물리학에서 시공은 공간의 3차원과 시간의 1차원을 하나의 4차원 다양체에 결합한 수학적 모델이다. 시간 공간도는 왜 다른 관찰자가 사건이 발생하는 장소와 시기를 다르게 인식하는 것과 같은 상대론적 효과를 시각화하기 위해 사용할 수 있다.
20세기까지만 해도 우주의 3차원 기하학이 1차원 시간과는 독립된 것으로 여겨졌다. 물리학자 앨버트 아인슈타인은 상대성이론의 일환으로 시공간의 개념 개발을 지원했습니다. 그의 선구적인 연구 이전 과학자들은 물리 현상을 설명하기 위해 두 가지 다른 이론을 가지고 있었다. 아이작 뉴턴의 물리 법칙은 거대한 물체의 움직임을 설명했고 제임스 클라크 맥스웰의 전자 모델은 빛의 성질을 설명했습니다. 그러나 1905년 아인슈타인은 두 가설에 관한 특수상대성이론에 관한 연구에 기반을 두고 있다.
물리학의 법칙은 모든 관성 시스템에서 불변이다.진공 안의 빛의 속도는 광원의 움직임에 관계없이 모든 관찰자에게 동일합니다. 이러한 가정을 하나로 정리함으로써 논리적으로는 공간과 시간의 4가지 차원의 불가분한 결합이 가능해집니다. 많은 직감에 반하는 결과가 생긴다: 광원의 움직임에 의존하지 않을 뿐만 아니라 빛의 속도는 측정되는 기준 프레임에 관계없이 일정하다; 다른 관성 프레임으로 측정되면 한 쌍의 이벤트의 거리와 시간적 순서마저 변화한다. 그리고 속도의 선형 가산성은 더 이상 참이 아니다.
아인슈타인은 운동학 관점에서 그의 이론을 틀에 넣었다. 그의 이론은 1904년 로렌츠의 전자현상이론과 푸앵카레의 전기역학 이론을 능가한 것이었다. 이들 이론에는 아인슈타인이 도입한 방정식과 같은 방정식이 포함돼 있었는데, 이들은 기본적으로 기존의 패러다임에 맞추기 매우 어려운 여러 실험의 결과를 설명하기 위해 제안된 임시 모델이었다.
1908년, 일찍이 취리히의 젊은 아인슈타인 수학 교수 중 한 명이었던 헤르만 민코프스키는 시간과 공간의 세 공간 차원을 융합시킨 특별한 상대성이론의 기하학적 해석을 발표하여 현재 민코프스키 공간으로 알려진 단일 4차원 연속체로 만들었습니다. 이 해석의 주요 특징은 공간 시간 간격의 정식 정의입니다. 이벤트 간의 거리와 시간 측정은 서로 다른 기준 프레임에서 수행된 측정에 따라 다르지만 시공간의 간격은 이들이 기록되는 관성 기준 프레임과는 무관합니다.
비상대론적 고전역학은 시간을 공간 전체에 걸쳐 균일하고 공간으로부터 분리된 보편적인 측정량으로 다룬다. 고전역학에서 시간은 관찰자의 운동 상태나 외부의 무언가에 관계없이 일정한 통과 속도를 가지고 있다고 가정합니다. 게다가 공간은 유클리드라고 가정하고 공간은 상식의 기하학을 따른다고 가정합니다. 특수상대성이론의 문맥에서는 시간을 공간의 3차원에서 분리할 수 없습니다. 왜냐하면 시간이 객체에 대해 통과하는 관측률은 옵서버에 대한 객체의 속도에 의존하기 때문입니다. 일반 상대성이론은 또 중력장이 필드 밖에서 관찰자가 본 물체의 시간 흐름을 어떻게 늦추는지에 대한 설명도 제공한다.
