1662年，也就是《怀疑派的化学家》出版一年后，波义耳的实验室助手罗伯特·胡克得到了一个新工作：担任新成立的伦敦皇家学会的实验负责人。
自17世纪40年代，正如波义耳早期提到的“无形学院”，自然哲学家的小团体在伦敦和牛津开展非正式的会议。“他们既没有规则，也没有固定的方法，”皇家学会的第一位历史学家托马斯·斯普瑞特说道，“（并且）他们的目的更多的是……彼此交流……各自的发现……而不是联起手来，不断地或经常地进行调查。”这一组织缺乏结构，倒是适合那个混乱不定的英伦三岛共和国年代：那时，英国政府被完全颠覆，此时波义耳最好还是安安静静地独自在他自己出资建设的实验室中做研究。
但在1658年，共和国的主要推动者、护国公奥利弗·克伦威尔去世；查尔斯二世高奏凯歌，重返王位，传统的英国统治层又回来了。查尔斯二世重新加冕六个月之后，皇家学者克里斯托弗·雷恩（Christopher Wren）——建筑师、天文学家和物理学家——为刚成立的物理、数学和试验促进学会（College for the Promoting of Physico-Mathematical Experimental Learning）主持了其在伦敦的首次会议。到1662年，查尔斯二世授予该学会许可，并更名为“伦敦皇家学会”。
得到了皇室的支持，皇家学会开始迅猛发展；学会中非科学家成员的人数很快超过了自然哲学家的人数。胡克被任命为实验负责人，这一举动似乎意在保证学会处于正确轨道上。他拿着全职的薪水，要做两件事：在皇家学会每周集会的时候做许多实验，一边做实验，一边解释和演示；还要协助其他人进行他们各自的实验，如果他们需要的话。
这一工作使得罗伯特·胡克（可能）成了历史上第一位拿全职薪水的科学家。皇家学会中有天文学家、地理学家、医师、哲学家、数学家、光学仪器制造者，甚至还有几位化学家，这就要求胡克的实验和研究要贯穿自然哲学的整个领域。这一职位学科涵盖面广，非常适合他。与波义耳在实验室中的工作对他来说是大材小用。他是一名杰出的数学家（而波义耳不是），善于打磨和使用透镜；他发明了晴雨表，（在一定程度上）是现代气象学研究的创建者；他是一位出色的地质学家和生物学家，也是建筑师和物理学家。
胡克在皇家学会的周会上进行的实验用到了他各个方面的能力。托马斯·伯奇（Thomas Birch）记录了一系列的实验，起初是展示液体如何达到流体静力平衡的实验，随后展示了巴黎人将牛皮浸入色拉油以制作防水牛皮的方法，最后展示了一种“葡萄牙洋葱”，所有人都饶有兴趣地仔细观察，因为“这样的东西”从来没人见过。
以后的实验还涉及了钟摆、蒸馏过的尿液、放入加压的容器中的昆虫、透过带颜色的玻璃和普通的玻璃对物体进行观察、称水的重量。但是后来，胡克在实验中越来越多地使用显微镜。
约40年前，第一个借助显微镜完成的自然哲学研究公布于世，实验者是费德里科·赛西（Federico Cesi），他被称为“罗马的伽利略”。研究名为Apiarium，是对蜜蜂习性的彻底研究；赛西借助显微镜观测既证明了亚里士多德（“正如亚里士多德写的，因此［我们］看见并观察到它们……用那些茸毛带走了花粉”），但也不时地反驳他。其他利用显微镜做的研究是由赛西的同事进行的，透镜技术也一直在缓慢进步。
胡克对显微镜尤其感兴趣。和他的导师波义耳一样，他认为自然哲学需要实验仪器。“通过加入这样的人造工具和方法，”他在1664年写道，“就可能以某种方式，弥补……感官的不足。”
（自然）的某些部分太大而难以理解，还有一些太小很难把握。从那以后，由于我们对于客观物体没有一个完整的感知，我们对它们的理解也一定站不住脚，漏洞百出……因此，我们常常把客观物体的幻影当作实体，把微小的迹象当作极大的相似，且是定义上的相似。……在感官方面，（那）需要关注的，是用工具弥补感官的缺陷，也就是要在自然人身上加上人造器官……借助显微镜，再小的东西也逃不过我们的眼睛；因此，我们发现了可以促进理解的一个崭新的可见的世界。
