邏輯經驗主義是西方哲學史上實證主義傳統的延續，它一方麵吸收了當代數學、邏輯學（特別是數理邏輯）的最新成果，另一方麵是對19世紀末20世紀初的自然科學革命、特別是物理學革命反思的結果。對此，賴欣巴哈（Hans Reichenbach）在《科學哲學的興起》一書中說：“新哲學是作為科學研究的副產品而開始的。”[1]然而，作為邏輯經驗主義批判者的身份出現的批判理性主義同樣是這一自然科學領域革命的結果。波普爾曾說：“1919年5月，愛因斯坦關於日食的預言被兩個英國探險隊成功證實了……因此，在1919年末，我得出了一個結論：科學的態度就是批判的態度，這種態度並不去尋求證實，而是去尋找判決性的檢驗，這些檢驗能反駁被檢驗的理論，雖然這些檢驗決不能被證實。”[2]因此，世紀之交的科學革命同時引發了兩種完全相左的哲學思考：邏輯經驗主義者從經驗論傳統出發，強調經驗證實和邏輯方法在科學中的地位；波普爾從理性主義傳統出發，強調理性的批判能力對於科學發展的作用。
同一場科學革命所以會激起兩種截然不同的理論思考，原因在於“觀察負載理論”，即人們對事物的觀察和評價受到他們已接受的理論和觀點的左右，思考者的知識和理論背景不同，對同一現象的解釋自然不同。邏輯經驗主義者多受過較專業的邏輯學和數學方麵的訓練，在他們看來，科學“革命”並不具有理論上的顛覆關係。因此，近代自然科學各領域的革命，特別是物理學革命中愛因斯坦的相對論與牛頓力學體係間的關係，並不具有後起的理論推翻、否定先前理論的性質。例如，他們認為，牛頓力學是一種初級理論，愛因斯坦的相對論是高級理論，從牛頓力學可以推導出廣義相對論，而廣義相對論又可以還原成牛頓力學，二者在邏輯上是相容的。從這種“還原論”出發，邏輯經驗主義者特別強調物理學革命中邏輯方法的重要性。石裏克（Moritz Schlick）就曾說：“關於這種方法的著名例子就是愛因斯坦對於時間概念的分析，這種分析不能作別的理解，僅能作對於空間間隔裏所發生的事件的同時性的分析。愛因斯坦對物理學家（和哲學家）說：“你們首先必須說明：你們所指的同時性是什麽，這就是說，你們必須指出，‘兩個事件是同時發生的’這一命題是怎樣證實的，隻有這樣，你們才可以把這個命題的意義完全確定下來。”[3]
波普爾從這場科學革命中得出不同的結論。他首先承認：“在愛因斯坦的相對論中，邏輯分析起了一定的作用。”[4]但他也認為廣義相對論的有關預言被證實，這不但意味著相對論受到了檢驗，更重要的是，它意味著牛頓力學理論受到否證。更可貴的是愛因斯坦的開放精神，“如果他的理論在檢驗中遭到失敗，那麽他就認為他的理論是站不住腳的”[5]。因此，波普爾更看重科學發展中的批判精神和否證的作用。在他看來，科學革命中體現出的批判的理性精神更勝於對傳統的支持和辯護。
邏輯經驗主義繼承了經驗論的基本原則：經驗和觀念是一切知識的來源，科學知識必須得到經驗和觀念的辯護。邏輯經驗主義同時認為，句子是含有經驗意義的基本單位。因此，在邏輯經驗主義看來，一個句子隻有被直接的經驗材料直接或間接證實後，才具有意義，才稱得上知識；而缺少經驗證實的句子是無意義的。這一“證實原則”的基礎是對兩類陳述的區分：觀察陳述和理論陳述。邏輯經驗主義認為，觀察陳述是穩定的、客觀的，具有不同理論背景和知識結構的人可以對同一現象作出相同的觀察陳述，而理論陳述隻有還原成觀察陳述，得到觀察陳述的支持才具有意義。
