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最终，他自己慢慢好起来了，过了一阵子后，他就可看见东西而且眼睛不疼，而且还能与人讲话。他在好几个月的时间里第一次到花园去散步时，花儿看上去更明亮，色彩更鲜艳，比以前更美丽，他感觉到自己对这些东西施予了内在的光，他立即就抓住了这一点的意义：
我毫不怀疑我已经发现了花朵的灵魂，并以我极奇怪的、受到魔力影响的情绪想到：这是躲藏在这个世界的隔板之后的花园。整个地球和它的球体本身只是这个花园周围的一道篱笆，是为了挡住仍然在外面等待着的人们。
费希纳不久写了一本书，讨论植物的精神生活，在余下的几年里，他寻找办法来宣传自己的泛灵论，即意识与物质在整个世界里是共同存在的。
正是这个神秘的信仰使费希纳进行他那具有历史意义的实验心理学的。1850年10月22日的早晨，他躺在床上考虑如何向机械论者证明，意识和肉体是一个基本统一体的两个方面，这时，一道灵光一闪：如果他可以显示在刺激的力量与他们产生的感觉强度之间存在数学关系，则他就显示了灵肉的统一。
或者在费希纳看来是这样的。这个推理的逻辑也许会逃过非神秘主义者。可是，他倒是提出了一个非常有效和重要的问题，即意识感知外部世界的准确性：刺激的强度与它产生的感觉之间是否存在前后一致的数学关系？从直觉上来说，可能是这样的：光线越亮，我们看上去就越觉得亮。可是，如果你让光的亮度翻一倍，感觉的强度是否也强一倍呢？或者某种别的、好像是真实的关系存在着呢？
费希纳接受过物理学和数学的训练，他感觉到，当刺激的强度增大时，它应该要求更大的差别（绝对值上的差别）来产生一定大小的感觉增大。从数学上来说，刺激在长度上的几何增大会导致感觉的算术增大。一项临时的示意：按照传递到耳朵上的能量，一阵雷声的响声比日常谈话的声音要响好多倍；按分贝——分贝是指人耳能够分辨的最小响度差别——来说，它只是响两倍而已。
为了通过实验确立他的直觉，费希纳得解决一个看上去无法解决的问题：他可以很容易地测量刺激强度，可是感觉是个主观的东西，而且无法测量。可是，他推想，尽管他不能直接地观察和测量感觉，但他可以通过灵敏度的指导而间接地做到。他可以确定在感觉者刚刚能够注意到的、任何水平上最小的刺激力量增大。因为“刚刚能够注意到”在任何水平上都意味着同一个东西，这将是一个感觉的测量单位，借此可以与产生这种意识所必需的刺激的增加进行比较。
费希纳后来说，他不是从韦柏那里得到这个想法的，尽管韦柏是自己以前的老师，他在“刚好能够注意到的差别”上所做的工作几年以前就发表了。可是，他迅速意识到，他会使用到韦柏定律的推广形式。韦柏已经发现两项刚刚能够注意到的差别刺激之间的比率是一个常数，不管这种刺激的大小如何。费希纳却说，尽管两项刺激之间绝对的差别随着刺激的强度增大而增大，可感觉者对一种刚刚可以注意到的差别的感觉却仍然是一样的。
费希纳后来写道，想象一下，你用太阳镜看着天空，并在刚刚可以注意到的天空的背景上挑一片云来看。然后，你戴上一副黑得多的眼镜；云彩没有消失，但几乎只能够注意到：因为，尽管强度的绝对水平在透过黑镜片的过滤后会低得多，但云彩与天空之间的强度比却没有变。
为了表达刺激强度与感觉强度之间的关系，费希纳从数学上转变了韦柏定律，重新加以调整然后写出来：
S＝k log R，
这意思是说，在英语中，分段式的感觉强度增大是刺激强度翻倍的结果（乘以某个比率或者系数）。费希纳拼命要把这份荣誉还给他以前的老师，因此，他把这个公式称作韦柏定律——是他本人给韦柏的公式和他自己的公式命名的——可是，后来的心理学家按照这些公式各自的归属把修改后的公式叫作费希纳定律。
