空間和時間

第1點內涵關係

時、空、質在內涵上是既各自獨立又相互聯繫著的三個絕對概念。時間公理、空間點分理、質量總體分理表達了它們的各自獨立性，而空時關係分理和質空關係分理則表達了它們的相互聯繫性。空時關係分理和質空關係分理表明U=U(T)和M=M(U)，即空間所經歷者為時間和質量所充滿者為空間，就是說：“時空隨質度”。質量是三要素中的原生要素，沒有質量就沒有空間，沒有空間就沒有時間，如果採用老子道德經的詩化描述，則有：原生質，質生空，空生時，時生萬物。

第2點測量關係

時空質的外延部份涉及到其數值測度問題，其測度數值都是相對於參照系的，而且都只能夠是近似值。測度時空質的數值是科學上要具體解決的問題。在愛恩斯坦以前是在虛擬靜止參照系下分別測度的，具體了它們的各自獨立性；愛恩斯坦增加了在實際運動參照系下的共尺測度方法，具體了它們的相互聯繫性。

時空質的依存關係確立了事物的演化秩序。如果在測度上以絕對常量光速c為共尺，此秩序可由以下愛因斯坦狹義相對論公式具量表達：

T=γ(t-vr/c^2)，動時間T，靜時間t，相對運動下鍾變慢；

R=γ(r-vt)，動距離R，靜距離r，相對運動下尺變短；

M=γm，動質量M，靜質量m，相對運動下質變大。

其中γ=1/√(1-v^2/c^2)

用絕對常量去測度各種變數以求取變數間的函數關係，是人類的小智慧；而用無限長的時空質尺子去測度“歷時有盡”的事件和“占空有界”的物件以創造萬事萬物，則是宇宙的大智慧。人類若能夠從中有所領悟，必能夠走出“相對”的迷宮，步入“絕對”的聖境！

宇宙三公理

在《宇宙哲學》中，人類的所有概念都可以由下述三條公理直接定義或演繹定義。

一、時間公理：時間無盡永前。表達式：T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0}。

時間公理分為時刻分理和時段分理兩部份。

1、時刻分理：t∈(-∞,+∞)為“無盡”，指“時間沒有起始和終結”。

時刻無限多、刻刻不同是時間本性之一。t為時刻，其測量數值為實數。

2、時段分理：△t>0為“永前”，指“時間的增量總是正數”。

時段單向延續是時間本性之二。△t為時段，其測量數值為大於0的實數。

二、空間公理：空間無界永在。表達式：U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct}。

空間公理分為點分理與空時關係分理兩部份。

1、點分理：r∈[0,+∞)為“無界”，指“空間里任一點都居中”。

點數無限多、點點不同又點點平權是空間本性。這裡點P=(r,θ,φ)[球坐標]，r為P點到球坐標系原點的距離，其測量數值為非負實數，θ∈[0,π]，φ∈[0,2π]。

2、空時關係分理：r=ct為“永在”，指“空間永現於當前時刻”。

任何空間點都必然出現在當前時刻是空間與時間的基本關係。這裡c為光速常量。因為根據狹義相對論中的四維時空概念，時空間隔ct－r=0是不變數，即時間和空間之間沒有間隔，所以r=ct表示P點是光即時到達之點，也就是表示“空間永現於當前時刻”。

三、質量公理：質量無限永有。表達式：M={m∈(0,+∞)}∩{(dρ)_η≠(dρ)_0}。

質量公理分為總體分理和質空關係分理兩部份。

1、總體分理：m∈(0,+∞)為“無限”，指“宇宙的總質量無限大”。

總質量無限大是質量本性。這裡m為靜質量。

2、質空關係分理：(dρ)_η≠(dρ)_0為“永有”，指“永不均勻地布滿空間”。

“宇宙空間內的任何部份都充滿著質量，不存在不含質量的純空，但各點的微密度都不相同”，這是質量與空間的基本關係。(dρ)_0為任意指定一空間點的密度，(dρ)_η為其他的任意空間點的密度，(dρ)_η≠(dρ)_0表示每點的微密度都不相等，就是說“質布空間永不均”。這裡密度ρ=m/u，微密度dρ=dm/du，其中dm為無窮小的質元；du為無窮小的空元，其中u為域積，包括點、線、面、體之積；η為正整數。“質布空間永不均”在量子力學上表達為“測不準原理”注1。著名的布朗運動就是由“質布空間永不均”造成的注2。

