Đặt một viên nước đá lên bàn, ta biết nó sẽ tan. Điều ít hiển nhiên hơn là trong lúc tan, nó vẫn nhận năng lượng từ môi trường nhưng nhiệt độ có thể gần như không tăng. Năng lượng ấy được dùng cho quá trình chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng. Mắt ta chỉ thấy viên đá tan dần; việc nhiệt độ gần như không tăng là điều phải đo mới biết, còn năng lượng đi vào đâu là điều ta suy ra từ những phép đo ấy.

Tự nhiên không phải lúc nào cũng bộc lộ ngay cơ chế phía sau những gì ta nhìn thấy. Ta thấy một vật rơi, một dòng nước chảy hay một tia sáng đổi hướng, nhưng mắt ta không trực tiếp thấy lực, sự truyền năng lượng hay chuyển động của các phân tử. Muốn biết điều gì thực sự chi phối hiện tượng, các nhà khoa học phải đo đạc, thay đổi từng điều kiện một và xem kết quả thay đổi ra sao. Từ đó, ta dần thấy được những yếu tố nào ảnh hưởng đến hiện tượng và ảnh hưởng ra sao.

Có khi kết quả đúng như ta dự đoán, cũng có khi khác hẳn. Khi loại bỏ sức cản của không khí, vật nặng và vật nhẹ rơi với cùng gia tốc; kim loại có thể cho cảm giác lạnh hơn gỗ dù cả hai ở cùng nhiệt độ. Trực giác là điểm khởi đầu hữu ích, nhưng điều gì đúng vẫn phải do phép đo và thí nghiệm trả lời.

Khi một mối quan hệ bắt đầu hiện ra, ta cần một cách để diễn tả và kiểm tra nó. Đó là vai trò của mô hình. Mô hình không cố sao chép toàn bộ tự nhiên, mà chỉ giữ lại những yếu tố cần thiết để giải thích điều đã quan sát và dự đoán điều sẽ xảy ra khi điều kiện thay đổi. Nếu dự đoán không khớp với thực tế, ta phải xem lại cả phép đo, các giả định lẫn chính mô hình. Một lời giải thích nghe hợp lý thì chưa đủ; nó phải đưa ra những điều có thể đem đi kiểm tra.

Cùng một quy luật có thể xuất hiện trong những hoàn cảnh rất khác nhau. Quy luật truyền nhiệt giúp ta hiểu vì sao một vật nóng dần nguội đi, và cũng là một phần của bài toán kiểm soát nhiệt cho vệ tinh trên quỹ đạo. Những quy luật mô tả chuyển động của vật trên Trái Đất cũng tiếp tục được dùng khi tính chuyển động của tàu vũ trụ.

“Giải mã thế giới tự nhiên” bắt đầu từ những gì ta có thể tự quan sát, đo đạc và kiểm tra. Từ đó, ta đi dần vào cơ chế phía sau, xây dựng mô hình rồi trở lại thực tế để xem mô hình ấy có đứng vững hay không. Mục tiêu là hiểu một hiện tượng đủ rõ để giải thích và dự đoán nó — và biết bằng chứng nào cho phép ta tin vào lời giải ấy.