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時空是三維空間與四維時間相結合的概念模型。根據目前最好的物理理論，時空解釋了在光速附近旅行以及宇宙中大質量物體的運動所產生的不尋常的相對論效應。
誰發現了時空？
著名物理學家阿爾伯特·愛因斯坦幫助發展了時空概念，並將其作為相對論的一部分。在他的開創性工作之前，科學家們有兩種不同的理論來解釋物理現象：艾薩克·牛頓的物理定律描述了宏觀物體的運動，而詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的電磁模型則解釋了光的性質。
在19世紀末進行的實驗表明，光有其特殊之處。測量結果表明，不管怎樣，光總是以同樣的速度傳播。1898年，法國物理學家和數學家亨利·邦加推測光速可能是一個無法超越的極限。大約在同一時間，其他研究人員也在考慮物體大小和質量隨速度變化的可能性。
愛因斯坦在1905年的狹義相對論中把所有這些想法結合在一起，該理論假設光速是一個常數。為了實現這一點，空間和時間必須結合成一個單一的框架，共同保證所有觀測者的光速不變。
一個乘坐超高速火箭的人，與一個以慢得多的速度旅行的人相比，測量到食物時間流動會更慢，物體的長度更短。這是因為空間和時間是相對的，它們取決於觀察者的速度。
時空是單一結構的結論不是愛因斯坦自己得出的。這個想法來自德國數學家赫爾曼·閔可夫斯基，他在1908年的一次座談會上說：「從今以後，空間本身和時間本身註定會消失成純粹的陰影，只有兩者的結合才能保持一個獨立的實相。」他所描述的時空仍然被稱為閔可夫斯基時空，是相對論和量子場論的計算背景。
時空工作原理
如今，當人們談論時空時，他們常常把它描述成一塊橡皮。這同樣來自愛因斯坦，他在發展廣義相對論時意識到引力是由時空結構中的曲線引起的。
像地球、太陽這樣的大質量物體會導致時空彎曲。這些彎曲反過來又限制了宇宙萬物的運動方式，因為物體必須沿著彎曲的曲率走。引力起的運動實際上是沿著時空的曲折運動。
2011年，美國宇航局的一個名為重力探測器B（GP-B）的任務測量了繞地球的時空漩渦的形狀，發現它與愛因斯坦的預測非常吻合。
但對大多數人來說，這其中的大部分仍然難以理解。雖然我們可以把時空比作一張橡皮，但這種類比最終還是站不住腳。橡膠板是二維的，而時空是四維的。這橡皮不僅代表空間上的扭曲，也代表時間上的扭曲。用來解釋這一切的複雜方程對物理學家來說也很棘手。
愛因斯坦製造了一臺漂亮的機器，但他並沒有給我們留下用戶手冊。廣義相對論是如此複雜，以至於當有人發現方程的解時，他們就會得到以自己名字命名的解，並憑藉自己的能力成為半個傳奇。
科學家們還不知道什麼
儘管它錯綜複雜，相對論仍然是解釋我們所知道的物理現象的最佳方法。然而，科學家們知道他們的模型是不完整的，因為相對論仍然沒有完全與量子力學相協調。量子力學非常精確地解釋了亞原子粒子的屬性，但並沒有包含萬有引力。
量子力學基於這樣一個事實：組成宇宙的微小粒子是離散的，或者說量子化的。一些理論家推測，或許時空本身也以這些量子化的塊體形式存在，這有助於架起相對論和量子力學之間的橋梁。
歐洲航天局的研究人員提議成立伽馬射線天文學國際實驗室，用於時空量子探索任務。這項任務將繞著我們的星球飛行，對伽馬射線爆發的遙遠而強大的爆炸進行超精確測量，從而揭示時空的自然性質。
這樣的任務至少要15年以後才會發射，但如果發射成功，它可能會幫助解決物理學中遺留下來的一些最大的謎團。