為了便於牢記，以詩表之：

《宇宙三公理》

增量恆為正，時間沒始終。空間存現在，點點可居中。

質量無窮大，不均布滿空。時空隨質度，生滅理相同。

時間、空間、質量的定義

時間、空間、質量合稱宇宙三要素，分別簡稱時、空、質。

這三要素的定義概括了所有人類學科關於時間、空間、質量定義的內涵和外延。時、空、質定義中的內涵分別就是時間公理、空間公理、質量公理，外延則由各自內涵的本性分理分別演繹推導得出：因為“三無”，所以時空質的每部份都有限可測，但部份數卻都可以無限多。內涵表達了時空質之尺都是無限長的，外延分別表達了時間可以任分時刻以分段並測量各段長、空間可以任分區域並測量各區域大小、質量可以任分部分並測量每部份數值的多少。根據時空質的定義可以推導出時空質分別由其素元所積成。

第1點時間

內涵T={t∈(-∞,+∞)}∩{△t>0}；外延T=∑(t∪→△t)_n=∑t_n∪∑→△t_n。

即內涵是無盡永前；外延是各時刻順序或各有限時段長短的測量數值。

(t∪→△t)_n表示時間的任一有限部份，即每部分都是有限的但部份數卻可以無限多。式中的t_n表示第n時刻值，△t_n表示第n時段的長度值。→△t_n表示第n時段，其中→△t=△t→l=(t1－t)→l，其中→l是單位向量，表示時刻只有增加的方向，即表示時段的唯一方向，又其中t1是后時刻或現在時刻值，t是前時刻或過去時刻值。

甲、時間外延的演繹推導：

A、∵t∈(-∞,+∞)[時刻無限多、刻刻不同]∴t_n∈(-∞,+∞)[t_n表示可以任意選定坐標系並任意選取n多個時刻值以比較其先後順序]。

B、∵t∈(-∞,+∞)∩△t>0[時刻無限多、刻刻不同且時段單向延續]∴△t_n>0，即存在→△t_n[→△t_n表示可以任意選取n多個段長有限的單向時段以比較其長短]。

內涵表達了時間之尺是無盡永前的，外延表達了時間可以任意分刻測位或分段測長。

乙、時間推論的演繹推導：

時間由時元積成：t=∫dt。

其中時元dt=t1－t→0，dt的前時刻t為dt的極限值。

證明：∵△t>0[任選時段都大於0]∴△t=t1－t→0=dt[△t可以無窮小]，∴t=∫dt。

因為時間的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來測量時刻和時段的值。如物理學在國際單位制（SI）中，把測量時間的基本單位秒(s)定義為：銫-133的原子基態的兩個超精細能階間躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間；在天文學上的曆書時中又把秒(s)定義為：1900年1月0日12時正回歸年長度的1/31﹐556﹐925.9747；在生活中又常用毫秒ms、分min、小時h、日（天）d等等時間單位。

因為時間的上述特性，所以我們研究宇宙各部份變化規律的所有學問才可能產生。

因為時間的上述特性，所以在宇宙中萬事萬物才可能產生、變化和消亡！

第2點空間

內涵U={r∈[0,+∞)}∩{r=ct}；外延U=∑(→r∪u)_n=∑→r_n∪∑u_n

即內涵是無界永在，外延是各有限部份空間相對位置或大小的測量數值。

(→r∪u)_n表示空間的任一有限部份，即每部份都是有限的但部份數卻可以無限多。式中的r_n表示第n個點的坐標值，u_n表示第n個有限點群大小的域積。

甲、空間外延的演繹推導：

A、∵r∈[0,+∞)[點數無限多、點點不同又點點平權]∴r_n≥0[[r_n表示可以任意選定坐標系並選取n多個點位數值以比較其位置的相對方位]。

B、∵r_n≥0[可以任意選點]∴u_n>0[u_n表示互相聯結著的點可以合而為一有限的點群區域，並且可以任意選取n多個點群以比較其大小]

