Dans La Théorie physique, son objet, sa structure (1906), L'auteur écrit :

« En regardant la théorie physique comme une explication hypothétique de la réalité matérielle, on la place sous la dépendance de la Métaphysique. [...] Ne pourrait-on assigner à la physique un objet tel qu'elle devint autonome ? (p. 25).

Pierre Duhem propose alors la définition suivante :
« Une théorie physique n'est pas une explication. C'est un système de propositions mathématiques, déduites d'un petit nombre de principes, qui ont pour but de représenter aussi simplement, aussi complètement et aussi exactement que possible, un ensemble de lois expérimentales (p. 26). L'accord avec l'expérience est, pour une théorie physique l'unique criterium de vérité (p. 28).

Cependant il y a un problème :
« Une théorie physique ne peut se souder aux faits observables que par une traduction...qui remplace le langage de l'observation par le langage des nombres (p. 215).

Il faut donc considérer la transformation des faits en des abstractions pouvant être théorisées :
« Une expérience de Physique est l'observation précise d'un groupe de phénomènes, accompagnée de l'interprétation de ces phénomènes ; cette interprétation substitue aux données concrètes réellement recueillies par l'observation des représentations abstraites et symboliques qui leur correspondent en vertu des théories que l'observateur admet » (p. 238).

Duhem P., La Théorie physique, son objet, sa structure, Paris, Chevalier et Rivière, 1906.