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经典物理学通常论述正常观察尺寸的系统，而现代物理学通常论述极端或非常大尺寸、非常小尺寸系统。例如，化学元素可以被辨识的最小尺寸是原子物理学或核子物理学探索物质所操作的尺寸。而粒子物理学操作的尺寸更为微小，它论述的是基础粒子或由基础粒子组成的粒子。由於使用大型粒子加速器来制成粒子需要非常巨大的能量，粒子物理学又称为高能量物理学。对於这类尺寸的物理系统，一般关於空间、时间、物质、能量的认知不再成立。
现代物理学的两种核心理论给出关於空间、时间、物质、能量的崭新绘景。量子力学论述发生於原子层级与亚原子层级各种现象的离散性质，以及在关於这些现象的描述里的粒子与波动的互补性质。相对论阐述，处於某参考系的观察者，所观察到在另外一个以相对速度移动的参考系发生的现象。相对论又可分为狭义相对论与广义相对论。狭义与广义相对论的区别在於所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是研讨那些涉及引力的论题。