כמו כן, המדענים משתמשים במטאפורות יסודיות כדי לבנות את תצפיותיהם למבנה מושגי ברור, על ידי דדוקציה ואינדוקציה, וגם מטאפורות אלה קבועות בתוך הבנתם את העולם.
ריאליזם מדעי.
ריאליזם מדעי הוא השקפה הגורסת כי היקום מתנהג באמת כפי שהוא מתואר על ידי תאוריות מדעיות. ריאליסטים חושבים כי ישים כמו אלקטרונים או שדות כוח חשמליים באמת קיימים. הריאליזם מניח שקיים עולם בלתי תלוי בנו ושערך האמת או השקר של טענה על העולם נקבע על ידי התאמה של תוכן הטענה למה שקיים בעולם (הנחות אונטולוגית). עוד מניח הריאליזם שבני אדם יכולים לדעת אם טענות על העולם הן אמיתיות או שקריות, באמצעות מחקר מדעי (הנחה אפיסטמולוגית). לבסוף, לפי הריאליזם, יש לפרש מונחים תאורטיים כגון 'אלקטרונים' ו-'דנ"א' המתייחסים לאובייקטים בלתי ניתנים לצפייה כפשוטם, כלומר כמתייחסים ליישים שאכן קיימים בעולם (הנחה סמנטית).
ישנן מספר גרסאות של ריאליזם מדעי, השונות זו מזו בהתחייבויותיהן המטאפיזיות. ריאליזם נאיבי מניח שכל הישים המתוארים בתאוריות מדעיות אכן קיימים. גרסאות מתוחכמות יותר של ריאליזם בוחרות להאמין באופן סלקטיבי בקיומם של ישים מסוג מסוים, אך לא באחרים. ריאליזם חלקיקים (אנגלית: entity realism) הוא ההשקפה שחלקיקים בלתי נראים, כגון אלקטרונים ופוטונים, המאכלסים תאוריות מדעיות, אכן קיימים וההוכחה לכך היא שמדענים מצליחים לשלוט בתופעות שהם מזהים עם חלקיקים אלה ולבצע עליהן מניפולציות באופן שיטתי. ריאליזם חלקיקים מזוהה בעיקר עם הפילוסופים איאן האקינג וננסי קרטרייט. ריאליזם מבני (אנגלית: structual realism) מזהה את המציאות עם מבנים מתמטיים המאכלסים תאוריות שונות. ריאליזם מבני מזוהה עם הפילוסוף ג'ון וורל.
ישנם מספר טיעונים בעד ונגד ריאליזם על גרסאותיו השונות. טיעון מפורסם בעד ריאליזם הוא "טיעון הנס", אשר לפיו ההצלחה הכבירה של המדע לתת חיזויים מדויקים היא בבחינת נס, אלמלא היו מניחים שהישים התאורטיים אכן קיימים. טיעון זה מזוהה עם הפילוסוף הילרי פטנאם (פטנאם חזר בו מטיעון זה וכיום הוא מחזיק בעמדה של ריאליזם פנימי, שהיא, למרות שמה, עמדה אנטי-ריאליסטית). מנגד, יש הטוענים שהצלחת המדע אינה כה מפתיעה, משום שאמצעי המדידה שבהם משתמשים המדענים כבר כוללים את הנחות היסוד התאורטיות שלה, לכן התוצאות שתתקבלנה בוודאי יהיו בהתאם למה שציפו משום שאין באפשרות המכשירים לספק תוצאות אחרות, כל תוצאה שתתקבל תהיה בגדר המצופה ובהתאם להנחות היסוד.
טיעון אנטי-ריאליסטי נוסף הוא טיעון "האינדוקציה הפסימית", אשר לפיו מכיוון שכל תאוריה שנחשבה אמיתית בעבר נתגלתה כשקרית, אנו יכולים להניח בהסתברות גבוהה שהתאוריות הנוכחיות יתגלו כשקריות.
טיעון זה מזוהה בימינו עם הפילוסוף לארי לאודן. ישנן מספר אסטרטגיות להתמודד עם טיעון זה. יש המנסים להפריד בין תאוריות מדעיות בשלות לבין תאוריות בלתי בשלות, ולטעון שרק תאוריות מדעיות בלתי בשלות התגלו כשקריות, ואילו תאוריות בשלות היו קרובות לאמת. האתגר, הוא להגדיר בשלות של תאוריות באופן נפרד מהיותה של תאוריה קרובה לאמת, ולא - אנו מניחים את המבוקש. גרסאות של ריאליזם כגון ריאליזם מבני מנסות אף הן להתמודד עם טיעון האינדוקציה הפסימית, בהצביען על מבנים מתמטיים, כגון משוואות מקסוול, המאכלסים תאוריות מדעיות, ונוטים להשתמר גם כאשר תאוריות מתחלפות, גם אם הפרשנות שלהם משתנה.