內涵表達了空間之尺是無界永在的，外延表達了空間可以任意劃分區域並測度各區域大小。

乙、空間推論的演繹推導：

空間由空元積成：u=∫du。

證明：∵u_n>0[任選區域都可以無窮小]即存在空元du，∴u=∫du。

因為空間的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來測量空點相對位置和空域具體大小的值。如物理學上把測量長度的基本單位米(m)定義為：光在真空中行進1/299792458秒的距離，而常用的單位還有千米（km），分米（dm），厘米（cm），毫米（mm）微米（μm）納米（nm）等等。又如中國的里、丈，英國的英寸、碼，航空航海上的海里、節等等。在計算面積、體積時也一樣可以使用不同的單位。

因為空間的上述特性，所以我們才能夠把空間分解為不同的部份並研究它們之間的關係，產生了幾何學、代數學和邏輯學。這一點在下面第三篇有關幾何學、代數學和邏輯學的章節中有具體的論述。

第3點質量

內涵M={m∈(0,+∞)}∩{dρ_η≠dρ_0}；外延M=∑m_n=∑(ρu)_n

即內涵是無限永有，外延是各有限部份空間內填充內容多少的測量數值。

m_n表示質量的第n有限部份的靜質量值，即每部份的靜質量都是有限的但部份數卻可以無限多。

甲、質量外延的演繹推導：

∵m∈(0,+∞)[總質量無限大]∴m_n>0[m_n表示可以任意選取n多個有限部份以比較其多少]。

內涵表達了質量之尺是無限永有的，外延表達了質量可以任意分部並測度各部份數值的多少。

乙、質量推論的演繹推導：

質量由質元積成：m=∫dm

證明：∵m_n>0[任選部份都可以無窮小]即存在質元dm，∴m=∫dm。

因為質量的上述特性，所以我們才能夠用不同的單位來測量具體物體所含質量多少的值。如物理學在國際單位制中的基本單位千克(Kg):純水在4℃時的質量、中國的斤、英國的磅等等。

因為質量的上述特性，所以我們才能夠通過化學研究找到分子和原子，才能夠通過粒子物理學的研究找到質子、中子、電子、夸克等微觀粒子。這一點在下面第三篇關於化學、粒子物理學的章節中有具體的論述。

因為質量永不均勻地布滿空間，分佈狀態在隨時地變動著，所以質量在改變空間的分佈狀態時便產生了物理學上稱之為慣性或萬有引力的可測量現象。這一點在下面第三篇關於牛頓力學和量子力學的章節中有具體的論述。

從上述三素各自的推論可知：時元值dt、空元值du、質元值dm都是無窮小變數，所以我們對時間（時刻、時段）、空間（點位置、距離、面積、體積）、質量（靜質量、動質量）等的具體測量數值都只能夠是近似值，這一點已經為量子力學上的“測不準原理所體驗、測得。

伽利略相對性打破了牛頓的絕對空間概念。力學相對性原理（伽利略相對性）要求物體的運動規律中必定不含有絕對速度，亦即絕對速度是無法測定的，否定了牛頓絕對空間的存在。

牛頓曾經對絕對空間的不存在感到非常憂慮，因為與其絕對上帝的觀念不一致。事實上，即使絕對空間的不存在隱含在其定律中，牛頓也會拒絕接受。因為這個非理性的信仰，牛頓受到許多人的嚴厲批評，最有名的是貝克萊，他是一個相信所有的物質實體、空間和時間都是虛妄的哲學家。

亞里士多德和牛頓都相信絕對時間，相信人們可以準確地測量兩個事件之間的時間間隔。時間和空間是完全獨立的。

相對論改變了空間和時間的觀念，否定了絕對空間和絕對時間。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和無限延伸的閔可夫斯基空間。廣義相對論揭示存在空間-時間客體，指出空間-時間的性質與物體運動相聯繫。