“證實原則”也是邏輯經驗主義的意義標準。邏輯經驗主義認為，傳統形而上學由於缺少經驗內容，不能由觀察陳述加以檢驗，因而是無意義的“假命題”。邏輯經驗主義的任務就是通過語言分析揭示舊形而上學的無意義性，將其從人類知識領域驅逐出去。在他們眼中，自然科學來源於客觀經驗，且可由之加以檢驗，是人類知識的典範。他們的任務就是要建立一門不同於舊哲學、可“作為科學”的哲學，並可以運用這一“科學哲學”的邏輯工具對科學語言進行分析。《科學哲學觀：維也納學派》宣言寫道：“我們已經根據兩點規定基本上描述了科學世界觀概念的特點。第一，它是經驗的和實證主義的。隻有來自經驗的知識，這種知識是建立在直接所予的基礎之上的。第二，科學的世界概念是以一定的方法即邏輯分析的運用為標誌的。科學工作努力的目標是通過將邏輯分析運用於經驗材料達到統一科學。既然每一個科學陳述的意義都必須通過還原為關於所予的陳述來說明，那麽同樣，任何概念的意義也可以通過逐步還原為其他概念，直到那些所予直接相關的最低層次的概念來說明。”[6]可見，意義的可證實性標準是邏輯經驗主義的核心原則。
邏輯經驗主義對分界問題的解決同樣是可證實標準的運用：科學與非科學的分界在於其可證實與否，凡有意義的命題都是可以經驗命題加以證實的命題，都是科學的命題；不可證實的命題是無意義的，因而是非科學的。
對邏輯經驗主義可證實性標準和分界問題解決方案的批判是波普爾科學哲學的起點。波普爾反對邏輯經驗主義把意義問題等同於分界問題。他認為意義問題是一個用詞問題，與分界問題毫不相幹。傳統形而上學理論雖然不是科學理論，但也並非如邏輯經驗主義所說是“無意義的命題”。相反，根據邏輯經驗主義的意義標準，許多諸如“占星術”之類的無意義命題卻成了科學命題。因此，波普爾認為邏輯經驗主義對分界問題的解決是不成功的。
波普爾指出，可證實性並不能作為科學的標誌。廣義相對論推翻牛頓力學這一事件使他認識到，既然在過去的兩個多世紀中經受了億萬次經驗證實的“絕對真理”都可能存在謬誤，那就沒有什麽科學理論能夠避免錯誤。他由此得出結論，科學的性質不在於它的確鑿無疑和可得到經驗證實，任何科學理論都包含著可能性錯誤。科學之所以為科學，在於它的自我批判能力，即能夠發現錯誤，證偽自己，並尋求更精確的理論的能力。所以，波普爾認為，科學與非科學的界線並不在於證實性，而在於批判精神。科學理論是能夠接受經驗事實的檢驗並最終為經驗事實證偽的理論。不受經驗證偽、永恒無誤的理論要麽是數學、邏輯學和形而上學，要麽是神學、占星術等偽科學。前者缺少經驗內容，並不涉及科學領域，後者所以“永恒正確”，是由於詭辯和偏執。真正的科學精神並不在於為自己尋求辯護和證明，而在於正視存在的錯誤，通過否定自己而進步。這樣，波普爾以一種極端的形式將可錯性引入了科學。而在波普爾之前，人們一直將科學等同於業已證實的無誤的絕對知識，牛頓力學的偉大成就更使人們對此深信不疑。波普爾由此揭露出科學發展過程中的一個基本矛盾：真理和謬誤之間的矛盾。對這一矛盾，我們認為，今天被認為合乎真理的認識都有它隱蔽著的、以後會顯露出的方麵。科學史就是把這種謬誤逐漸消除或者更新為新的、但終歸較為不荒誕的謬誤的曆史。
對邏輯經驗主義分界標準的批判必然導致對歸納法的批判，因為邏輯經驗主義認為科學的標誌就在於其歸納方法。傳統歸納主義認為由於科學理論是從經驗事實中歸納出的，因而是無誤的。邏輯經驗主義雖然不認為科學理論具有絕對的真理性，但仍認為，科學理論因支持它的經驗事實的多寡而具有不同程度的概率真理性，理論的真理性概率隨支持它的經驗事實的增多而增大。
