簡介
空間和時間時間和空間是構成物理學的基石，物理學描述了物體在四維空間（三維空間和時空）的變化規律。當參照系發生了變化，經典力學的物理的規律不在適用。愛因斯坦突破傳統思維，重新思考了對時間與空間的認識，提出了相對論。
宇宙（目前觀察到的）的本身就是以太，時間就是以太的流動，而空間就是以太所存在的地方。
空間定義
空間是具體事物的組成部分，是運動的表現形式，是人們從具體事物中分解和抽象出來的認識對象，是絕對抽象事物和相對抽象事物、元本體和元實體組成的對立統一體，是存在於世界大集體之中的，不可被人感到但可被人知道的普通個體成員。空間是具體事物的組成部分，是具體事物具有的一般規定。眼睛可以看到、手可以觸到的具體事物，都是處在一定空間位置中的具體事物，都具有空間的具體規定，沒有空間規定的具體事物是根本不存在的。空間反映物質運動的廣延性。物體在三維空間裡的位置可以由三個相互獨立的坐標軸來確定。時間定義
時間是人類用以描述物質運動過程或事件發生過程的一個參數，確定時間，是靠不受外界影響的物質周期變化的規律。例如月球繞地球周期，地球繞太陽周期，地球自轉周期，原子震盪周期等。愛因斯坦說時間和空間是人們認知的一種錯覺。大爆炸理論認為，宇宙從一個起點處開始，這也是時間的起點。經典時空觀認為，時間是獨立於物體及其運動而存在的。物理概念
空間和時間另一方面，物體的運動性質和規律，卻與採用怎樣的空間和時間來度量它有著密切的關係。相對於絕對空間的靜止或運動，才是絕對的靜止或運動。只有以絕對空間作為度量運動的參照系，或者以其他作絕對勻速運動的物體為參照物，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者總保持靜止，或者總保持勻速運動。這一類特殊的參照系，被稱為慣性參照系。任何兩個不同的慣性參照系的空間和時間量之間滿足伽利略變換。在這種變換下，位置、速度是相對的，即相對於不同參照系其數值是不同的：長度、時間間隔是絕對的，即相對於不同參照系其數值是不變的，同時性也是絕對的。相對於某一慣性參照系同時發生的兩個事件，相對於其他的慣性參照系也必定是同時的。另外，牛頓力學規律在伽利略變換下保持形式不變，這一點符合伽利略相對性原理的要求。
正是這個相對性原理，構成了對牛頓的絕對空間概念的懷疑的起點。如果存在絕對空間，則物體相對於這個絕對空間的運動就應當是可以測量的，這相當於要求在某些運動定律中含有絕對速度。然而，相對性原理要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度，亦即絕對速度在原則上是無法測定的。萊布尼茲、貝克萊、馬赫等先後都對絕對空間、時間觀念提出過有價值的異議，指出過，沒有證據能表明牛頓絕對空間的存在。愛因斯坦推廣了上述的相對性原理，提出狹義相對論的相對性原理，即不但要求在不同慣性參照系中力學規律具有同樣形式，而且其他物理規律也應如此。
經典力學和狹義相對論都認為一個慣性參照系可以適用於整個宇宙，或至少一個大的範圍。相對於某一個慣性參照系，宇宙中任何範圍中的物體運動都遵從慣性定律。愛因斯坦在廣義相對論中指出，如果考慮到物體的萬有引力，一個慣性參照系只能適用於一個非常局部的範圍，不可能適用於大的範圍，或全宇宙。如果對於描寫一個局部範圍中的物體來說，某一參照系是慣性的那么對其他範圍中的物體運動而言，它一般就不再是慣性的。為了描寫在一個大範圍中的運動，對不同局部範圍要用不同的慣性參照系。物體之間的引力的作用，就在於決定各個局部慣性系之間的聯繫。用幾何的語言來說，各個不同的局部範圍的慣性參照系之間的關係，可以通過時空曲率來規定。引力的作用就在於使空時變成彎曲的，而不再是經典力學中的無限延伸的歐幾里得幾何的絕對空間，也不再是經典力學中的無限延伸的閔可夫斯基空間。
總之，在廣義相對論中，時空的性質不是與物體運動無關的。一方面，物體運動的性質要決定於用怎樣的空間時間參照系來描寫它另一方面時空的性質也決定於物體及其運動本身。
量子論的發展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論的結論之一就是：對於一個體系在過去可能存在於什麼狀態的判斷結果，要決定於在現今的測量中做怎樣的選擇。所以，除非一個體系的過去狀態是已經被記錄到了這種情況以外，不能認為體系的歷史是獨立於現今的選擇，而存在於過去的時間中的。
