逻辑经验主义是西方哲学史上实证主义传统的延续，它一方面吸收了当代数学、逻辑学（特别是数理逻辑）的最新成果，另一方面是对19世纪末20世纪初的自然科学革命、特别是物理学革命反思的结果。对此，赖欣巴哈（Hans Reichenbach）在《科学哲学的兴起》一书中说：“新哲学是作为科学研究的副产品而开始的。”[1]然而，作为逻辑经验主义批判者的身份出现的批判理性主义同样是这一自然科学领域革命的结果。波普尔曾说：“1919年5月，爱因斯坦关于日食的预言被两个英国探险队成功证实了……因此，在1919年末，我得出了一个结论：科学的态度就是批判的态度，这种态度并不去寻求证实，而是去寻找判决性的检验，这些检验能反驳被检验的理论，虽然这些检验决不能被证实。”[2]因此，世纪之交的科学革命同时引发了两种完全相左的哲学思考：逻辑经验主义者从经验论传统出发，强调经验证实和逻辑方法在科学中的地位；波普尔从理性主义传统出发，强调理性的批判能力对于科学发展的作用。
同一场科学革命所以会激起两种截然不同的理论思考，原因在于“观察负载理论”，即人们对事物的观察和评价受到他们已接受的理论和观点的左右，思考者的知识和理论背景不同，对同一现象的解释自然不同。逻辑经验主义者多受过较专业的逻辑学和数学方面的训练，在他们看来，科学“革命”并不具有理论上的颠覆关系。因此，近代自然科学各领域的革命，特别是物理学革命中爱因斯坦的相对论与牛顿力学体系间的关系，并不具有后起的理论推翻、否定先前理论的性质。例如，他们认为，牛顿力学是一种初级理论，爱因斯坦的相对论是高级理论，从牛顿力学可以推导出广义相对论，而广义相对论又可以还原成牛顿力学，二者在逻辑上是相容的。从这种“还原论”出发，逻辑经验主义者特别强调物理学革命中逻辑方法的重要性。石里克（Moritz Schlick）就曾说：“关于这种方法的著名例子就是爱因斯坦对于时间概念的分析，这种分析不能作别的理解，仅能作对于空间间隔里所发生的事件的同时性的分析。爱因斯坦对物理学家（和哲学家）说：“你们首先必须说明：你们所指的同时性是什么，这就是说，你们必须指出，‘两个事件是同时发生的’这一命题是怎样证实的，只有这样，你们才可以把这个命题的意义完全确定下来。”[3]
波普尔从这场科学革命中得出不同的结论。他首先承认：“在爱因斯坦的相对论中，逻辑分析起了一定的作用。”[4]但他也认为广义相对论的有关预言被证实，这不但意味着相对论受到了检验，更重要的是，它意味着牛顿力学理论受到否证。更可贵的是爱因斯坦的开放精神，“如果他的理论在检验中遭到失败，那么他就认为他的理论是站不住脚的”[5]。因此，波普尔更看重科学发展中的批判精神和否证的作用。在他看来，科学革命中体现出的批判的理性精神更胜于对传统的支持和辩护。
逻辑经验主义继承了经验论的基本原则：经验和观念是一切知识的来源，科学知识必须得到经验和观念的辩护。逻辑经验主义同时认为，句子是含有经验意义的基本单位。因此，在逻辑经验主义看来，一个句子只有被直接的经验材料直接或间接证实后，才具有意义，才称得上知识；而缺少经验证实的句子是无意义的。这一“证实原则”的基础是对两类陈述的区分：观察陈述和理论陈述。逻辑经验主义认为，观察陈述是稳定的、客观的，具有不同理论背景和知识结构的人可以对同一现象作出相同的观察陈述，而理论陈述只有还原成观察陈述，得到观察陈述的支持才具有意义。
