U fizici, prostorvrijeme je bilo koji matematički model koji spaja tri dimenzije prostora i jednu dimenziju vremena u jedan četverodimenzionalni kontinuum. Prostorvremenski dijagrami mogu se koristiti za vizualizaciju relativističkih efekata kao što su razlozi zašto različiti promatrači percipiraju gdje i kada se nešto događa.

Do prijelaza 20. stoljeća, pretpostavka je bila da je trodimenzionalna geometrija Svemira (njegov prostorni izraz u smislu koordinata, udaljenosti i smjerova) bio neovisan o jednodimenzionalnom vremenu. Međutim, 1905. Albert Einstein temelji svoj temeljni rad na posebnoj relativnosti na dva postulata:

(1) Zakoni fizike su invarirajući (tj. Identični) u svim inercijalnim sustavima (tj. Ne-ubrzavajući referentni okviri);

(2) Brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je svim promatračima, bez obzira na gibanje izvora svjetlosti.

Logična posljedica uzimanja tih postulata je spajanje prostora i vremena u jednu dimenziju, do sada pretpostavljenog kao nezavisnog, prostora i vremena. Mnoge se proturječne posljedice pojavljuju: osim što je neovisno od kretanja izvora svjetlosti, brzina svjetlosti ima istu brzinu bez obzira na referentni okvir u kojem se mjeri; udaljenosti, pa čak i vremenski poredak parova događaja se mijenjaju kada se mjere u različitim inercijalnim referentnim okvirima (to je relativnost simultanosti); i linearna aditivnost brzina više ne vrijedi.

Einstein je u svojoj kinematici uokvirio svoju teoriju (proučavanje pokretnih tijela). Njegova je teorija bila napredak prema Lorentzovoj teoriji elektromagnetskih pojava iz 1904. i Poincarovoj elektrodinamičkoj teoriji. Iako su te teorije uključivale jednadžbe identične onima koje je Einstein uveo (tj. Lorentzovu transformaciju), one su u suštini bile ad hoc modeli koji su predložili objašnjavanje rezultata različitih eksperimenata – uključujući poznati Michelson-Morleyov interferometarski eksperiment – koji su bili izuzetno teški za uklapanje u postojeće paradigme.

Godine 1908. Hermann Minkowski, jedan od profesora matematike mladog Einsteina u Zürichu, predstavio je geometrijsku interpretaciju posebne relativnosti koja je spojila vrijeme i tri prostorne dimenzije prostora u jedan četverodimenzionalni kontinuum sada poznat kao Minkowski prostor. Ključna značajka ovog tumačenja je formalna definicija vremenskog intervala. Iako se mjerenja udaljenosti i vremena između događaja razlikuju za mjerenja izvedena u različitim referentnim okvirima, razmak prostorvremena neovisan je o inercijalnom referentnom okviru u kojem su snimljeni.

Minkowskijeva geometrijska interpretacija relativnosti bila je za Einsteinov razvoj Opće teorije relativnosti 1915. godine od vitalne važnosti, gdje je pokazao kako masa i energija zakrivljuju ovo ravno prostorvrijeme do Pseudo Riemannijskog mnogoznačnika.

Ne-relativistička klasična mehanika tretira vrijeme kao univerzalnu količinu mjerenja koja je ujednačena u cijelom prostoru i koja je odvojena od prostora. Klasična mehanika pretpostavlja da vrijeme ima konstantnu stopu prolaska koja je neovisna o stanju gibanja promatrača, ili čak bilo čega vanjskog. Nadalje, pretpostavlja da je prostor Euklidski, tj. pretpostavlja da prostor slijedi geometriju zdravog razuma.

U kontekstu posebne relativnosti, vrijeme se ne može odvojiti od tri dimenzije prostora, jer promatrana brzina kojom vrijeme prolazi za objekt ovisi o brzini objekta u odnosu na promatrača. Opća relativnost, osim toga, pruža objašnjenje kako gravitacijska polja usporavaju prolazak vremena za objekt kakav je promatrač vidio izvan polja.

U običnom prostoru, pozicija se određuje s tri broja, poznata kao dimenzije. U kartezijanskom koordinatnom sustavu, oni se zovu x, y i z. Pozicija u prostorvremenu zove se događaj i zahtijeva četiri broja: trodimenzionalno mjesto u prostoru, plus položaj na vrijeme. Prostorvrijeme je stoga četverodijelno. Događaj je nešto što se događa trenutačno na jednoj točki u prostoru, predstavljenoj sa skupom koordinata x, y, z i t.