波普爾不滿足於休謨對歸納法的批判——從以往的經驗中歸納出的理論並不具有使用於未來的必然性，他更徹底地批判了歸納法並力圖消解“歸納問題”。波普爾首先指出歸納法在邏輯上並不成立。由於科學理論和定律都是全稱陳述，經驗命題都是單稱陳述，二者性質不同，所以多數的單稱陳述並不能證明一個普通性陳述的正確性。正如愛因斯坦所說，從單稱陳述到全稱陳述並無“邏輯通道”。這樣，支持某一理論的經驗事實的多少與這一理論的真理性概率並無聯係。能夠證明某一理論的經驗事實與尚未發現的事實相比在數目上是極為有限的，因此，任何理論的真理概率性都是一樣的，都是零。波普爾還指出，雖然理論的概率性越大就越難以證偽，但同時該理論的內容就越貧乏。如果以理論概率性的提高為目標，那麽就會使科學越來越貧乏，從而導致科學的退步。波普爾進一步指出，作為歸納法基礎的歸納原理本身也是不可靠的。根據歸納法，歸納原理本身的證明同樣需要一個更高層次的歸納原理，而這一更高層次的歸納原理的證明也需要一更高層次的歸納原理，由此導致無限類推。因此，根據歸納原理本身的邏輯，它是不可證實的。波普爾由此得出結論：科學理論不能從單稱陳述中歸納出來，也不能被它證實，歸納法是不可靠的。他說：“我的觀點是，沒有什麽歸納法。因此，從為‘經驗證實’（不管什麽是經驗）的個別陳述中推演出理論，這在邏輯上是不可證實的。”[7]
按照邏輯經驗主義的觀點，證實了一個科學理論推導出的觀察陳述，就使這一理論獲得確認。波普爾則認為理論可以由於確證同它矛盾的觀察陳述的真值而被證偽。雖然單稱陳述與全稱陳述並不對稱，但單稱陳述的否定形式與全稱陳述是對稱的，換句話說，理論雖然不能被經驗證實，卻能被經驗證偽。這樣，波普爾用演繹推理代替了邏輯經驗主義的歸納推理。波普爾的“檢驗性演繹法”不同於傳統的以永恒公理為前提的演繹主義，作為“檢驗性演繹法”前提的是通過試錯法不斷提出各種嚐試性假說、猜想，然後對演繹結論進行經驗檢驗和理性批判，從中除去錯誤或選擇出相對逼真性和確證度較高的理論。
邏輯經驗主義和批判理性主義解決分界問題的方式大相徑庭，但在一點上是相同的，即他們都試圖為科學尋找明確的標誌以使科學區別於其他學科，從而避免無謂的追求和外來的幹擾。不同之處在於邏輯經驗主義的證實性原則過分地抬高科學的地位，並不惜取消形而上學的意義；波普爾的否證論則更看重科學的進步性，力圖避免科學精神的盲目樂觀和固步自封，為科學增長保留餘地。
但這並不是說，波普爾用可證偽性的意義標準代替了邏輯經驗主義的可證實性標準，更不是如維也納學派的某些成員認為的那樣，波普爾與他們在這一方麵的分歧隻是邏輯經驗主義內部的分歧。邏輯經驗主義的可證實性標準不但是劃界標準，還是意義標準；它不但把科學與非科學區別開來，還要否定形而上學的意義。波普爾的證偽原則隻是劃界標準而不是意義標準，它的目的僅在於區分科學與非科學。這一標準不但不否認形而上學的意義，而且認為形而上學對於科學有重要意義。“證實”和“證偽”雖然隻有一字之別，卻代表了兩種截然相反的科學觀和科學精神。前者維護科學理性的絕對權威性和真理性，代表了一種辯護精神，後者則揭示出科學理性的相對性，打破了科學的絕對真理性，使科學成為易謬的，代表了一種開放和批判精神。這一根本區別導致了二者在整個科學哲學理論上的截然分野。