“证实原则”也是逻辑经验主义的意义标准。逻辑经验主义认为，传统形而上学由于缺少经验内容，不能由观察陈述加以检验，因而是无意义的“假命题”。逻辑经验主义的任务就是通过语言分析揭示旧形而上学的无意义性，将其从人类知识领域驱逐出去。在他们眼中，自然科学来源于客观经验，且可由之加以检验，是人类知识的典范。他们的任务就是要建立一门不同于旧哲学、可“作为科学”的哲学，并可以运用这一“科学哲学”的逻辑工具对科学语言进行分析。《科学哲学观：维也纳学派》宣言写道：“我们已经根据两点规定基本上描述了科学世界观概念的特点。第一，它是经验的和实证主义的。只有来自经验的知识，这种知识是建立在直接所予的基础之上的。第二，科学的世界概念是以一定的方法即逻辑分析的运用为标志的。科学工作努力的目标是通过将逻辑分析运用于经验材料达到统一科学。既然每一个科学陈述的意义都必须通过还原为关于所予的陈述来说明，那么同样，任何概念的意义也可以通过逐步还原为其他概念，直到那些所予直接相关的最低层次的概念来说明。”[6]可见，意义的可证实性标准是逻辑经验主义的核心原则。
逻辑经验主义对分界问题的解决同样是可证实标准的运用：科学与非科学的分界在于其可证实与否，凡有意义的命题都是可以经验命题加以证实的命题，都是科学的命题；不可证实的命题是无意义的，因而是非科学的。
对逻辑经验主义可证实性标准和分界问题解决方案的批判是波普尔科学哲学的起点。波普尔反对逻辑经验主义把意义问题等同于分界问题。他认为意义问题是一个用词问题，与分界问题毫不相干。传统形而上学理论虽然不是科学理论，但也并非如逻辑经验主义所说是“无意义的命题”。相反，根据逻辑经验主义的意义标准，许多诸如“占星术”之类的无意义命题却成了科学命题。因此，波普尔认为逻辑经验主义对分界问题的解决是不成功的。
波普尔指出，可证实性并不能作为科学的标志。广义相对论推翻牛顿力学这一事件使他认识到，既然在过去的两个多世纪中经受了亿万次经验证实的“绝对真理”都可能存在谬误，那就没有什么科学理论能够避免错误。他由此得出结论，科学的性质不在于它的确凿无疑和可得到经验证实，任何科学理论都包含着可能性错误。科学之所以为科学，在于它的自我批判能力，即能够发现错误，证伪自己，并寻求更精确的理论的能力。所以，波普尔认为，科学与非科学的界线并不在于证实性，而在于批判精神。科学理论是能够接受经验事实的检验并最终为经验事实证伪的理论。不受经验证伪、永恒无误的理论要么是数学、逻辑学和形而上学，要么是神学、占星术等伪科学。前者缺少经验内容，并不涉及科学领域，后者所以“永恒正确”，是由于诡辩和偏执。真正的科学精神并不在于为自己寻求辩护和证明，而在于正视存在的错误，通过否定自己而进步。这样，波普尔以一种极端的形式将可错性引入了科学。而在波普尔之前，人们一直将科学等同于业已证实的无误的绝对知识，牛顿力学的伟大成就更使人们对此深信不疑。波普尔由此揭露出科学发展过程中的一个基本矛盾：真理和谬误之间的矛盾。对这一矛盾，我们认为，今天被认为合乎真理的认识都有它隐蔽着的、以后会显露出的方面。科学史就是把这种谬误逐渐消除或者更新为新的、但终归较为不荒诞的谬误的历史。
对逻辑经验主义分界标准的批判必然导致对归纳法的批判，因为逻辑经验主义认为科学的标志就在于其归纳方法。传统归纳主义认为由于科学理论是从经验事实中归纳出的，因而是无误的。逻辑经验主义虽然不认为科学理论具有绝对的真理性，但仍认为，科学理论因支持它的经验事实的多寡而具有不同程度的概率真理性，理论的真理性概率随支持它的经验事实的增多而增大。
