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古典时期 (Classical Period)
最早寻求事物的自然或俗世解释而非神的解释的思想家，是古希腊学者泰勒斯 (Thales)、毕达哥拉斯 (Pythagoras) 和德谟克利特 (Democritus) 等人。但最先思考如何获得知识的 是两千三百多年前的柏拉图 (Plato) 和亚里士多德 (Aristotle) 。
对柏拉图来说，外部世界及其中的事物，只是它们理想形式的不完美投射或影子。这些理想形式往往被描绘成在墙上投下影子。
柏拉图是一个 哲学实在论者 (philosophical realist) 。他认为 现实 (reality) 即理想世界，是独立于人的思想之外存在的。对他来说，这些理想并非只是我们心中的抽象概念，它们真实存在，但独立于物质世界之外。
他认为既然我们看到的物质世界是真实的 不完美投射 (imperfect reflection) ，我们就不能从感官经历中认识到 现实的本质 (the true nature of reality) 。他坚信理想形式的知识只能通过推理论证获得。所以柏拉图被称为 理性主义者 (rationalist) 。
他的学生亚里士多德也是个实在论者。他认为现实独立存在于人类的思想之外。但对亚里士多德来说，现实就是物质世界，没有单独的抽象形象存在。在如何了解事物本质上，他也与柏拉图意见相左。亚里士多德是 经验主义者 (empiricist) 。他认为感官经验准确地代表了现实。所以我们可以用感官去理解现实。他认为，归根结底知识来源于观察。但这并不意味着他仅对观察感兴趣，他依然将推理论证视作了解和解释自然的最佳方式。事实上，他建立了 形式逻辑 (formal logic) ，更确切地说是 三段论 (syllogism) 。
这有一个三段论的例子。
“所有人都会死去，而所有希腊人都是人类，因此所有希腊人都会死。”
如果两个前提为真，那么结论必然为真。把此结论当作新三段论的前提，我们就能积累知识。但这只在前提确实为真的情况下成立。看看这个：
“所有哺乳动物都长毛，而猫都是哺乳动物，所以猫全都长毛。”
第一个前提是错的，这就意味着结论不一定对，不是积累知识的好基础。
那么如何确保前提是正确的呢？你可以用另一个三段论来证明它。但当然你需要不停地证明这些前提，有一套你认为毫无争议的初始前提。亚里士多德认为，这些 基础前提 (fundamental premises) ，可以通过观察世界的基本形式或规律来决定。不巧他并未意识到他的某些观察选择性太强，导致一些基础前提在我们现在看来错得彻彻底底。比如，以他的观察为依据，昆虫有四条腿，男人比女人的牙齿多。
亚里士多德可能看到蜉蝣用四条腿走路得出了这个结论，但实际上蜉蝣与其他昆虫一样都有六条腿。也有可能他检查了自己和那些男性朋友的牙齿，但只查看了女佣的牙齿，她们更有可能因为营养不良而牙齿变少。他并没有意识到这点，他的观察是不准确的。即便如此，他和柏拉图的观念仍在近两千年内占据了主流。直到 16 世纪末期，人们才意识到他们的观点是有缺陷的。
他们时代之后的科学方法是如何发展的呢？古希腊人有很多科技进步。比如，托勒密 (Ptolemy) 将行星运动描述为：地球位于宇宙的中心，静止不动；其他行星，包括太阳都沿着各自的小轨道绕地球运动。必须要加上这些大环套小环，才能解释行星有时逆行的奇怪现象。
托勒密的模型能进行准确的预测，但人们并不认为它描述了真实的行星运动，它只能解释现象。
希腊城邦消亡后，在罗马帝国的兴衰更替间，以及中世纪的最初几百年，几乎没有任何科学进展。柏拉图和之后亚里士多德的哲学观点一直是主流，直到 16 世纪末新的科学革命拉开了启蒙时代的序幕。
让我们来看看哪些进步最终引导了革命。
首先，阿拉伯和波斯学者比如伊本・哈桑 (Ibn al-Hasan) ，比鲁尼 (Al Biruni) 和伊本西纳 (Ibn Sina) 开始使用系统观察和实验。强调无偏见的观察，而不只是逻辑推理。之后，在前人的基础上，英国的格罗斯泰斯特 (Grosseteste) 和罗杰・培根 (Roger Bacon) 提倡使用归纳 (induction) 与演绎 (deduction) 。
归纳 (Induction) ，即通过特定观察得到一般解释。 演绎 (Deduction) ，即用一般解释预测特定结果。
第三个重大发展是印刷机的发明，这为科学革命创造了极好的条件。更多学者的成果得到了广泛的传播，其中就包括哥白尼 (Copernicus) 的《天体运行论》(De Revolutionibus Orbium Coelestium) ，这是引领科学革命的第四个重大发展。在哥白尼的新行星运动模型中，行星包括地球都围绕太阳运动。这与当时的宗教教义不符，教会接受亚里士多德和托勒密的模型，即地球位于宇宙中心。很多历史学家认为，哥白尼不敢发表他的成果，因为他害怕教会会因为违背教义惩罚他。但他最终还是发表了他的新模型，但加上了给教皇的特别献词，声称如果托勒密能炮制一个轨道怪异且只能解释现象的模型，那么他也应该享有同等的自由。他暗示他的模型仅仅是个实用的模型，而不是确切的表述。
