布朗运动这一具有经典意义的物理研究课题，它的最终解决，使其成为分子运动论在物理学中确立的重要依据，而这一重大物理课题的形成，却源于一个植物学家的一次偶然观察，可见观察对于物理研究课题形成的重要意义。应该指出，有价值的观察并不都是偶然的，物理研究课题的形成常常是从大量的、有目的的观察中提炼出来的。虽然物理研究课题的形成并不是都直接来自于观察事实，它可以直接来自于文献资料，可以直接来自于理论抽象，也可以直接来自于已有的研究成果，但是归根到底，文献资料、理论抽象、已有的研究成果等等，它们最初的形成都必然以一定的观察事实为基础。所以，观察导致了物理研究课题的形成这一点是不容置疑的。
（2）观察是形成假设性理论的依据。
巴甫洛夫曾指出：“鸟的翅膀无论多么完善，如果不依靠空气支持，就绝不能使鸟体上升。事实就是科学家的空气，没有事实，你们就永远不能飞腾起来，没有事实，你们的‘理论’就是枉费心机。”
科学理论的形成必须以观察事实为依据。试想，如果没有第谷·布拉赫辛勤一生所观察积累的大量的、系统的、精确的资料，开普勒再有天才也绝对想像不出行星运动三定律。当研究课题形成以后，人们的观察就会变得更专注、更深刻；有时则要刨设一些情境来观察自然条件下难以出现的事实（这就是实验），以便更广泛地积累观察事实。当观察事实积累到一定量的时候，科学家们就会经过分析、归纳、抽象，提出初步的理论，以对课题所包容的所有或大部分已观察到的事实作出解释，并预见新的还未被观察到的事实，即提出一个揭示某一类观察事实的基本规律。
古代人类很早就注意到了彩虹现象。白色的太阳光照到雨后的天空会突然出现一条七色的彩虹。对此，人们无法解释，只能赋予它许多神秘的猜测。我国唐代张志和的《玄真子》中记载着“背日喷水，水成虹霓之状”的事实，大概是较早的用实验再现和观察彩虹的记录。
13世纪德国有个叫西奥多里克的人，他用装满水的玻璃球壳观察阳光，看到了与雨后天空中彩虹一样的现象。彩虹的实验观察，使人们相信它不是什么天神的旨意，而只是一种特殊的自然现象，从而增强了人们揭开彩虹之谜的信心。与彩虹问题一样，古老而又与之紧密相连的是颜色问题。自古以来，人们就看到了自然界里的红花、绿叶以及多彩的万物，但却不明白为什么同样的太阳光照在不同的物体上会出现不同的颜色？彩虹问题、颜色问题构成了光的色散问题，成为物理学的一个重要研究课题。
大约在1600年，两种扩大人类视野的重要观察仪器——望远镜和显微镜几乎同时诞生了。伽利略用望远镜观察并向世人描述了一系列出人意料的天文景观，为哥白尼理论找到了铁定的观察证据，而胡克则用显微镜看到了一个植物生命的最小单位一细胞。这些，在科学界激起了极大的兴趣。但是，当人们试图尽可能增大望远镜和显微镜的放大倍数时，却发现不可避免地会出现像差和色差。使人迷惑的是，为什么在图像的边缘总会出现颜色？人们预感到这又是光的色散问题。
应用技术的发展，使科学家们看到色散问题的解决不仅很重要，而且十分迫切。所以从17世纪开始，许多科学家开始了色散问题的研究。
1637年，笛卡儿在他的《方法论》一书中专门用一篇附录来讨论彩虹问题。在附录中，他介绍了自己做过的一个棱镜实验。他用一个三棱镜将一束太阳光折射后投到墙上，看到了光的色散现象。但十分遗憾的是，笛卡儿用来做屏幕的墙离棱镜太近，看到的只能是光带两侧的红色和蓝色，而无法看到完整的色散光谱，因而也就不可能对观察事实作出科学的、全面的解释。
1648年，马尔西用类似于笛卡儿的方法，用三棱镜观察色散成功，可是他却错误地认为红光是浓缩了的光，蓝光是稀释了的光，光受到了不同物质的作用便呈现出不同颜色。
1666年，牛顿开始了光的色散研究。牛顿在剑桥学习时，他的老师巴罗对光学很有研究，牛顿帮他编写过《光学讲义》并做过许多光学实验，这培养了他对色散现象研究的兴趣。牛顿首先分析了前人的研究成果，并受笛卡儿和马尔西的启发，从棱镜实验开始做起。牛顿把散射光投到离棱镜6—7米的墙上，获得了完整的展开光谱；进一步的实验观察，牛顿确认：①不同色光通过棱镜时具有不同的折射性能；②阳光通过棱镜而发生的色散现象，不是由于阳光与棱镜发生某种相互作用的结果，而是阳光本身就是由多种色光复合而成的。