波普尔不满足于休谟对归纳法的批判——从以往的经验中归纳出的理论并不具有使用于未来的必然性，他更彻底地批判了归纳法并力图消解“归纳问题”。波普尔首先指出归纳法在逻辑上并不成立。由于科学理论和定律都是全称陈述，经验命题都是单称陈述，二者性质不同，所以多数的单称陈述并不能证明一个普通性陈述的正确性。正如爱因斯坦所说，从单称陈述到全称陈述并无“逻辑通道”。这样，支持某一理论的经验事实的多少与这一理论的真理性概率并无联系。能够证明某一理论的经验事实与尚未发现的事实相比在数目上是极为有限的，因此，任何理论的真理概率性都是一样的，都是零。波普尔还指出，虽然理论的概率性越大就越难以证伪，但同时该理论的内容就越贫乏。如果以理论概率性的提高为目标，那么就会使科学越来越贫乏，从而导致科学的退步。波普尔进一步指出，作为归纳法基础的归纳原理本身也是不可靠的。根据归纳法，归纳原理本身的证明同样需要一个更高层次的归纳原理，而这一更高层次的归纳原理的证明也需要一更高层次的归纳原理，由此导致无限类推。因此，根据归纳原理本身的逻辑，它是不可证实的。波普尔由此得出结论：科学理论不能从单称陈述中归纳出来，也不能被它证实，归纳法是不可靠的。他说：“我的观点是，没有什么归纳法。因此，从为‘经验证实’（不管什么是经验）的个别陈述中推演出理论，这在逻辑上是不可证实的。”[7]
按照逻辑经验主义的观点，证实了一个科学理论推导出的观察陈述，就使这一理论获得确认。波普尔则认为理论可以由于确证同它矛盾的观察陈述的真值而被证伪。虽然单称陈述与全称陈述并不对称，但单称陈述的否定形式与全称陈述是对称的，换句话说，理论虽然不能被经验证实，却能被经验证伪。这样，波普尔用演绎推理代替了逻辑经验主义的归纳推理。波普尔的“检验性演绎法”不同于传统的以永恒公理为前提的演绎主义，作为“检验性演绎法”前提的是通过试错法不断提出各种尝试性假说、猜想，然后对演绎结论进行经验检验和理性批判，从中除去错误或选择出相对逼真性和确证度较高的理论。
逻辑经验主义和批判理性主义解决分界问题的方式大相径庭，但在一点上是相同的，即他们都试图为科学寻找明确的标志以使科学区别于其他学科，从而避免无谓的追求和外来的干扰。不同之处在于逻辑经验主义的证实性原则过分地抬高科学的地位，并不惜取消形而上学的意义；波普尔的否证论则更看重科学的进步性，力图避免科学精神的盲目乐观和固步自封，为科学增长保留余地。
但这并不是说，波普尔用可证伪性的意义标准代替了逻辑经验主义的可证实性标准，更不是如维也纳学派的某些成员认为的那样，波普尔与他们在这一方面的分歧只是逻辑经验主义内部的分歧。逻辑经验主义的可证实性标准不但是划界标准，还是意义标准；它不但把科学与非科学区别开来，还要否定形而上学的意义。波普尔的证伪原则只是划界标准而不是意义标准，它的目的仅在于区分科学与非科学。这一标准不但不否认形而上学的意义，而且认为形而上学对于科学有重要意义。“证实”和“证伪”虽然只有一字之别，却代表了两种截然相反的科学观和科学精神。前者维护科学理性的绝对权威性和真理性，代表了一种辩护精神，后者则揭示出科学理性的相对性，打破了科学的绝对真理性，使科学成为易谬的，代表了一种开放和批判精神。这一根本区别导致了二者在整个科学哲学理论上的截然分野。