אינסטרומנטליזם.
האינסטרומנטליזם טוען כי התפיסות, התאוריות והרעיונות המדעיים שלנו הם מכשירים נוחים על מנת להסביר, לחזות ולשלוט בחוויות שלנו. האיסטרומנטליסט יכול להכחיש את קיומם של ישים תאורטיים או להיות אדיש לשאלה האם ישים אלה קיימים או לא. לאינסטרומנטליסט, אלקטרונים ושדות חשמליים הם רעיונות נוחים למימוש מטרות מסוימות שאולי אינם קיימים באמת. אינסטרומנטליזם מבוסס בעיקר על הפילוסופיה של הפרגמטיזם, המזוהה בעיקר עם הפילוסוף האמריקאי ג'ון דיואי, שהושפע על ידי פילוסופים קודמים כמו ויליאם ג'יימס וצ'ארלס סנדרס פירס.
קונסטרוקטיביזם חברתי.
נושא לעניין בקרב היסטוריונים, פילוסופים וסוציולוגים של המדע הוא המידה שבה התאוריות המדעיות מושפעות על ידי הרקע החברתי והפוליטי שלהן. הקונסטרוקטיביסט החברתי יטה לפקפק בקיומה של מציאות אובייקטיבית המתקיימת בנפרד מהמציאות האנושית. ניתן להבחין בארבע טענות המזוהות עם קונסטרוקטיביזם חברתי, בסדר עולה ברמת הקיצוניות שלהן:
ראו גם: פוסטמודרניזם.
אנליזה וסינתזה.
אנליזה היא הפירוק של תצפית או של תאוריה למושגים פשוטים יותר על מנת שנוכל להבינה. אנליזה הכרחית למדע, כמו לכל מעשה רציונלי אחר. בלתי אפשרי, לדוגמה, להסביר את התנועה של קליע ללא הבדלה בין כוח המשיכה, זווית הירי והמהירות ההתחלתית. רק לאחר אנליזה זו ניתן לנסח תאוריה מתאימה של תנועה.
השימוש המסיבי באנליזה החל במאה ה-17 עם ההסברים שפיתחו גלילאו גליליי ואייזק ניוטון לתנועה בליסטית על ידי פירוק התנועה לרכיבים. דבר זה היה מנוגד בתכלית לתפישת השלמות המדעית של אריסטו (שבה מהות הדבר לא נפרדת מהדבר עצמו, ולכן אי-אפשר להסביר דבר אחד באמצעות דבר אחר) ששלטה בכיפה המדעית באירופה (בגלל הכנסייה הקתולית) עד לתחילת הרנסאנס.
ג'ורג' ברקלי ודייוויד יום תקפו קשות את האנליזה, אך היא שרדה בזכות היותה אחד הכלים החזקים והשימושיים במדעי הטבע.
רדוקציוניזם.
לרדוקציוניזם במדע עשויות להיות כמה משמעויות. סוג אחד של רדוקציוניזם הוא האמונה, כי ניתן ליישם את החקירות המדעיות בכל תחומי המחקר. מאורע היסטורי יוכל להיות מוסבר באמצעים פסיכולוגיים וסוציולוגיים, אותם ניתן להסביר על ידי הפיזיולוגיה האנושית, שאותה ניתן להסביר על ידי פיזיקה וכימיה. המאורע ההיסטורי עבר רדוקציה למאורע פיזיקלי. אפשר לומר כי המאורע ההיסטורי לא היה אלא המאורע הפיזיקלי.
דניאל דנט המציא את המונח "רדוקציוניזם תאוותן" על מנת לתאר את ההנחה כי ניתן להפעיל רדוקציה שכזו. הוא טוען כי רדוקציה כזו היא "מדע גרוע", המחפש הסברים נאים, במקום הסברים שמועילים לחזות תופעות טבעיות.