這種現在與過去之間的相互關係，是與因果順序概念十分不同的，暗含於時間概念中的因果序列要求過去的存在應是不依賴現在的。另外，量子論還表明，在10¯³³厘米、10¯³³秒這樣小的時空尺度中，描寫事件順序的“前”“後”概念將失去意義。
因此，用時間來描述事件發生的順序，可能並不總是合用的。空間與時間是事物之間的一種次序，但並不一定是最基本的次序，它可能是更基本的次序的一種近似。
平直時空
愛因斯坦自己的理解，速度無窮大，“絕對同時”有意義，但觀測速度上限是光速，因此“絕對同時”無意義。因此在速度無窮大時，愛因斯坦也不否認平直時空觀。那么怎么解釋光線的彎曲呢？在平靜的水面上，水波是沿直線傳播的，在有鏇渦的水面上，水波不再直線傳播。在均勻的空氣中，光線直線傳播，在密度不同的空氣中，光線會彎曲，這個我們在海市蜃樓現象中是知道的。那么為什麼沒有人在計算光線經過太陽時，由於空氣密度不同產生的彎曲呢？也許修正了愛因斯坦的相對論後，我們可以舒服的用平直時空看待宇宙了。時空關係
一般意義上講，時間是物質存在的“持續”屬性，空間是物質存在的“廣延”屬性。他們都是物質存在的屬性，它們的關係不是簡單的比例關係也不是簡單的轉換關係。他們之間的關聯是以物質為媒介的，時間和空間都是相對的，對於不同的慣性系來說，時間和空間的尺度是不一樣的，他們都會因運動和引力而發生改變，物質引力和物質運動速度會使空間發生彎曲，會把時間壓縮，具體的計算過程是非常複雜的，如果有興趣可以研究一下廣義相對論和量子力學等學科，在不同的理論學說中，時間和空間被給與不同的定義含義。一般老百姓理解的就是簡單的歐幾里德幾何式絕對空間和均勻流逝的古典時間概念。在這種傳統意義上的時空概念中，時間和空間都是均勻的、互不相關的。
我們現在關於物體運動的觀念來自於伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說物體的自然狀態是靜止的，並且只在受到力或衝擊作用時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的力將其拉向地球。
相對論時空
時間城市空間海報狹義相對論否定了19世紀光以太的存在，電磁波是電磁場自身的波動。這樣場就成為與實物有所不同的物質形式。同時，這也否定了牛頓的絕對空間和絕對時間，並通過光速不變原理把一維時間和三維空間聯繫起來，成為相互聯繫的四維時間–空間。H.閔可夫斯基首先發現了這一性質，因而稱為閔可夫斯基時空。四維閔可夫斯基時空的幾何是度規具有符號差的歐幾里得幾何，其不變群就是非齊次洛倫茲群。
狹義相對性原理要求所有的物理規律對於慣性系具有相同的形式。然而，把引力定律納入這一要求並不符合觀測事實。愛因斯坦進而提出描述引力作用的廣義相對論，再一次變革了物理學的時間–空間觀念。
按照廣義相對論，如果考慮到物體之間的慣性力或引力相互作用，就不存在大範圍的慣性系，只在任意時空點存在局部慣性系；不同時空點的局部慣性系之間，通過慣性力或引力相互聯繫。存在慣性力的時空仍然是平直的四維閔可夫斯基時空。存在引力場的時空，不再平直，是四維彎曲時空，其幾何性質由度規具有符號差的四維黎曼幾何描述。時空的彎曲程度由在其中物質（物體或場）及其運動的能量–動量張量，通過愛因斯坦引力場方程來確定。在廣義相對論中，時間–空間不再僅僅是物體或場運動的“舞台”，彎曲時間–空間本身就是引力場。表徵引力的時間–空間的性質與在其中運動的物體和場的性質是密切相關的。一方面，物體和場運動的能量–動量作為引力場的源，通過場方程確定引力場的強度，即時空的彎曲程度；另一方面，彎曲時空的幾何性質也決定在其中運動的物體和場的運動性質。如太陽作為引力場的源，其質量使得太陽所在的時空發生彎曲，其彎曲程度表征太陽引力場的強度。最鄰近太陽的水星的運動軌跡受的影響最大，經過太陽邊緣的星光也會發生偏轉，等等。廣義相對論提出不久，天文觀測就表明，廣義相對論的理論計算與觀測結果是一致的。然而，20世紀中後期的研究表明，在物理上可以實現的條件下，廣義相對論的時間–空間必定存在難以接受的奇異性。在奇點處時間–空間亦即引力場完全失去意義，這是廣義相對論在理論上存在問題的表現。
宇宙的演化