逻辑经验主义在科学理论的产生途径上遵循“假说-证实”的理论，其中假说由于得到经验命题的证实而得以确立，所以在知识的产生来源上，逻辑经验主义仍坚持“科学始于观察”的传统经验论信条。按照这一信条，观察应是一个纯粹的感觉过程，必然排除了一切理智的指导和影响，杜绝一切主观因素的干扰和渗透，使观察结果绝对客观公正地显现在观察者面前。由于观察结果是不搀杂任何主观影响和偏见的纯粹事实，所以，通过对它们的合理归纳和验证就可以得到绝对可靠、无误的科学知识。因此，观察是科学理论的起点，归纳是通向科学理论的途径，理论则是观察的结果。逻辑经验主义区分这一过程中的两类陈述：观察陈述和理论陈述。观察陈述是对纯粹事实的客观描述，理论陈述必须在逻辑上可还原成观察陈述并得到观察陈述的证实才是科学的理论。因此，理论陈述来源并依存于观察陈述。
上述经验主义的信条及逻辑经验主义关于两类陈述的划分，试图为科学知识寻求确凿的客观依据和基础，但是这样一来，一切科学认识不过是自然对人的慷慨给予，人只是消极地接受者和浅层次的加工者。认识主体的能动性和理性的创造性被完全抹杀了。
波普尔认为，“科学始于观察”这一命题是“古老的”神圣原则，是“朴素的”“杂乱的”，甚至“错乱的”理论。他指出，科学观察不是被动地接受自然强加的东西。任何观察都是人主动的探索行为，都是人主动选择的结果。也就是说，观察都是在一定的知识结构、目的、预想的背景下进行的。但在波普尔以前的经验论哲学中，人类理性的这一能动性作用被忽视了，理性逐渐成为服务于经验的奴仆。近代自然科学革命表明，正是理性的创造力和能动性极大地推动了近代自然科学的发展。所以不存在绝对客观、中立的观察。“科学始于观察”也就是“科学始于理论”，这是无用的同义反复。因此，波普尔认为知识产生的途径不是“观察—理论—观察”，而是“理论—观察—理论”，观察是一个有主体因素（特别是主体的精神因素）积极参与的结果。科学家们总是在“进行”观察，不是“得到”观察。波普尔指出，科学认识总是理论的“探照灯”照射的结果，科学总是把理论的光芒射向未知的国土[8]，“观察对于假设是第二性的”[9]“观察往往以一些预期的系统为先决条件”。这一“预期的系统”范围广泛，既包括“天赋的可能反应的集合”等先天成分，又包括后天获得的知识成分，还有问题、假设、猜测等理性成分，“兴趣”和“倾向”等非理性成分，甚至包括潜意识因素。
正如马克思所说，对于知识不能“只是从客体的或直观的形式去理解”，还要“从主观方面去理解”，感觉经验并不是纯粹被给予的，而是主体积极参与建构的结果。认识主体在参与认识过程中总带有一定的理论框架，在观察和感知事物时并不是单纯被动地感受客体的刺激，而是积极主动地依据其先有的认识结构对获得的信息进行一定的选择加工。由此获得的经验既有客观性的一面，又有受主体因素影响而造成的主观性的一面。作为人类实践的认识活动当然应是一个自觉能动的创造过程。波普尔的“探照灯说”是对认识主体能动性和创造性的肯定。波普尔对主体能动性和创造性的重视使科学哲学开始摆脱近代以来狭隘的经验论倾向。