邏輯經驗主義在科學理論的產生途徑上遵循“假說-證實”的理論，其中假說由於得到經驗命題的證實而得以確立，所以在知識的產生來源上，邏輯經驗主義仍堅持“科學始於觀察”的傳統經驗論信條。按照這一信條，觀察應是一個純粹的感覺過程，必然排除了一切理智的指導和影響，杜絕一切主觀因素的幹擾和滲透，使觀察結果絕對客觀公正地顯現在觀察者麵前。由於觀察結果是不攙雜任何主觀影響和偏見的純粹事實，所以，通過對它們的合理歸納和驗證就可以得到絕對可靠、無誤的科學知識。因此，觀察是科學理論的起點，歸納是通向科學理論的途徑，理論則是觀察的結果。邏輯經驗主義區分這一過程中的兩類陳述：觀察陳述和理論陳述。觀察陳述是對純粹事實的客觀描述，理論陳述必須在邏輯上可還原成觀察陳述並得到觀察陳述的證實才是科學的理論。因此，理論陳述來源並依存於觀察陳述。
上述經驗主義的信條及邏輯經驗主義關於兩類陳述的劃分，試圖為科學知識尋求確鑿的客觀依據和基礎，但是這樣一來，一切科學認識不過是自然對人的慷慨給予，人隻是消極地接受者和淺層次的加工者。認識主體的能動性和理性的創造性被完全抹殺了。
波普爾認為，“科學始於觀察”這一命題是“古老的”神聖原則，是“樸素的”“雜亂的”，甚至“錯亂的”理論。他指出，科學觀察不是被動地接受自然強加的東西。任何觀察都是人主動的探索行為，都是人主動選擇的結果。也就是說，觀察都是在一定的知識結構、目的、預想的背景下進行的。但在波普爾以前的經驗論哲學中，人類理性的這一能動性作用被忽視了，理性逐漸成為服務於經驗的奴仆。近代自然科學革命表明，正是理性的創造力和能動性極大地推動了近代自然科學的發展。所以不存在絕對客觀、中立的觀察。“科學始於觀察”也就是“科學始於理論”，這是無用的同義反複。因此，波普爾認為知識產生的途徑不是“觀察—理論—觀察”，而是“理論—觀察—理論”，觀察是一個有主體因素（特別是主體的精神因素）積極參與的結果。科學家們總是在“進行”觀察，不是“得到”觀察。波普爾指出，科學認識總是理論的“探照燈”照射的結果，科學總是把理論的光芒射向未知的國土[8]，“觀察對於假設是第二性的”[9]“觀察往往以一些預期的係統為先決條件”。這一“預期的係統”範圍廣泛，既包括“天賦的可能反應的集合”等先天成分，又包括後天獲得的知識成分，還有問題、假設、猜測等理性成分，“興趣”和“傾向”等非理性成分，甚至包括潛意識因素。
正如馬克思所說，對於知識不能“隻是從客體的或直觀的形式去理解”，還要“從主觀方麵去理解”，感覺經驗並不是純粹被給予的，而是主體積極參與建構的結果。認識主體在參與認識過程中總帶有一定的理論框架，在觀察和感知事物時並不是單純被動地感受客體的刺激，而是積極主動地依據其先有的認識結構對獲得的信息進行一定的選擇加工。由此獲得的經驗既有客觀性的一麵，又有受主體因素影響而造成的主觀性的一麵。作為人類實踐的認識活動當然應是一個自覺能動的創造過程。波普爾的“探照燈說”是對認識主體能動性和創造性的肯定。波普爾對主體能動性和創造性的重視使科學哲學開始擺脫近代以來狹隘的經驗論傾向。
