体各组成部分的运动的确定关系，于是逐渐把目光投向了布朗运动，使其成了物理学研究的一个新的课题。
不少物理学家曾涉足布朗运动这一课题。麦克斯韦在1860年、德耳索在1877年、拉姆塞在1879年都曾指出，微粒的无规则运动是受到周围液体分子不均衡的冲击造成的。卡伯涅斯在1870年则说得更为具体：“在表面较大的情况下，虽然液体分子对其所悬浮的物体发生撞击时会产生压力，但不能使物体产生位移，因为它们对物体的作用力的总和在各个方向上都相等。可是，如果观察的这个表面比较小，以致不能使无规则运动抵消，那么就不能再认为是平均压力，而必须考虑的是彼此不能平衡而又处处不断变化的压力。大多数规律不能再使这个压力合成不变的数值，它们的合力不等于零，它们的强度和方向将不断地变化。”“让我们设热物体的体积越小，则压力的不均等情况就会变得越来越明显，因而振荡就变得越来越快……”
然而，这些研究仍都停留在定性解释阶段，不能从根本上揭示布朗运动的本质原因。到了1905年4月，爱因斯坦连续发表了两篇关于布朗运动的论文，从分子运动论的观点，用统计平均的方法，对布朗运动做了定量的分析研究，使这一课题有了突破性的进展。爱因斯坦论文的重大意义主要有以下几点：①从理论上完全解决了布朗运动这一研究课题；②提出了测定分子大小的新方法，为分子运动论提供了实际依据；③从理论上计算出阿伏加德罗常数NA的数值，提出了用实验测量阿伏加德罗常数的方法。
1908年，佩兰和他的学生肖塞格对这一研究课题做了一系列出色的实验，以无可辩驳的事实证实了爱因斯坦的理论预测，为这一研究课题划上了一个圆满的句号。