他是否真心相信这一点也不得而知，不久他就与世长辞了。在这之后 60 年都没有引发骚动。很多人认为，科学革命和启蒙时代由哥白尼而始，但其他人认为荣誉应该归于第一个拒绝向天主教低头，坚持认为日心说模型才是现实的真实描述的人。
这个人就是伽利略・伽利雷 (Galileo Galilei) 。
启发 (Enlightenment)
伽利略 (Galileo) 被认为是现代科学之父，因为他开始将科学从哲学、伦理学和神学中分离，这些原来都在天主教的严格管控之下。
有人已经默默拥护基于 观察和实验 (observation and experimentation) 的科学方法，而不是使用 神学推理 (theological reasoning)，但伽利略是第一个这样光明正大做的人
。他也反对亚里士多德的几个理论，这些理论被天主教视为教义。
例如，他驳斥了亚里士多德说重物落地比轻物更快的观点。伽利略用了思想实验来证明这个观点，表明除了观察，他也重视 逻辑推理 (logical reasoning) 。当然，他最出名的是质疑亚里士多德和托勒密有关地球是宇宙中心的观点。他支持哥白尼的日心，即太阳是宇宙中心。伽利略对金星进行了系统的观察，发现行星只有绕太阳转而不是绕地球转才说得通。
哥白尼认为，日心说模型恰恰解释了这个现象，说明该模型准确预测了我们对行星的观察，但他却说这模型并非反映物理现实。相反，伽利略却毫无顾忌地声称地球就是绕着太阳转的。
天主教不喜欢伽利略离经叛道的想法。他们对伽利略进行宗教审判，把他软禁起来直到去世。
发明笛卡尔坐标系的 勒内・笛卡尔 (René Descartes) 和伽利略是同一时代的。虽然笛卡尔也反对亚里士多德许多的观点，但他同意知识应当基于 第一原理 (First principle) 。因为他认为我们的感官和思想很容易被欺骗，他决定放弃所有哪怕只有一点点疑问的想法。一旦移除了所有的怀疑，就只剩下一点可以确定 —— 即他在思考，那么他一定存在。我思故我在。
他最终得出结论：我们只能用 推理 (reasoning) 来了解世界本质。
弗朗西斯・培根 (René Descartes) 和笛卡尔一样，认为科学知识应当基于第一原理。但和笛卡尔相反，培根坚持认为这只能通过 归纳法 (inductive methods) 。归纳法就是把对特定实例的观察，用于总结普遍规律或解释。假设我每次碰到的天鹅都是白色的，我就能归纳出普遍规律：所有天鹅都是白色的。培根相信，不仅仅是第一原理，所有的知识都只能用归纳法获取，也就是这种基于感官经验总结出解释的方法。这就是为什么他被视作 经验主义 (empiricism) 之父。经验主义就是关于经验或观察。
大卫・休谟 (René Descartes) 把经验主义发挥到了极致 —— 只接受感官数据为知识来源，且摈弃与直接观察结果不符的理论概念。他认为现实的本质只由物体的特征组成，而不是物体本身。经验主义的极端形式叫做 怀疑主义 (skepticism) 。我来给你举个例子，比如有个实物 —— 一只猫。什么使得这只猫能成为猫 是它的各种属性 它的尾巴、胡须、颜色、皮毛、体型。如果把组成猫的属性都移走，那剩下的是啥都没了，猫的本质埋藏在其特征中。
休谟也指出了归纳法的问题：即使持续反复观察一个现象，但也没法保证下一次观察到的和前一次相同。
至少在欧洲人的长期观念中，所有的天鹅目击记录都证明天鹅是白色的。直到在澳州发现黑天鹅后，才知道原来还有黑的。换句话说，即使再多的验证观察，也不能确实证明关于世界的科学命题是真的。所以如果你要求所有的知识都只能基于观察，那么你永远不能确定你知道些什么。
19 世纪初，部分是针对休谟的怀疑主义， 德国唯心主义 (German Idealism) 的哲学运动流行起来。唯心主义者相信我们的精神构筑了现实，我们对世界的体验是精神的重构，因此科学探索应当专注于通过自身推理能获得什么。唯心主义者主要关注的问题是非物质的东西，像自我、上帝、本质、存在和因果，他们也因使用模糊和过度复杂的语言而受到强烈批评。
在十九世纪第二次工业革命前夕，科学家开始对唯心主义者的形而上学失去耐心。在科学、医药和技术飞速发展的时代，他们对存在本质的思考变得越来越没用。在 20 世纪初，一种新的科学哲学登上舞台，提议彻底返回经验主义，这项运动叫做 逻辑实证主义 (logical positivism) 。
现代科学 (Modern Science)