“分界問題”和“歸納問題”是波普爾“證偽主義”科學哲學的兩大基石。他用“可證偽性標準”解決分界問題，以保證科學的理性性質和發展方向。但是，可證偽性所需的材料仍要由經驗提供，這不但使理論總是停留在經驗的層次上，而且與邏輯經驗主義的證實性原則沒有本質上的差別——畢竟，經驗證實和經驗證偽隻是經驗的證明作用的兩個方麵，也不可能導致科學的進步。他對歸納問題的解決使科學理論免於狹隘的經驗主義性質：理智的自由猜想和自由創造使思維超越了經驗層之上，源源不斷地提供有創造性的假說和猜想，使科學不斷向高層次發展。猜想是自由的，但又不能缺少根據和製約。證偽和猜想的結合構成了波普爾證偽主義的科學哲學體係。麵對問題，科學家可以提出任何異想天開的猜想，所有的這些猜想都要承受觀察和實驗的無情檢驗，檢驗的結果是一部分猜想被否定和淘汰了，一部分通過檢驗的猜想保留下來維持一定的生命期，這部分幸存的猜想又麵臨著新的檢驗；同時，麵對不斷發現的新問題，新的猜想又不斷提出。這樣就形成了波普爾的科學發展模式：
問題—猜想—證偽—新的問題……
即“猜想—證偽—猜想……”
波普爾的這一科學發展模式包含了兩對矛盾：理論和經驗的矛盾、真理和謬誤的矛盾。這兩對矛盾的展開形成了上述科學發展過程：已有的理論與新發現的事實不符，出現謬誤，提出問題；為解決這一問題，科學家提出猜想和假設等新理論，這些猜想和假設因與事實一致而達到暫時真理；但以後發現的新事實又揭示出這些理論的謬誤性，於是就形成新的問題，導致新的猜想。所以，科學的發展是理論和經驗的相互作用、謬誤和真理的交替出現。
猜測和證偽的不斷交替決定了科學發展中的每一階段隻是一個暫時的階段，科學的發展是一個不斷否證、不斷批評的過程。波普爾把科學的這一進步性作為科學的根本特征：“不斷的增長是科學知識必不可少的理性特點和經驗特點；如果科學停止了增長，它也必然失去這一特點。”“科學的特殊意義就在於它必然增長，也可以說，它必然進步。”[10]
波普爾上述科學發展圖景完全不同於邏輯經驗主義。邏輯經驗主義者認為科學是不斷完成的封閉過程，得到經驗證實的理論的不斷積累形成科學的發展史。內格爾提出的“歸化”的科學發展模式是邏輯經驗主義科學發展模式的代表：“一個相對自足的理論為另一個更廣包的理論所吸收，或歸化為後者，這種現象是現代科學史上一個無可辨駁、不斷重新顯現的特征。”[11]邏輯經驗主義重視科學發展的常規性階段，同時卻忽視了科學革命階段，這一忽視成為邏輯經驗主義科學觀的重大缺陷。波普爾認為革命是科學發展最重要的特征，科學就是不斷革命、批判、證偽的過程，是“革命、衝突、突變”的過程。他認為科學的箴言可能正是馬克思所說的“不斷革命”，科學的進步不是如邏輯經驗主義所說的通過證實和歸納方法而進步，而是通過證偽、發現和排除錯誤而進步。
科學發展的“不斷革命”和“不斷證偽”並不否定科學發展的連續性和進步性。任何被證偽和被拋棄的理論都具有一定的真理內容和“逼真性”，任何經受了批判性討論的競爭和科學實驗的檢驗而暫時幸存下來的理論都麵臨著更有解釋力和預測力的新猜想的挑戰。後起的理論比其前驅理論，如廣義相對論比牛頓力學，總是有更大的“逼真性”，更類似地接近真理。科學通過試探和選擇不斷進行理論更新時，理論的普遍性便不斷提高。科學總是不斷地向客觀真理和絕對真理的方向前進，盡管可能永遠到達不了這個目標。所以，波普爾說：“我們是真理的探索者，不是真理的占有者。”[12]
波普爾後期的“世界3”理論加強了上述科學發展模式所反映的科學自我發展的邏輯。作為客觀知識的“世界3”獨立自主地發展，任何自由猜想都要經過證偽被納入這一客觀的發展中。但另一方麵，“世界3”的每一步發展都是在“世界2”和“世界1”組成的“問題情境”中進行，科學隻能在與其他文化要素相互製約、相互作用中發展。但波普爾為了強調科學自主發展的客觀邏輯，並沒有讓曆史文化、心理、自然等因素幹擾這一過程。這就使他的科學哲學不可避免地帶有強烈的抽象和邏輯的色彩。