在进行了大量的实验观察，获取大量的实验事实的基础上，牛顿开始提出他的色散理论，主要总结出如下几条规律：①光线随其折射率不同，颜色也不同。颜色不是光的变态，而是光线原来的、固有的属性。②同一色属于同一折射率，不同的色，折射率不同。③色的种类和折射的程度是光线所固有的，不会因折射、反射或其他任何原因而改变。④必须区分两种颜色，一种是原始的、单纯的色，另一种是由原始的颜色复合而成的色。⑤本身是白色的光线是没有的，白色是由所有色光按适当比例混合而成的。⑥由此可解释棱镜形成各种色的现象及彩虹的成因。⑦自然物体的色是由于对某种色光的反射大于其他色光反射的缘故。⑧把光看成实体有充分的根据。
牛顿的色散理论，以大量的实验观察为基础，有着充分的依据。重视实验和观察，重视从事实中归纳出普遍结论，是牛顿进行科学研究的重要方法。牛顿对色散问题的研究为后来的物理学家们树立了光辉的榜样。
（3）观察事实是检验理论的标准。
在观察事实的基础上，某种理论一经建立，它就必须再回到观察实践中去，由更多的观察事实对其真理性进行检验。一般说来，一个完整的科学理论，应提供能够检验其真理性的预言和观察方法。只有实际观察到了某一理论所应解释或预言的事实，才能说明这一理论获得了相应的检验。应该指出，某一理论只有经过科学事实的反复验证，才能最终被确立为科学理论。一个精度不很高的观察事实或实验就可以否定一个理论，而一系列精度很高的观察事实或实验却不能最终肯定一个理论。但是，每一个有利于理论的观察事实和实验，都使得理论向真理迈进了一步。
广义相对论建立以后，爱因斯坦提出了三项供检验的预言：一是水星近日点的进动；二是光线在引力场中的弯曲；三是光谱线的引力红移。这三项预言都是通过广义相对论理论计算出的结果，如果观察所得结果与理论计算结果相符，则在一定程度上证明广义相对论的正确；反之，则说明广义相对论是错误的。
三项预言中最先得到确认的是水星近日点的进动。水星是靠太阳最近的一颗行星，椭圆轨道偏心率很大。进入19世纪以来，人们就发现水星近日点相对于宇宙空间的固定方位不断缓慢地变化着，即每转一罔，轨道长轴方向就会转过一个微小的角度，这种现象就叫做“进动”。
1859年，勒威耶发现，水星近日点进动的观察值比应用牛顿定律计算出的理论值每世纪要快38角秒，所以他猜想在水星与太阳之间可能还有一颗未被发现的小行星，由于在计算中没有考虑到它对水星转动的影响而造成了水星进动理论值与观察值的误差。但是，多年的搜索，人们始终未能找到勒威耶预言的小行星。
1882年，纽康姆通过更细致的观察和计算，得出水星近日点剩余进动为每世纪43角秒，但他仍未能给出令人满意的解释。于是，水星近日点的进动成了物理学的一大难题，从而引起人们对牛顿万有引力定律的怀疑。
在广义相对论中，爱因斯坦把行星的绕日运动看成是在太阳引力场中的运动，由于太阳质量而引起空间的弯曲，使得行星绕太阳一周近日点产生的进动为ε=24π2a2/T2c2（1-e2）。
式中：a——行星半长轴，c——光速，e——偏心率，T——公转周期。
将水星的相关数据代入公式得到ε=43″/世纪，恰好与纽康姆计算的剩余进动相符，这就说明43″/世纪的剩余进动是由于相对论效应引起的。因此，这个结果解决了牛顿引力理论的一大难题，成了广义相对论的有力证据。
在牛顿力学中，质点经过引力场时都发生偏折。进入20世纪以来，人们已接受了光的量子性观点，所以光子在引力场中发生偏折是自然而合理的，也就是说，一束光经过太阳表面时，由于受太阳引力场的影响，传播方向要偏折一个θ角。在牛顿力学的框架内，很容易计算出这个角度是θ=0.87″，这是一个很微小的角度。在狭义相对论中，因为空间保持了欧几里德几何性质，计算结果不发生变化。广义相对论建立以后，爱因斯坦在汁算时不仅考虑了太阳的引力作用，还考虑了太阳质量导致周围空间发生的弯曲对光线偏折的影响，得到的结果是θ=1.75″，正好是平直空间情形下的2倍。爱因斯坦的这一预言，引起人们的极大兴趣，因为它是对广义相对论最明确的也是最严峻的考验。然而，要实际观察这一效应是很困难的，因为当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时，正是我们的白天，此时背景太亮，我们根本看不到星，惟一的机会就是等待日全食。
