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經典物理學通常論述正常觀察尺寸的系統，而現代物理學通常論述極端或非常大尺寸、非常小尺寸系統。例如，化學元素可以被辨識的最小尺寸是原子物理學或核子物理學探索物質所操作的尺寸。而粒子物理學操作的尺寸更為微小，它論述的是基礎粒子或由基礎粒子組成的粒子。由於使用大型粒子加速器來製成粒子需要非常巨大的能量，粒子物理學又稱為高能量物理學。對於這類尺寸的物理系統，一般關於空間、時間、物質、能量的認知不再成立。
現代物理學的兩種核心理論給出關於空間、時間、物質、能量的嶄新繪景。量子力學論述發生於原子層級與亞原子層級各種現象的離散性質，以及在關於這些現象的描述裡的粒子與波動的互補性質。相對論闡述，處於某參考系的觀察者，所觀察到在另外一個以相對速度移動的參考係發生的現象。相對論又可分為狹義相對論與廣義相對論。狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及引力（彎曲時空），即狹義相對論只涉及那些沒有引力作用或者引力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是研討那些涉及引力的論題。