胡克一直在向其他人展示这个“崭新的可见的世界”，他们非常欣赏他的成绩。1663年4月，皇家学会的会议记录中写道：“胡克先生的任务是每次开会都要进行至少一次显微镜观察（实验）。”接下来的一次会议中，胡克“向同伴们展示”放大后的苔藓是什么样的。“他渴望继续下去。”会议记录写道。接下来几个月的课程中，胡克在显微镜下展示了以下物品的结构：软木塞、树皮、霉菌、水蛭、蜘蛛和戈达德博士（Dr.Goddard）带来的“一块未知的石化木头”。
戈达德博士曾拜托胡克对这一奇怪的样本进行检验，并出具报告，胡克圆满地完成了任务。他认为，这块石化的木头从气孔和结构分析与活木相似，但像岩石一样坚硬，无法穿透。然后，胡克提供了解释：
原因……似乎是这样的：这块石化木头曾在某地被完全浸泡在石化水中（这是一种充满了石块和泥土的水），经过分层、过滤，也许还有沉淀、黏合或凝固，其中的石块源于渗入的水；石块……自己进入……气孔……由于石化粒子的进入，它变得坚硬但易碎……木头上的小气孔完全被石块颗粒堵塞了。
他借助实验器材进行观察并推翻现有理论，并在此基础上创造新事物：他建立了一个全新的自然进程，他从未亲眼见过（也不可能看到）这一进程，却可以推理出来。他首次描述了石化的过程，同时也反驳了人们已接受的真理——化石是非有机的，是由岩石形成的。
借助仪器进行观察后的下一步就是：利用近距离的观察结果，利用人工手段对感官的延伸，作为新思路产生的起点。这些仪器延伸的不仅仅是感官，还有思维。显微镜和放大镜，气泵机和真空室，它们真正的最终目标并不仅仅是观察，而是通过观察得出新理论，通过观察使人类的思维比以前延伸得更远。
1664年，皇家学会要求胡克将他的显微镜观察研究印刷成书。除了之前提到的能力，胡克还是一位娴熟的拟稿者和艺术家。他并不是仅仅用文字描述他的发现，也并不只是委托非科学家的人为他画插图，这些事他都亲力亲为。他的书的插图幅面巨大，极其细致，非常清晰。
最终的成书《显微图谱》（Micrographia）于1665年出版。前57幅插图与观察是借助显微镜进行的；最后3幅，即折射光、恒星和月球是借助望远镜进行的。插图的质量远远高于此前所有的（类似书籍），这本书立刻引起轰动。
尽管夺人眼球的图片吸引了读者绝大部分的注意力，更值得注意的是在整本书中，胡克都是通过延伸了的感官构建新理论。仔细检查了白云母（Moscovy-glass）的颜色和分层后，他在观察的基础上提出了一条关于光是如何作用的理论：他推测，光是一个“非常短暂的震动”，是“经由一个均匀的介质以直线传送的”。
同他的石化理论一样，这一模型也无法被直接证明。胡克只是依照了他在《显微图谱》的序言中所提到的方法。仅仅通过仪器延伸感官是不够的；观察后，根据观察进行推理、解释，然后反复检验。类推威廉·哈维的血液循环系统，胡克解释说，真正的自然哲学
始于双手和双眼，辅之以记忆，思维使它持续下去；但也不能就此停止，而要再次从双手和双眼开始，这由一感官不间断地过渡到另一个，自然哲学才能保持它的生机与力量，正如人体要保持生机，只有让血液流经身体各个部分，胳膊、双脚、肺部、心脏和头部。一旦我们勤勤恳恳、一丝不苟地遵循这一方法，就没有什么事物（不在）人类智慧的掌控之内了……争论和说理很快就会劳人身体；一切美好的构想、普遍接受的形而上的自然，虽然都是人脑奇思妙想的产物，但很快就会消失，并让位于实实在在的历史、实验和研究工作。但是，由于最初人类偷尝智慧之树的禁果而堕落，因此我们——他们的后代——可能要走上老路，不仅仅要开始观察和思考，也要尝试自然界中的智慧之果，但这些不再是禁果了。
仪器和工具不再仅仅是感官的延伸；对胡克而言，他们就是智慧之树，是通向完美的路径。