时间和空间，现代自然科学认为它们都是物质延展性的表现。时间是一维的，是一维的绵延；空间是三维的，是三维的广延。绵延与广延都属于延展。然而绵延与广延不同，它还有“流逝”的含义。绵延的这种“流逝性”，在物理学上表现为自然过程的不可逆性，表现为热力学第二定律。流逝性的存在使得时间概念比空间概念更为复杂，因而也引起了哲学家和科学家的更多注意。

I.牛顿认为存在不依赖于物质和运动的绝对时间和绝对空间，时间与空间也互不关联，各自独立存在。空间就像一个固定的容器，物质在其中独立地运动。G.W.莱布尼兹则认为时间和空间都是相对的，时间不过是事件发生的先后顺序的罗列，空间不过是物体间有序性的表达，时间和空间都不能脱离物质客体而独立存在。物质消失了，时间和空间也就消失了。

A.爱因斯坦的相对论，掀开了人类认识时空的新篇章。爱因斯坦认为时间是相对的，空间也是相对的，但时空作为一个整体是绝对的。能量是相对的，动量也是相对的，但能量-动量作为一个整体是绝对的。他的狭义相对论认为，时间与空间一起组成“四维时空”，能量与动量一起组成“四维动量”。在广义相对论中，爱因斯坦又进一步建立起时空与物质之间的联系。他认为物质的存在会造成时空的弯曲，弯曲的时空又会反作用于其中的物质，影响物质的运动。在广义相对论中，作为“演员”的物质和作为“舞台”的时空，不再是互不相关的，而是相互影响的。不过，在相对论中，即便在无物质时，时空也依然存在。

爱因斯坦的一个伟大贡献是用几何这个数学工具来精确描述弯曲时空。他假设任何时空可以用带号差的度规来描述，由度规计算得到的曲率等几何量则反映时空的弯曲情况。将物质分布与时空几何联系在一起的是爱因斯坦场方程，这是一个张量方程，是广义相对论的基础。人们已经通过这个方程找到了多个描述黑洞、宇宙演化等问题的精确解，而这些解又可以用来计算物体在引力场中的运动，例如解释光线在星体附近的弯曲、水星近日点的进动等现象。

爱因斯坦的时空观是建立在坚实的实验和理论基础上的，从相对论得到的一系列看似违背常理的预言，如“尺缩钟慢”“双生子现象”等，都得到了实验的有力支持。下面介绍一个与引力场相关的时间现象。中国古代就有“山中方一日，世上已千年”的传说故事，实际上就是对时间相对性的大胆想象。然而这个古老的传说却得到了广义相对论的理论支持。根据广义相对论的计算结果，在引力场强的区域，例如星体表面，时间会相对变慢。如果一个宇航员能够在黑洞或致密星体表面停留一段时间，之后再返回远离星体的飞船上，即使他经历和感觉到的时间可能只有几个小时，但飞船上的时间已经过了很多年，他回到飞船后会发现其他宇航员已经变老了。虽然科技手段远不足以完成这样的星际旅行和实验，但是这种时间的相对性已经体现在我们的现实生活中。现在普遍使用的手机导航定位主要依靠手机与卫星之间的信号传播时间来计算位置。一方面，由于卫星相对于地球表面运动，会产生狭义相对论预言的动钟变慢效应。另一方面，高空中的引力场相对于地面会弱一些，导致卫星上的钟与地面钟的速率会有微小差异。这些相对论效应在短时间内可以忽略，但累积一段时间后，就会导致定位的明显偏差。因此现在的卫星定位系统都要考虑狭义和广义相对论对卫星上钟速的修正效应。   

H.庞加莱认为，凡是不能测量的东西，都不能进入自然科学。因此，物理学中的时间和空间必须有测量的方法。在相对论诞生之前，“时间测量”与“空间测量”是相互独立的两件事。空间的长度，一般用规定了长度单位的标准尺来测量，而时间则是用周期运动来测量。

现代物理学认为应该在“约定”（即“规定”）真空中的光速是一个常数的基础上来定义时间和空间的测量。通过这一约定，可以校准静止于空间各点的“钟”，定义时间的“同时”和“同步”。还可以定义先后流逝的“时间段”的相等，从而完成对时间的测量。对空间长度的测量则取决于“时间的测量”和对“光速的约定”。相对论中两点的距离，是用光走过这段距离的时间（用钟测量）乘上恒定的光速来定义的。相对论中不再有另外独立的标准尺。

相对论极大地改变了人类的时空观念，量子论也在深刻影响人类对时空的认识。宏观上看来平坦均匀的时空，在微观看来却存在量子涨落。不确定关系告诉我们，考察的时空区域越小，感到的量子涨落越激烈。这就像飞机上的人观察大海一样。当飞机飞得很高时，飞行员觉得海面平静而光滑，降低飞行高度后，飞行员注意到海面上存在微波与涟漪。当飞机贴近海面时，飞行员会看到泡沫与浪花。因此，相对论界普遍认为，在宇宙诞生的极早期，由于时空区域极小，可能存在着猛烈的时空量子涨落。在那段时期，时空的泡沫与浪花有可能形成复杂的拓扑结构，例如虫洞和多连通的宇宙。时空的这类复杂结构，有可能伴随着宇宙的膨胀和演化，一直保留到今天。量子论告诉我们，近距离观察均匀流逝的时间之河时，河面并不平静，存在着泡沫和浪花。

20世纪六七十年代，相对论专家R.彭罗斯和S.W.霍金证明了一个重要的定理——“奇性定理”。这条定理说，一个合理的物理时空中，必然至少存在一个“奇点”，它可以是时间的“开始”或“结束”。黑洞的奇点附近通常有任意大的时空曲率，其产生的潮汐力可以“撕碎”任何靠近的物体。绝大多数物理学家认为，“奇点”的出现是由于引力场没有成功量子化造成的，他们推测，将来把引力场成功量子化后，“奇点”就会被排除。

相对论界认为，宏观的时空是四维的，一维时间，三维空间。但量子引力的研究则发现，微观的时空有可能不止四维，例如可以是十维和十一维。其中一维是时间，其他各维是空间。当然，也有人认为时间和空间都不止一维。

相对论和量子论的结合，正在把“时空”的研究推向新的高度。