수학적으로 시공간은 다양체이고, 즉 충분히 작은 스케일로 지구본이 평평하게 보이는 것과 마찬가지로 각 점 근처에서 국소적으로 '평평'하게 보이는 것입니다. 스케일 팩터는 공간에서 측정된 거리와 시간으로 측정된 거리를 연관시킨다. 이 스케일 팩터의 크기는 시공이 다양하다는 사실과 함께 통상적인 비상관적인 속도와 통상적인 인간의 스케일 거리에서는 인간이 관찰할 수 있는 것이 거의 없음을 시사하고 있다.그들은 세계가 유클리드인지 관찰할지도 모른다. 1800년대 중반 피조 실험이나 미켈슨 몰리 실험과 같은 민감한 과학적 측정이 등장하면서 비로소 유클리드 공간의 암묵적 가정에 기초한 관측과 예측 사이에 불가해한 불일치가 주목받기 시작했다.
특수 상대성이론에서 대부분의 경우 옵서버는 일련의 객체 또는 이벤트가 측정되는 참조 프레임을 의미한다. 이 사용법은 이 용어의 통상적인 영어 의미와는 크게 다릅니다. 참조 프레임은 본질적으로 비로컬 구조이며, 이 용어 사용법에 따르면 옵서버가 로케이션을 가지고 있다고 해도 의미가 없습니다. 검토 중인 프레임에 이 기준 프레임 내에서 동기화된 고밀도의 클럭 격자가 장착되어 있으며, 이 클럭은 공간의 3차원 전체에 무한히 퍼져 있다고 상상하십시오. 격자 내 특정 장소는 중요하지 않습니다. 클럭 격자 구조는 프레임 전체에서 발생하는 이벤트의 시간과 위치를 결정하기 위해 사용됩니다. 옵서버라는 용어는 하나의 관성 프레임 참조와 관련된 클럭의 앙상블 전체를 가리킵니다. 이상화된 케이스에서는 공간 내의 모든 포인트에 클럭이 연관되어 있기 때문에 클럭은 이벤트와 그 기록 사이에 시간 지연 없이 각 이벤트를 즉시 등록합니다. 그러나 실제 관측자는 빛의 속도에 따라 신호의 방출과 검출 사이에 지연을 보게 됩니다. 클럭을 동기화하기 위해 실험 후 데이터 절감에서는 이상적인 클럭 격자로 기록되어 있으면 신호가 수신된 시간은 실제 시간을 반영하도록 수정됩니다.
특수상대성이론에 관한 많은 책, 특히 오래된 책에서는 관찰자라는 말이 더 일반적인 의미로 사용되고 있다. 문맥상 어떤 의미가 채택되었는지는 통상 명확합니다. 물리학자는 측정 또는 관찰하는 것과 그러한 수정 없이 시각적으로 보는 것을 구별합니다. 상대성이론 초보자들 사이에서 측정 관찰하는 것과 보는 것의 차이를 이해하지 못하는 것은 많은 오류의 원인이 된다.
1800년대 중반까지만 해도 아라고점 관측, 공기 중 빛의 대수 속도 미분 측정 등 다양한 실험이 미립자 이론과 대조적으로 빛의 파동성을 증명한 것으로 여겨졌다. 이후 파도의 전파에는 파상매질이 필요하다고 가정했고, 광파의 경우 이는 가상적 발광에테르로 간주됐다. 그러나 이 가상매체의 특성을 확립하려는 여러 시도는 모순된 결과를 가져왔다. 예를 들어 프랑스 물리학자 히폴뤼트 피조가 1851년 수행한 피조의 실험은 흐르는 물의 광속이 공기 중 광속에 물의 굴절률에 의존하는 양을 더한 것보다 작다는 것을 증명했다. 다른 문제 중에서도 굴절률에 대한 이 실험을 통해 암시된 부분적인 에테르 드래그의 의존성은 서로 다른 색의 빛에 대해 다른 속도로 에테르가 동시에 흐른다는 불쾌한 결론으로 이어졌다. 1887년의 유명한 마이클슨 몰리의 실험에서는 지구의 운동이 광속에 대해 가정적인 에테르를 통해 차동적으로 영향을 주지 않으며 에테르를 질질 끄는 것이라는 가장 가능성이 높은 설명은 항성의 수차 관측과 모순되었다.