科学的世界是经验的世界、观察的世界。为了应用科学方法，科学家必须能够做好观察和测量。因此，科学研究中的所有变量必须由可观察、可测量的术语界定。通过给变量以这种操作性定义（operational definitions），我们就能向他人清楚地表明这些变量是什么，以及观察或测量如何显示它们的存在。物理学家必须确定从一个原子裂变中产生的物理踪迹表明了什么，或者定义某些原子微粒。宇航员必须以能够识别的方式界定一个黑色洞口（当它出现在他们对深层空间的观察时）。同样，心理学家也必须以可测量和观察的方式界定这些变量，如爱、沮丧和压力。
一个非操作性定义(nonoperational definition)的例子是《韦氏字典》对爱的定义：对另一个人强烈的喜爱和热烈的依附。虽然这个定义向他人表达了术语爱的意义，却并没有说明什么观察或测量足以表明爱的存在。仅仅记住《韦氏字典》的这个定义，而没有任何观察性测量表明爱的存在，想象一下如何确定百分比。但是如果把爱定义为和某个人至少在60秒内手牵手地走路，那么我们就是在操作性地定义爱，我们就能够观察、计算陌路人陷入爱河的人数。但在这个例子中，我们是否精确地定义了爱？
错误的操作性定义
当变量被操作性地定义时，有时定义会出错。在这种情况下，研究的结论就有可能是错误的。例如在医学研究中，低脂肪摄入者的一个操作性定义，曾取决于一个人对调查问卷的回应，这个被设计的问卷决定一个回应者现在摄入多少脂肪，既不是过去，也不是将来。但这个信息被用于20年后的研究中，即观察低脂肪摄入者在这20年中相对于高脂肪摄入者的癌症患病率是高还是低。既然人们的饮食习惯是变化的，我们当然可以质疑一份20年前的调查问卷是否能充分定义一个人是低脂肪摄入者。
再举一个例子，1991年国家疾病控制中心的一个调查（“Good News”，1991）显示，45%~75%的美国人都有“静坐式生活方式”，静坐式生活被定义为“每星期少于三个20分钟锻炼时间”。一个人可以想象一下数以百万计的父母对这个定义的反应，他们的时间完全被工作、照顾孩子，包括走几英里路、爬几百级台阶、抱孩子、提沉重的购物袋等家务责任填满，根本就没留下一点空余时间用来进行有规律的锻炼。我们很难把这些人也称作静坐式的！可以看到，虽然科学家有良好的意图，然而有时研究中的概念是一回事，这个概念的操作性定义却是另一回事。
思考
在上面关于爱的操作性定义中，爱的含义也许在把它定义为60秒的牵手时已经失去。当我们计算牵手时，我们真的也是在计算爱吗？我们在想念某个人吗？一个更好的定义也许是把爱定义为对问题“你在相爱吗？”的肯定回答。你能想到一个更好的操作性定义吗？
操作性争论
要想得到一个人人都接受的操作性定义有时是非常难的。这个困难经常导致争论。例如，心理学中一个有争议的领域就是催眠状态是否是意识的另一种状态。首先，研究者不得不用非操作性术语定义他们所说的意识的另一种状态是什么意思；其次，他们还得用可观察、可测量的术语定义这种状态。那些相信催眠并不导向另一种状态的人，典型地把另一种状态操作性地界定为：和清醒状态的人不同的一种大脑波动形式。然后他们指出这样的大脑波动变化并不在催眠期间产生，因此催眠不是意识的另一种状态。另一种状态理论的支持者也许通过挑战这个操作性定义作出回应。他们也许会争辩道，一个人经历意识的另一种状态是可能的，即使他们的大脑波动并不比正常的清醒意识表明更多的内容。考虑到这种可能性，催眠的另一种状态理论的批评者就将是依赖于一个无效的操作性定义。
科学之限度
没有一个操作性定义，就无法应用科学方法。例如，科学方法不能告诉我们一个极乐天堂或者地狱是否存在。这样的形而上学概念一般来说不能被还原到操作性术语。它们位于观察的王国之外，所以最好还是留给宗教和哲学领域吧。
除了形而上学问题之外，价值和伦理学的问题也处于科学领域之外。考虑一下堕胎问题，堕胎是正确的还是错误的？答案不能通过观察来找到。科学家并不能通过使用显微镜、观察实验器皿中生物的变化或者考察人类如何对堕胎问题作出反应等等，给这个问题找到答案。堕胎问题是一个价值问题，虽然科学也能给我们提供回答这个问题的有用信息——例如，确认一个胚胎的心脏何时开始跳动，但单靠科学不能评价伦理陈述。伦理问题处于宗教和哲学的王国之内， 而在科学王国之外。
考察一下这个价值陈述：“除非出于自卫，出于任何理由杀人都是错误的。”你能想象任何支持或反驳这个陈述的科学途径吗？你也许会说，在我们的情感中，对大多数人来说，杀人都被认为在情感上是令人厌恶的。但你又是如何确定情感应该被看做是决定价值的标准？它是一个科学事实还是一个哲学陈述？没有任何一种科学观察可能告诉我们人类情感是决定价值的标准。我们又一次离开了科学领土，回到了哲学王国。
总之，科学探究是打开我们世界许多秘密的一个重要进程，但它也确实有其限度，并且就如叔本华所说，“它可能永远也不会达到一个终极目标或者给出一个关于这个世界的完全令人满意的解释”（Schopenhauer,1859/1958a,p.28）。卡尔·荣格在他80岁生日时一次采访中对这个表述作出了回应：“真正的实在只能被精神性地接近和猜想”（Jung，1957/1977）。用维特根斯坦的话说：“我们感觉到即使所有可能的科学问题都已经得到解答，生活的问题还完全未被触及”（Wittgenstein，1961，Tractatus Logico-Philosophicus，6.52）。