“分界问题”和“归纳问题”是波普尔“证伪主义”科学哲学的两大基石。他用“可证伪性标准”解决分界问题，以保证科学的理性性质和发展方向。但是，可证伪性所需的材料仍要由经验提供，这不但使理论总是停留在经验的层次上，而且与逻辑经验主义的证实性原则没有本质上的差别——毕竟，经验证实和经验证伪只是经验的证明作用的两个方面，也不可能导致科学的进步。他对归纳问题的解决使科学理论免于狭隘的经验主义性质：理智的自由猜想和自由创造使思维超越了经验层之上，源源不断地提供有创造性的假说和猜想，使科学不断向高层次发展。猜想是自由的，但又不能缺少根据和制约。证伪和猜想的结合构成了波普尔证伪主义的科学哲学体系。面对问题，科学家可以提出任何异想天开的猜想，所有的这些猜想都要承受观察和实验的无情检验，检验的结果是一部分猜想被否定和淘汰了，一部分通过检验的猜想保留下来维持一定的生命期，这部分幸存的猜想又面临着新的检验；同时，面对不断发现的新问题，新的猜想又不断提出。这样就形成了波普尔的科学发展模式：
问题—猜想—证伪—新的问题……
即“猜想—证伪—猜想……”
波普尔的这一科学发展模式包含了两对矛盾：理论和经验的矛盾、真理和谬误的矛盾。这两对矛盾的展开形成了上述科学发展过程：已有的理论与新发现的事实不符，出现谬误，提出问题；为解决这一问题，科学家提出猜想和假设等新理论，这些猜想和假设因与事实一致而达到暂时真理；但以后发现的新事实又揭示出这些理论的谬误性，于是就形成新的问题，导致新的猜想。所以，科学的发展是理论和经验的相互作用、谬误和真理的交替出现。
猜测和证伪的不断交替决定了科学发展中的每一阶段只是一个暂时的阶段，科学的发展是一个不断否证、不断批评的过程。波普尔把科学的这一进步性作为科学的根本特征：“不断的增长是科学知识必不可少的理性特点和经验特点；如果科学停止了增长，它也必然失去这一特点。”“科学的特殊意义就在于它必然增长，也可以说，它必然进步。”[10]
波普尔上述科学发展图景完全不同于逻辑经验主义。逻辑经验主义者认为科学是不断完成的封闭过程，得到经验证实的理论的不断积累形成科学的发展史。内格尔提出的“归化”的科学发展模式是逻辑经验主义科学发展模式的代表：“一个相对自足的理论为另一个更广包的理论所吸收，或归化为后者，这种现象是现代科学史上一个无可辨驳、不断重新显现的特征。”[11]逻辑经验主义重视科学发展的常规性阶段，同时却忽视了科学革命阶段，这一忽视成为逻辑经验主义科学观的重大缺陷。波普尔认为革命是科学发展最重要的特征，科学就是不断革命、批判、证伪的过程，是“革命、冲突、突变”的过程。他认为科学的箴言可能正是马克思所说的“不断革命”，科学的进步不是如逻辑经验主义所说的通过证实和归纳方法而进步，而是通过证伪、发现和排除错误而进步。
科学发展的“不断革命”和“不断证伪”并不否定科学发展的连续性和进步性。任何被证伪和被抛弃的理论都具有一定的真理内容和“逼真性”，任何经受了批判性讨论的竞争和科学实验的检验而暂时幸存下来的理论都面临着更有解释力和预测力的新猜想的挑战。后起的理论比其前驱理论，如广义相对论比牛顿力学，总是有更大的“逼真性”，更类似地接近真理。科学通过试探和选择不断进行理论更新时，理论的普遍性便不断提高。科学总是不断地向客观真理和绝对真理的方向前进，尽管可能永远到达不了这个目标。所以，波普尔说：“我们是真理的探索者，不是真理的占有者。”[12]
波普尔后期的“世界3”理论加强了上述科学发展模式所反映的科学自我发展的逻辑。作为客观知识的“世界3”独立自主地发展，任何自由猜想都要经过证伪被纳入这一客观的发展中。但另一方面，“世界3”的每一步发展都是在“世界2”和“世界1”组成的“问题情境”中进行，科学只能在与其他文化要素相互制约、相互作用中发展。但波普尔为了强调科学自主发展的客观逻辑，并没有让历史文化、心理、自然等因素干扰这一过程。这就使他的科学哲学不可避免地带有强烈的抽象和逻辑的色彩。