Riječ “događaj” koja se koristi u relativnosti ne smije se miješati s upotrebom riječi “događaj” u normalnom razgovoru, gdje bi to moglo značiti “događaj” kao nešto poput koncerta, sportskog događaja ili bitke. To nisu matematički “događaji” u načinu na koji se ta riječ upotrebljava u relativnosti, jer imaju konačno trajanje i opseg. Za razliku od analogija koje se koriste za objašnjenje događaja, poput petardi ili munja, matematički događaji imaju nulto trajanje i predstavljaju jednu tačku u prostor vremenu.

Put čestice kroz prostorvrijeme može se smatrati slijedom događaja. Niz događaja može se međusobno povezati kako bi oblikovao liniju koja predstavlja napredak čestice kroz prostorvrijeme. Ta se crta naziva svjetskom linijom čestice.

Matematički, prostorvrijeme je glatko, što znači da izgleda lokalno “ravno” blizu svake tačke na isti način na koji, na dovoljno malim mjerilima, kugla izgleda ravna. Faktor izuzetno velikih razmjera, c (obično nazvan brzina svjetlosti) odnosi se na udaljenosti izmjerene u prostoru s udaljenosti izmjerenim u vremenu. Značaj ovog faktora skale (gotovo 300.000 km u prostoru ekvivalentan je vremenu od 1 sekunde), uz činjenicu da je prostorvrijeme ravno, podrazumijeva da je kod običnih, nerelativističkih brzina i kod običnih udaljenosti na ljudskoj razini malo toga što bi ljudi mogli promatrati što je vidljivo različito od onoga što bi mogli promatrati da je svijet Euklidski. Tek s pojavom osjetljivih naučnih mjerenja sredinom 1800-ih, kao što je eksperiment Fizeau i Michelson-Morleyov eksperiment, počeli su primijetiti zbunjujuće razlike između promatranja i predviđanja temeljenih na implicitnoj pretpostavci euklidskog prostora.

Svako mjesto prostorvremena označeno je s četiri broja definirana referentnim okvirom: položaj u prostorvremenu (koje se može vizualizirati kao čitanje sata koji se nalazi na svakoj poziciji u svemiru). ‘Promatrač’ sinkronizira satove prema vlastitom referentnom okviru.
U posebnoj relativnosti, promatrač će u većini slučajeva označiti referentni okvir iz kojeg se mjeri skup objekata ili događaja. Ta se upotreba znatno razlikuje od običnog engleskog značenja pojma. Referentni okviri su inherentno nestalkalni konstrukti, a prema ovoj uporabi pojma, nema smisla govoriti o promatraču kao da ima lokaciju. Zamislite da je okvir koji se razmatra opskrbljen s gustom rešetkom satova, usklađenih unutar ovog referentnog okvira, koji se proteže na neodređeno vrijeme kroz tri dimenzije prostora. Nijedna specifična lokacija unutar rešetke nije važna. Kolekcija satova se koristi za određivanje vremena i položaja događaja koji se odvijaju unutar cijelog okvira. Pojam “promatrač” odnosi se na cijeli skup satova koji su povezani s jednim inercijalnim referentnim okvirom. U ovom idealiziranom slučaju, svaka tačka u prostoru ima sat koji je povezan s time, tako da satovi odmah registriraju svaki događaj, bez vremenskog kašnjenja između događaja i njegovog snimanja.

Pravi promatrač, međutim, vidjet će kašnjenje između emisije signala i njegovog otkrivanja zbog brzine svjetlosti. Za sinkronizaciju satova, u redukciji podataka nakon eksperimenta, vrijeme primanja signala bit će ispravljeno tako da odražava njegovo stvarno vrijeme da je snimljeno idealiziranom rešetkom satova.

U mnogim knjigama o posebnoj relativnosti, posebno starijima, riječ “promatrač” koristi se u uobičajenijem smislu riječi. Obično je jasno iz konteksta koje je značenje prihvaćeno.

Fizičari razlikuju ono što neko mjeri i ono šta neko opaža (nakon što je faktorizirao kašnjenje propagacije signala), u odnosu na ono što vizualno vidi bez takvih ispravaka. Nerazumijevanje razlike između onoga što mjeri / promatra u odnosu na ono što se vidi je izvor velike pogreške među početnim studentima relativnosti.