第一次世界大战过后，由于不满于德国那群专注于知识的第一原理和世界的本质的唯心主义者的 形而上学 (metaphysics) ，一群数学家、科学家和哲学家组成了维也纳学派 (Vienna Circle)。
维也纳学派的成员，摩里茲・石里克 (Moritz Schlick)、奥托・诺伊拉特 (Otto Neurath) 和鲁道夫・卡纳普 (Rudolf Carnap) 认为唯心主义者关于自我存在的问题毫无意义，因为这些问题无法回答。他们提出了新的科学哲学思想 —— 逻辑实证主义 (Logical Positivism) 。它重新将科学定义成是研究对世界有意义的命题。那么，要使一个命题有意义，它必须可验证，也就是有验证标准。这意味着要能确定命题的真实性。
有意义的命题有两种： 分析命题 (analytic statements) 和 综合命题 (synthetic statements) 。
分析命题会 同义反复 (tautological) ，一定是真的。比如说，单身汉未婚，所有正方形都有四条边。这些是 先验命题 (priori statements) ，如定义和纯逻辑命题。它们不取决于世界的状态，因此也不需要通过观察来验证。它们可以被运用在数学和逻辑中，分析命题的新组合可以用形式逻辑验证。
综合命题依存于世界的状态。比如说，所有单身汉都快乐和所有猫天生都有尾巴。这些命题是 后验的 (posteriori) —— 它们只能通过观察验证。逻辑实证主义者认为，这些命题应始终可公开研究。同时，命题不许提及无法观察的实体，如电子或重力，因为它们无法被直接观察到。如果命题提及了无法观察的实体 或不是同义反复的，或不合逻辑的，或经验上不可验证的，那么它就是无意义的。这样一来，形而上学、神学和伦理学之类的主题，就完美地从科学中被剔除了。
当然，源自观察的标准和验证无法处理归纳法问题。明确证明或验证一个命题的确切证据永远都不够。总有可能在未来发现矛盾的地方。所以就把验证标准的强度弱化了，只要求确认而不是验证就可以了。
另一个非常严格的规则也必须改变了 —— 不许提及无法观察的实体造成了大麻烦：像电子、重力和抑郁这种无法被直接观察，但它们在科学解释中是不可或缺的。
这些以及归纳法问题，使逻辑实证主义出现了一个更温和版本 —— 逻辑经验主义 (logical empiricism) 。
卡尔・波普尔 (Karl Popper) 也被戏称为维也纳学派的官方反对者，是他们的主要批判者之一。他认为要区分命题是否有意义，应建立在 可证伪性 (falsification) 的标准上，而不是能否 证实 (verification) 。
他认为，我们永远不能用观察来确切验证或证明一个命题，但我们可以用与之矛盾的证据有力驳斥。他认为一个命题必须有可证伪性才有意义。他提出科学家应该积极进行冒险的实验，它们能把找到与假说矛盾的证据的可能性最大化。如果我们找到了这样的反面证据，就能从中找到改进假说的线索。 只有反面证据缺失时 该假说才能暂时成立。
现在，威拉德・冯・奥曼・奎因 (Willard Van Orman Quine) 证明，这个标准也有问题。在杜恒 - 奎因论题 (Duhem-Quine thesis) 中，他认为没有假说能够被单独验证，总有 背景假设 (background assumptions) 和 辅助假设 (supporting hypotheses) 来支持。如果找到了反面证据，根据波普尔的理论，我们的科学解释是错的，应该被驳回。但根据奎因的理论，我们总可以驳回某个背景假设或辅助假说，而不是科学解释本身。这样就挽救了原始假说。
托马斯・库恩 (Thomas Kuhn) 指出，科学并非脱胎于验证或证伪原则的严格应用。如果数据与假设不符，假设不会被立刻驳回或修改，科学是在一定的框架或 范式 (paradigm) 内进行。建立的假说要适用这个范式，意外结果使假说需要修正。但只要其适合范式即可。但当越来也多的反面证据累积起来，危机就出现了 这就导致了 范式转换 (paradigm shift) 。新的范式被采用，然后循而往复。
即使变成较弱形式的逻辑经验主义，逻辑实证主义也不能从波普尔、奎因等人的批判中幸存。所以，我们发展出一种更实用的科学哲学。如今的科学家采用 假说 - 演绎法 (hypothetico-deductive method)，其结合了归纳和演绎的方法；要求可证伪性；仅在假说有临时支持时接受重复确认。
哲学层面上，很多科学家可能会喜欢巴斯・范・弗拉森的 建构经验主义 (constructive empiricism) ，其主张科学是为了产生基于大量经验的理论。知识需要观察，但不可观察的实体也是允许的。接受一个科学理论并不意味永远认同 —— 这是对世界的真实表述。建构经验主义者认为，只要在观察范围内，即可接受科学主张为真实。该命题是否真实代表了不可观察的实体，我们无需判断，这只是目前对观察结果的最佳解释，仅此而已。
