Fysici streven ernaar de natuur door middel van zo min mogelijk theorieën te beschrijven. Om dat te doen moeten er natuurlijk eerst verbanden worden gevonden tussen de verschillende verschijnselen van de natuur. Deze verbanden worden uitgedrukt in wiskundige formules of vergelijkingen. De manieren waarop de mens natuurkundige fenomenen interpreteerde en de wiskundige verhoudingen waarmee die natuurfenomenen werden beschreven, zijn niet altijd dezelfde geweest en zullen dat ook niet voor eeuwig blijven. 

Vóór de 17e eeuw werden heel wat fysische verschijnselen waarvan we nu weten dat ze vormen van hetzelfde fenomeen zijn, nog met aparte theorieën beschreven. Beweging en warmte bijvoorbeeld werden opgevat als verschijnselen die niets met elkaar te maken hadden. Hetzelfde gold voor geluid, licht en zwaartekracht.

Daar kwam verandering in toen in de 17e eeuw een theorie voor beweging werd ontworpen. Sir Isaac Newton bracht het werk van verschillende grote natuurkundigen samen en publiceerde deze ontdekkingen als één coherente theorie in zijn Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Deze theorie van beweging ging de wereld in als de Newtoniaanse mechanica, een theorie van beweging die we nu ‘klassiek’ noemen. De klassieke mechanica van Newton legt de beweging van objecten uit in termen van krachten, momentum en versnelling.

Deze theorie wordt samengevat in de drie bewegingswetten van Newton. De wetten van Newton vormen een synthese van de natuurkundige verschijnselen beweging, geluid en warmte. Vanaf nu kon geluid begrepen worden als de beweging van atomen in de lucht en  werd ook warmte gezien als een vorm van beweging.

Ook tussen andere natuurfenomenen werden verbanden gevonden. Zo ontdekte Maxwell in 1873 dat elektriciteit en magnetisme als één natuurkracht konden worden beschouwd (elektromagnetisme), en in één enkele set van vergelijkingen konden worden uitgedrukt: de Maxwellvergelijkingen. Verder merkte Maxwell een verband op tussen elektromagnetisme en licht. Licht kon namelijk worden beschreven als een elektromagnetische golf en was dus kennelijk een elektromagnetisch fenomeen. Voor zwaartekracht had Newton een aparte theorie ontwikkeld.

Aan het einde van de 19e eeuw bestonden er drie belangrijke theorieën in de fysica: de mechanica van Newton, het elektromagnetisme van Maxwell en de zwaartekracht van Newton. Tot de 20e eeuw werd aangenomen dat deze theorieën algemeen geldig waren en een accurate weergave vormden van onze natuur.

Daar kwam verandering in toen rond 1900 een eerste elektronentheorie van materie werd ontworpen. De Newtoniaanse mechanica stelt ons inderdaad in staat om de beweging van grote objecten accuraat te voorspellen en biedt in dat opzicht nog steeds een bruikbaar wiskundig model om het gedrag van grote objecten te berekenen, maar de theorie bleek niet in overeenstemming te zijn met het gedrag van heel kleine deeltjes zoals elektronen. In de loop van de 20e eeuw werden daarom nieuwe modellen ontwikkeld; die van de kwantumtheorie.  

De klassieke modellen stellen atomen voor als een nucleus of kern waar elektronen omheen orbitten, op een vergelijkbare manier zoals de planeten rond de zon bewegen. Maar dit model is onstabiel. Op basis van de voorspellingen voor beweging volgens de Newtoniaanse mechanica, zouden de elektronen in een spiraalbeweging naar het centrum toe moeten bewegen waardoor de atoom uiteindelijk in zou storten. Dat is niet wat er in werkelijkheid gebeurt, dus is er kennelijk iets mis met het model.

Van zodra duidelijk wordt dat er iets mis is met een model en het onze natuur niet accuraat beschrijft, gaan fysici als een soort Sherlock tewerk. Zij moeten nu alle onmogelijke scenario’s uitfilteren. En hoe onwaarschijnlijk ook, alle opties die vervolgens overblijven, moeten ze als potentiële werkelijkheid accepteren.

Daarnaast is het hun taak om slimme experimenten te bedenken om het gedrag van de natuur te observeren.  Indien er nieuwe modellen of hypotheses worden bedacht, moeten die in overeenstemming zijn met de observaties. Liefst moeten er vanuit de nieuwe hypotheses voorspellingen kunnen worden gemaakt, die dan aan nieuwe experimenten kunnen worden getoetst. De toetsbaarheid van hypothetische modellen is een belangrijk criterium om van een wetenschappelijke theorie te kunnen spreken. Een hypothese of verklaring voor een fenomeen die niet toetsbaar is, kan niet als wetenschappelijk worden beschouwd. Er is dan geen enkele manier om er achter te komen of de bedachte theorie ook maar iets met de realiteit te maken heeft. 

Een theorie die een verklaring beweert te bieden voor de werking van de natuur, moet dus toetsbaar zijn door middel van experiment. De experimenten moeten uitvoerbaar zijn en ieder mens die het experiment uitvoert, moet - mits goed uitgevoerd - in principe tot dezelfde observaties kunnen komen. Dit criterium staat bekend als de falsifieerbaarheid van een wetenschappelijke theorie. Dit criterium werd verdedigd door Karl Popper, een belangrijke wetenschapsfilosoof uit de 20e eeuw.  

Aan de hand van experimenten heeft men in de loop van de 20e eeuw het gedrag van elektronen beter kunnen observeren. Deze observaties hebben uiteindelijk tot een nieuwe theorie voor beweging geleid, een theorie die wel van toepassing is op heel kleine deeltjes: namelijk de kwantummechanica.