כנגד הרדוקציוניזם התאוותן ניתן לטעון, שכמות המידע הגלומה במערכת סגורה גדולה יותר מכמות המידע שניתן להפיק מבחינה של כל אחד ממרכיביה, וזאת מכיוון שבחינה של מערכות מסוימות מחייבת חוסר התייחסות לחלק מהמידע שנמצא בהן, מכיוון שלא ניתן לבחון את כל המידע, וצריך להשתמש במדגם קטן, שייתכן שהוא אינו מייצג. לפיכך, אנליזה של המערכת לעולם לא תוכל לתת את המידע הגלום בה, ולכן הרדוקציה אינה אפשרית. ניתן לחשב את כמות המידע שאבדה באנליזה על ידי תאוריית המידע, שהיא אחד מהמרכיבים של תאוריית הכאוס.
אינדוקציה.
השיטה המדעית מתבססת על הסקה אינדוקטיבית או אינדוקציה - כלומר הסקת כלל מתוך תופעות נצפות, או מציאת הכלל האוניברסלי מתוך הפרט. חשיבה אינדוקטיבית טוענת כי אם מצב מסוים קיים בכל המקרים הנצפים, אפשר לומר שהמצב הזה קיים בכל המקרים. לפיכך, לאחר שעושים כמה ניסויים התומכים בחוק, אפשר לטעון שהחוק מתקיים בכל המקרים.
יכולת הפרכה.
לאור הבעיות הלוגיות הנובעות מן האינדוקציה (העובדה שאירוע התרחש N פעמים איננה מבטיחה שיתרחש ב-N+1), כפי שטען הפילוסוף הסקוטי דייוויד יום, ביקש קרל פופר להציב את ההפרכה כקנה המידה לעשייה המדעית. עקרון ההפרכה הוא הפתרון של פופר לבעיית האינדוקציה - בעוד שלא ניתן להגיע מאף מקרה למסקנה כוללנית (אינדוקציה) הרי שאפשר לשלול טענה או קביעה על ידי הפרכה אחת. כך, למשל, מספיק למצוא ברבור שחור אחד כדי להוכיח שהאמירה "כל הברבורים לבנים" אינה נכונה. על כן, תאוריות אינן נבחנות בהוכחה, אלא בכך שהן אינן מופרכות. לפיכך, על מנת שטענה תיחשב כמדעית, היא צריכה להיות מנוסחת באופן הניתן להפרכה, כלומר שיהיה אפשרי להוכיח שהיא אינה נכונה.
עקביות.
אינדוקציה ויכולת הפרכה, הם הבסיס למבנה כולו, שאם לא כן, נכנסים לרגרסיה אינסופית. זאת בעיקר מכיוון שהקביעות שלנו תמיד מגיעות מצפייה, שהיא פעולה קוגניטיבית ותלויה בהמון הנחות יסוד לא-מוכחות.
קוהרנטציזם, או עקביות, מציעה אלטרנטיבה בכך שהיא טוענת כי ניתן להצדיק קביעות בכל שהן חלק ממערכת קוהרנטית ועקבית. במקרה של המדע, מדובר במכלול האמונות המדעיות של הקהילה המדעית כולה. וילארד קוויין טען לגישה קוהרנטציסטית למדע. תצפית היא נכונה מכיוון שהיא עקיבה עם שאר הידיעות שלנו לגבי העולם.
תערו של אוקאם.
תערו של אוקאם הוא עקרון חשוב נוסף בפילוסופיה של המדע. ויליאם איש אוקאם הציע כי בהינתן שתי תאוריות מדעיות בעלות יכולת ניבוי זהה, יש להעדיף את זאת שמניחה פחות ישויות, כלומר את הפשוטה על פני המסובכת, גם אם לא ידוע איזו מהן היא הנכונה. באופן כללי, יש להשתמש בכלל זה שהרי ניתן לנסח את החוק השלישי של ניוטון כך: "לכל פעולה יש תגובה שווה והפוכה, חוץ מאשר ב-5 בינואר 1456, שאז כל התגובות יהיו כפולות". מובן שיש אינסוף אמירות כאלה, ולחוקים מדעיים לא תהיה כל משמעות אם ניאלץ לבדוק כל אחת ואחת מהן, ולכן נעדיף את החוק הפשוט ביותר.
עם זאת, המינוח הסובייקטיבי "תאוריה פשוטה" עשוי להפוך לסלע מחלוקת, כפי שניתן לראות גם בפירושים השונים לתאוריה של תורת הקוונטים.
תומאס קון.