1919年5月29日，机会终于来了。在英国天文学家爱丁顿的鼓励下，英国派出了2支远征队：一队由爱丁顿本人率领，远赴非洲西部的普林西比岛；另一队则由天文学家克劳姆林率领，远赴巴西的索布腊尔。经过对这两支队伍带回的日全食太阳照片的仔细分析研究，观察结果分别是1.61″±0.30″和1.98″±0.12″，在误差范围内与爱因斯坦计算的结果相符。1919年11月6日，英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了这两支队伍的观测报告，确认结果支持广义相对论。11月7日，新闻媒体报道了英国天文学家的观察结果，爱因斯坦一下子成了世界名人。
关于光谱线的引力红移以及后来人们设计的雷达回波延迟两项检验广义相对论的观察，也都先后被证实是正确的。总之，到目前为止，所有的观察都是支持广义相对论的，还没有发现明显地违反广义相对论的事实，所以广义相对论越来越令人信服了。
物理学的研究从形成课题到提出理论再到理论的检验，都与观察紧密相连。所以，观察是物理学研究最根本的基础；离开了观察，物理学研究就无法开展，物理学就会停滞不前。
观察是导致物理重大发现的途径
从物理学史中我们可以清楚地看到，在物理学的诞生和发展的过程中，科学的物理观察起到了极为重要的作用，观察成了物理学的基础性工作。然而，从另一个角度看，观察也是物理学研究的基本方法之一。且不说在早期的物理学研究中观察是物理学研究的主要方法之一，即使在现代的物理学中观察仍然是重要的基本研究方法，特别是在天体物理学、宇宙学等研究课题中，人们无法控制、干预或改变研究对象，只能用客观观察的方法进行研究。在这里，人们所要做的就是观察方案的设计、方法的优化、仪器的改进以及观察信息的科学处理，以获得有价值的成果。
观察作为物理学的基本研究方法，曾导致了物理学的一些重大发现，推动了物理学发展的进程。客观地说，一次偶然的观察，也许就可能获得一个有价值的发现，如布朗发现布朗运动就带有一定的偶然性。然而，就一般情况而言，以观察作为物理课题研究的基本方法，要想获得重大发现，则需要通过长期的、系统的、准确的材料积累，需要付出更为繁重、艰苦的劳动，需要有更大的耐心与毅力。
自古以来的传统宗教观念认为，太阳系除了地球以外只有5颗行星。哥白尼建立日心说体系时，把太阳系的边界放在土星上，康德在提出太阳系起源的星云假设时，也把太阳系的边界放在了土星上。而1781年3月，英国天文学家赫歇尔在经过长期艰苦的观察后，发现了太阳系的第六颗行星——天王星，还算出天王星距太阳的距离约为28亿千米，相当于日地距离的19倍，绕太阳公转的周期为84年。这一发现，打破了太阳系只有5颗行星的传统观念，把太阳系的范围一下子几乎扩大了1倍。
以演奏风琴为职业的赫歇尔，对艺术有着特殊的天赋，他的风琴演奏曾使伦敦的许多听众为之倾倒。凭着杰出的演奏才能，赫歇尔完全可以轻松、潇洒、富有地度过一生，然而，他却近乎痴迷地爱上了天文观察。为此，他忍受着半生的清贫困苦、一生的艰辛劳累，乃至于终生未娶。
赫歇尔在选取天文学作为自己的事业追求时，十分明白天文观察是“最吃苦、最吃力”的学科。人生相对于宇宙，在时间和空间上都显得极为渺小。像第谷那样天才的天文观察家，一生也未能实现观察记录1000颗星的愿望；哈雷生性敏锐并幸运地发现了哈雷彗星，但也未能再见它一面而匆匆辞世。这些人虽有抱憾，但毕竟有所建树而青史留名。可大量的天文工作者，一生受着寒夜的折磨，在迷乱的星阵里摸索，但终无所成而默默谢世；更何况作为业余的、自发的天文研究，得不到半点官方或社会团体的资金、场所、设备的援助。对于只有菲薄收入的赫歇尔来说，由此带来的困难可想而知。然而，这些都未能动摇赫歇尔的决心和意志，他在极端困难和艰苦的条件下，进行着卓有成效的研究。
赫歇尔在其观察研究中，首先注重改进观察仪器，制造出更适合自己应用的大型望远镜，以便能看得更远，看得更清——他一生亲自磨出400多块镜片，最大的直径达1.22米，因此成为名副其实的制镜高手；其次是熟悉天空，做到心中有数——为了弄清天上到底有多少颗星，他把天空分成638个天区，以后又进一步分成1083个天区，一个区一个区地观察记录并在图上标示。
赫歇尔一生共计数出不下117600颗星，可想这是一项多么繁重而艰苦的工作。正是由于勤奋刻苦的工作对茫茫星海了然于胸，所以天上任何一个不速之客的出现都不会逃过赫歇尔的眼睛。当发光微弱、行动迟缓的天王星出现在天上时，一下子便被赫歇尔抓住了，几十年的艰辛劳作终于结出了一个伟大的硕果。
天王星发现的意义，不仅仅是把太阳系的范围扩大了不起倍，更重要的是为以后天文学和天体物理学的发展提供了一个新的起点。