宇宙是一個演化的整體。對於空間和時間的認識，一直與對宇宙的認識密切相關。現代宇宙論以宇宙學原理和愛因斯坦引力場方程為基礎。宇宙學原理認為，宇宙作為一個整體，在時間上是演化的，即有時間箭頭，在空間上是均勻各向同性的。20世紀中期，提出的大爆炸宇宙模型，解釋了河外星系紅移，預言了宇宙微波背景輻射，對於宇宙的演化、星系的形成、輕元素的豐度等都能給出了基本上與天文觀測相一致的解釋，也解決了牛頓體系無法建立宇宙圖像的問題。可以說，宇宙作為一個演化的整體的認識是20世紀自然科學對於時間和空間的認識的一個重要成就和標誌。然而，前面提到的奇點，卻又處在宇宙大爆炸的起點或星系核或黑洞的中心，這就給宇宙起源、星系演化帶來新的問題。
量子理論影響
量子理論對空間和時間理論的影響。20世紀初物理學從經典力學到量子理論的變革，對於空間和時間的觀念同樣引起了革命性的變化，也引起物理學界的窘迫。量子力學描述的系統的空間位置和動量、時間和能量無法同時精確測量，它們滿足不確定度關係；經典軌道不再有精確的意義等，如何理解量子力學以及有關測量的實質，一直存在爭論。20世紀末，關於量子糾纏、量子隱形傳輸、量子信息等的研究對於與時間–空間密切相關的因果性、定域性等重要概念，也帶來新的問題和挑戰。
量子力學與狹義相對論的結合導致的量子電動力學、量子場論、電弱統一模型，包括描述強作用的量子色動力學在內的標準模型，雖然取得很大成功，但也帶來一些挑戰性的疑難。在深刻改變著一些有關時間–空間的重要概念的同時，也帶來了一些原則問題。如真空不空、存在著零點能和真空漲落，大大改變了物理學對於真空的認識。在此基礎上，量子電動力學的微擾論計算可給出與實驗精密符合的結果，然而這個微擾展開卻是不合理的。對稱性破缺的機制使傳遞弱作用的中間玻色子獲得質量，然而黑格斯場的真空期望值和前面提到的零點能，在一定意義上相當於宇宙常數，其數值卻比天文觀測的宇宙學常數大了幾十到一百多個數量級。量子色動力學描述夸克和膠子之間的相互作用，但夸克和膠子卻被囚禁在強子內部，至今沒有發現自由的夸克和膠子，這個問題可能與真空的性質相關。
另一方面，量子理論預示，在10－33厘米、10－43秒這樣小的空間–時間尺度上，空間–時間的經典概念將不再適用。要解決這個問題，必須建立理論上自洽的量子引力理論，即量子時空理論。然而，量子理論和廣義相對論如何結合一直未解決。一個或許有希望的候選者是超弦理論或M理論。可是，在量子意義上自洽的超弦理論或M理論，只能在一維時間–九維空間或一維時間–十維空間上實現。這就引起一些深刻的問題：如何回到一維時間–三維空間。為何現實的空間是三維的，時間是一維的，或許宇宙僅僅是高維時空中的“一片”（可稱之為“膜”）。然而，從高維空間–時間回到四維空間–時間顯然有不止一種方法。那么，在“膜”宇宙之外，是否可能存在其他的“膜”宇宙？在宇宙產生於大爆炸之前，是否還會有其他的階段等。這些問題的研究和解決，與暗物質、暗能量，以及宇宙常數等問題都有著密切的聯繫。
弱作用
弱作用左右對稱性（宇稱）等的破壞。力學和電磁學規律對於把慣性參考系（慣性系）從左手系變為右手系是不變的，把時間反號也是不變的。這些稱為空間反演和時間反演不變的規律性與空間和時間的概念密切相關。同時，還存在與這些對稱性相聯繫的正反電荷對稱性。但在微觀粒子的弱相互作用中，空間反演不變、時間反演不變和正反電荷反演不變這類規律性不再成立。從20世紀中期李政道和楊振寧提出宇稱不守恆，並為實驗證實開始，物理學正逐步認識到這一點。不過，至今還不清楚更深刻的本質是什麼。
宇宙常數
暗能量和宇宙常數疑難。20世紀90年代末以來，天文觀測有了很大的進展。已經確定，看不見的暗物質和與通常的能量完全不同的暗能量至少分別占據宇宙中總的物質和能量的兩成和七成以上；宇宙常數為正，約為10－52厘米－2。這樣，宇宙空間–時間就不再是漸近平坦的，而應該是漸近正的常曲率時空。但是，對於正的常曲率時空，不僅超弦或M理論具有原則上的困難，通常的量子場論、量子力學，乃至經典力學都會遇到困難。因為，在理論上還沒有公認的方式自洽地定義物理和力學的可觀測量。至於宇宙常數的數值為什麼這樣小，也是一大難題。
在歷史上任何一個階段，人類對於空間和時間的認識，都不是完備的、不存在問題的，只不過有些問題一時沒有發現而已。人類對於空間和時間的認識，正是這樣不斷地提出問題、解決問題，在實踐中不斷地深化著。