愛因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，空間-時間是由於其質量和能量的分佈而扭曲，造成空間-時間結構不是平坦的事實。對空間-時間新的理解是宇宙觀的革命。

量子論的發展，對時間概念提出了更根本的問題。量子論認為對於一個體系在過去可能存在於什麼狀態的判斷結果，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已經被記錄，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。這種現在與過去之間的相互關係，與因果順序概念十分不同，暗含於時間概念中的因果序列要求過去的存在不依賴現在。量子論還表明，在10厘米、10秒這樣小的時空尺度中，描寫事件順序的“前”“后”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。

空間和時間是指事物之間的一種次序。空間用以描述物體的位形；時間用以描述事件之間的順序。空間和時間的物理性質主要通過它們與物體運動的各種聯繫而表現出來。

在物理學中，對空間和時間的認識可以分為三個階段：經典力學階段、狹義相對論階段及廣義相對論階段。

在經典力學中，空間和時間的本性被認為是與任何物體及運動無關的，存在著絕對空間和絕對時間。牛頓在《自然哲學的數學原理》中說：“絕對空間，就其本性來說，與任何外在的情況無關。始終保持著相似和不變。”，“絕對的、純粹的數學的時間，就其本性來說，均勻地流逝而與任何外在的情況無關”。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考系，或者以其他作絕對勻速運動的物體為參考系，慣性定律才成立。即不受外力作用的物體，或者保持靜止，或者保持勻速運動。這一類特殊的參考系，被稱為慣性參考系（慣性系）。

任何兩個不同的慣性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，即相對於不同參考系其數值是不同的：長度、時間間隔是絕對的，即相對於不同參考系其數值是不變的，同時性也是絕對的。相對於某一慣性系同時發生的兩個事件，相對於其他的慣性系也必定是同時的。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。G.萊布尼茲、G.貝克萊、E.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系中力學規律具有同樣形式，而且其他物理規律也應如此。在狹義相對論中，不同慣性系的空間和時間之間遵從洛倫茲變換。根據這種變換，同時性不再是絕對的，相對於某一參考係為同時發生的兩個事件，相對於另一參考系可能並不同時發生。在狹義相對論中，長度和時間間隔也變成相對量，運動的尺相對於靜止的尺變短，運動的鐘相對於靜止的鐘變慢，光速在狹義相對論中是絕對量，相對於任何慣性系光速都是C。

空間和時間是共同描述質點運動的兩個基本物理量，其國際單位制（SI）量綱分別為：長度L（米），符號m；時間T（秒），符號s。描述運動要準確指出質點在參考系（坐標系）中出現的時間和位置。物理學確立了質點在四維時空（一維時間+三維空間）中的變化規律。

牛頓的絕對空間和絕對時間。通常，為確定一物體的大小，要知其形狀和尺寸。對於長方體，知其長、寬和高，利用歐幾里得幾何的公式就可計算其體積。為了確定一個可忽略大小的物體的位置，只要知道它相對於另一個可忽略大小的靜止參照物的上下、左右和前後距離，同樣利用歐幾里得幾何就足夠了。描述運動物體，瞬間位置還不夠，還需要知道瞬間的速度和加速度。由此，可抽象出三維空間坐標系和一維時間坐標的概念。物體的運動性質和規律，與採用怎樣的空間坐標系和時間坐標來度量有著密切的關係。相對於慣性參考系（慣性系），慣性定律才成立。為了確定慣性系，牛頓抽象出三維絕對空間和一維絕對時間的觀念。絕對空間滿足三維歐幾里得幾何，絕對時間均勻流逝，它們的本性是與在其中的任何具體物體及其運動無關的。相對於絕對空間的靜止或勻速直線運動的物體為參照物的坐標系，才是慣性系。