费希纳余下的9年花在辛苦的实验工作当中，收集着大量能够确证这个定律的数据。尽管他的性格当中有一些神秘主义者和诗人的气息，可在实验中，他是一位有强制力和严厉的研究者的榜样。他不知疲劳地让受试者们举起重物，注视光源，听各种杂音和音调，观察彩色样本等等，并宣布它们是不同的或是同样的。在这些年里，他对每种刺激的强度进行了范围广泛的实验，使用到了测量这些判断的三种方法。仅在这些方法中的一种里面，他便列出了24576种判断的表格和计算结果。他认为，第一次系统地探索物理和心理学王国之间的数量关系，这是一种新的科学专业，因此命名为“心理物理学”。
在他使用过的三种实验测量方法当中，他从前人那里借来了两种并使之完善，然后自己发明了第三种。直到当时为止，没有人曾使用过这种极仔细、可能准确控制和数量测量方法来探索心理学的反应。他的方法很快就被广泛接受，而且在今天心理学的每一个实验室里还在经常使用着。
一种是极限的方法，费希纳本人管它叫“仅仅可以注意到的差别法”。为了确定一个刺激的临界值，实验者一次提供一个刺激，从最低的量开始逐渐加大强度，直到受试者可以感受到刺激为止为了确定仅仅可以注意到的差别，实验者提供一个“标准的”刺缴和一个“比较用的”刺激，以小幅度增大两种之间的差别，直到受试者说可以感觉到为止。
第二个方法是常量刺激法，费希纳本人叫它“正确和错误情况法”。实验者一次又一次提供等量的刺激——在临界值上的单个刺激或者成对相似的刺激。受试者回答说“有了”（意思是说，他感受到了它，或者两者有了不同），或者说“没有”（表示他没有感觉到，或者两个刺缴没有什么不同。）受试者的回答得出平均值，而这些平均值会指明，在任何指定的刺激水平，或者两个刺激之间的差别上，受试者有没有可能会感觉到这些刺激，或者两个刺激之间的差别。
第三个方法，即费希纳本人的创造性的贡献，叫作调节法，他把它叫做“平均错误法”。实验者或者受试者调节比较刺激，直到它好像（对受试者来说）与标准刺激相等。这边或者那边总是会有一些错误存在的，不管多么微小。每一次错误都记录下来，许多次试验过后，把平均错误加起来，它也是仅仅可以注意到的差别的尺度。这个方法确立了了这个有用的原则，即测量数据可变性可以跟测量集中趋势一样得出信息来。
1860年、费希纳出版了两卷本的《心理物理学纲要》，把他的研究成果公诸于世。他已经59岁了，在这个年纪，科学家一般很少会拿出有创见的东西来的；可是，《心理物理学纲要》的确是富于创见的，并立即产生了很大的影响。兴趣是浓厚而且广泛的——不是对他信奉的泛灵论，而是对它的实验和计量方法学。如波林论及费希纳的成败时曾说过的，“他攻击物质主义的铜墙铁壁，但又因测量了感觉而受到赞美”。确切地说，有些心理学家认为，心理物理学的方法学是一个可怕的话题。许多年以后，伟大的威廉·詹姆斯写道：
如果像他这样一位可敬的老人会用他的怪想使这门科学永久地背上负担，而且，在一个充满各种容易产生成果的。引人注目的事物的世界里，如果迫使未来的学者们在这些繁杂的田地里耕耘，不仅要去研究他的作品，而且得研究那些反对他的更枯燥的作品，那可真是一件要命的事。
可是，很多人并不持这样的看法。尽管对费希纳说仅仅可以注意到的差别都是相等的这个假想的有效性存在激烈的争论，可是，他的方法一般却都认为是天才的突破。对刺激和反应两者之间的关系进行计量研究的时机已经成熟；许多心理学家几乎立即就开始利用费希纳的三个方法了，这三个方法将肉体的生理机构与它们所引起的主观的经验连接起来了。（费希纳本人尽管仍然还在写文章为他的心理物理学辩护，可是；他把漫长余生的大部分都贡献给美学、轻度异常现象。统计学和泛心灵哲学的研究上了。）
后来的心理学家们已经发现有错误，甚至驳倒了他的发现中的每个地方，可是，他的方法不仅仍然有用，而且是感觉测量中最基本的方法。波林总结了费希纳相互矛盾的成就：
没有费希纳……也许仍然会有一种实验心