Современное естествознание оперирует двумя уровнями научного познания – эмпирическим и теоретическим.
Под эмпирическим уровнем познания подразумевается экспериментальное получение фактического материала. К эмпирическому познанию относятся чувственно-наглядные методы и способы познания (систематическое наблюдение, сравнение, аналогия и др.), которые приносят множество фактов, требующих обработки и систематизации (обобщения). На этапе эмпирического познания факты регистрируются, детально описываются и систематизируются. Для получения фактов производятся эксперименты с использованием регистрирующих приборов.
Хотя наблюдение подразумевает пользование человеком своими пятью органами чувств, ученые не доверяют непосредственным чувствам и ощущениям человека и для точности используют приборы, неспособные ошибаться. Но в качестве наблюдателя все равно присутствует человек, объективность эмпирического уровня не способна выключить субъективный фактор – наблюдателя. Для экспериментов характерны методы проверки и перепроверки данных.
Под теоретическим уровнем познания подразумевается обработка эмпирических результатов и создание теорий, которые могут данные объяснить. Именно на этом уровне происходит формулирование открытых учеными закономерностей и законов, а не просто повторяющихся последовательностей или разобщенных свойств каких-то явлений или предметов. Задача ученого – найти, объяснить и научно обосновать закономерности в материале, полученном эмпирическим путем, и создать на этой основе четкую и стройную систему мироустройства. Теоретический уровень познания имеет две разновидности: теории отвлеченные фундаментальные (лежащие в стороне от существующей действительности) и теории, направленные на конкретные области практического знания.
Эмпирическое и теоретическое знание связано друг с другом и не существует одно без другого: опыты ставятся, основываясь на существующих теориях; теории строятся, исходя из полученного экспериментального материала. Если он не соответствует существующим теориям, то либо неточен, либо требуется создание новой теории.