在經典力學中，任意一個物體對於不同的慣性坐標系的空間坐標量和時間坐標量之間滿足伽利略變換。在這組變換下，位置、速度是相對的；空間長度、時間間隔、運動物體的加速度是絕對的或不變的。時間測量中的同時性也是不變的：相對於某一個慣性系的兩個事件是否同時發生是不變的。相對於某一個慣性系同時發生的兩個事件，相對於其他慣性系也必定是同時的，稱為同時性的絕對性。牛頓力學的所有規律，包括萬有引力定律，在伽利略變換下其形式是不變的。這一點可以抽象為伽利略相對性原理：力學規律在慣性系的變換下形式不變。同時，不變性與守恆律密切相關。運動物體在伽利略變換下的時間平移不變性，對應於該物體的能量守恆；在伽利略變換下的空間平移和空間轉動不變性，對應於該物體的動量守恆和角動量守恆。

牛頓力學定律及其在伽利略變換下的不變性，促成對牛頓的絕對空間概念的懷疑。如果存在絕對空間，物體相對於絕對空間的運動就應當是可以測量的。這相當於要求某些力學運動定律中應含有絕對速度。但是，在牛頓力學規律中並不含絕對速度。換言之，牛頓力學定律的正確性，並不要求一定存在絕對空間。在牛頓提出絕對空間概念之後，先後有人對這種觀念提出異議。事實上，沒有有力的證據表明存在絕對空間。然而，隨著牛頓力學和萬有引力定律的極大成功，牛頓的絕對空間和絕對時間的概念，也一直在自然科學界和哲學界佔據主導地位。

但是，在牛頓體系中無法建立簡單的宇宙圖像。一種簡單的宇宙圖像是：在無限大的絕對空間和無窮長的絕對時間中，無限多恆星或星系在其中大體靜止，平均光度大致均勻。然而，這種樸素的宇宙圖景，在萬有引力的作用下是不穩定的，而且連為什麼夜間天空是黑暗的這樣簡單的問題，都無法回答。

19世紀麥克斯韋總結出電磁學的基本規律——麥克斯韋方程組，這組方程中出現了光速C。隨後又發現了電磁波。受牛頓絕對空間和絕對時間觀念支配的物理學界，自然認為在絕對空間中充滿著光以太，麥克斯韋方程僅在相對於絕對空間靜止的慣性系中成立，電磁波是光以太的波動。這種觀念的必然推論是，在地球這個相對於絕對空間運動的系統中，麥克斯韋方程僅近似成立。電磁學或光學實驗應該能夠測量出地球相對於光以太的漂移速度。但是，所有這類實驗都得到否定的結果。這表明，忽略地球的非慣性運動的效應，麥克斯韋方程仍成立，並不存在以太漂移。這樣，牛頓的絕對空間和光以太觀念都受到了挑戰。

20世紀初，愛因斯坦提出了狹義相對論，擴展了伽利略相對性原理，不僅要求力學規律在不同慣性參考系（慣性系）中具有同樣形式，而且要求其他物理規律在不同慣性系中也具有同樣的形式。愛因斯坦還假定在不同慣性參考系中單程光速C是不變的。據此，不同慣性系的空間坐標和時間坐標之間不再遵從伽利略變換，而是遵從非齊次洛倫茲變換。根據這類變換，尺的長度和時間間隔（即鐘的快慢）都不是不變的：高速運動的尺相對於靜止的尺變短，高速運動的鐘相對於靜止的鐘變慢。同時性也不再是不變的（或絕對的）：對某一個慣性系同時發生的兩個事件，對另一高速運動的慣性系就不是同時發生的。在狹義相對論中，光速是不變數，因而時間–空間間隔（簡稱時空間隔）亦是不變數；一些慣性系之間，除了對應於時間平移和空間平移不變性的能量守恆和動量守恆之外，還存在時間–空間平移不變性；因而，存在能量–動量守恆律。根據這一守恆律，可導出愛因斯坦質量–能量關係式。這個關係在原子物理與原子核物理中極為基本。

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，其彎曲程度表徵太陽引力場的強度。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、輕元素的丰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厘米、10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。那麼，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。

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佔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厘米。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。