در ریاضیات ، فیزیک و برخی از علوم دیگر علاوه بر مختصات فضایی زمان نیز حضور دارد. وابستگی مسایل به زمان در بررسی فضایی و نمایش محوری تحت عنوان بعد چهارم مطرح است که با ادغام این بعد با مختصه‌های فضایی ، زمان تحت عنوان بعد چهارم مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

دید کلی

زمان به مفهوم متداول یعنی «چه وقت» ، و نیز «کجا» به معنای تعیین مکان یا موقعیت در فضاست. مفهوم کلمه فضا بطور مطلق غیر قابل ادراک است. از نظر یک عامل خرید و فروش املاک ، فضا چیزی است که او حدود آن را به صورت یک قطعه زمین تعیین می‌کند و به فروش می‌رساند. در نزد علاقمندان به اکتشافات فضایی ، فضا چیزی است که به بیرون از مرزهای سیاره ما امتداد می‌یابد. بطور عادی نمی‌توانیم فضا را تصور کنیم، گرایش ما چنین است که مفهوم فضا را ، با توجه به استنباط تجربی خود به اشیای مادی ارتباط دهیم.
ما فراگرفته‌ایم که به هنگام بحث درباره فضا از آن به صورت نشانه‌های مرتبط با موقعیت نسبی اجسام صحبت کنیم. برحسب چنین تعبیرهایی ، فضا به شکل مفهوم فیزیکی تلقی می‌شود و به مشاهده‌هایی منحصر می‌شود که اشیای مادی مواضع مختلف را اشغال می‌کنند. این طرز تلقی از فضا ، هنگامی ‌که موقعیت همه اجسام را نسبت به یک جسم ، مثلا زمین ، تعیین کنیم، موجه است. چنین برداشتی از فضا باعث شده است که هندسه اقلیدسی ، برای مقاصد علمی‌ متعددی مناسب به نظر آید و نقطه ، خط راست و صفحه اغلب به عنوان سرشتی بدیهی پذیرفته شود.

تصور همزمانی

در مکانیک عادی به نظر می‌رسد که هر رویدادی بوسیله مکان (ارتباط موقعیت Position relationship) و زمان (ارتباط زمانی Temporal relationship) مشخص می‌شود. به فضای دوبعدی و سه‌بعدی (هندسه) مفهوم اجتناب‌ناپذیر زمان هم اضافه شد. اما فضا باز هم می‌تواند به عنوان بعدی کاملا مستقل و قابل استفاده در فیزیک کلاسیک ، پذیرفتنی باشد. این تلفیق ، به دلیل آنچه اینک به مثابه تصور همزمانی خوانده می‌شود، مقدور بود. یعنی هنگامی‌ که خبر یک رویداد (مثلا حرکت یک سیاره) را به کمک نور ، بطور آنی دریافت می‌کنیم، اینطور می‌فهمیم که رویداد یا شده در اینجا و هم اکنون رخ داده است.

رد تصور همزمانی

کشف قوانین الکترودینامیک ، اعتقاد به این همزمانی مطلق را برهم زد. ماکسول ، فیزیکدان اسکاتلندی قرن نوزدهم ، پی برد که آشفتگی‌ها در میدان الکترومغناطیسی با سرعتی معین ، یعنی سرعت نور حرکت می‌کنند و این حرکت از طول موج آنها مستقل است. نور حالت خاصی از تمام آشفتگی‌هایی است که پدیده موجی به شمار می‌آیند.
هاینریش هرتز ، فیزیکدان آلمانی ، بعدا کشف کرد که آشفتگیهای الکتریکی عادی ، یعنی جرقه‌ها ، می‌توانند در فواصل اندک ، میدان الکتریکی تولید کنند. این موضوع منجر به آشکارسازی و انتقال امواج رادیویی با طول موجهای گوناگون شد که امواج بلند بکار رفته در تلگراف و امواج کوتاه تلویزیونی و رادار را دربر می‌گیرد. خاصیت اساسی تابش الکترومغناطیسی ، علاوه بر طول موج ، فرکانس آن ، یعنی تعداد نوسانهای موج در هر ثانیه است. واحد اندازه‌گیری فرکانس ، هرتز (دور در ثانیه) است.

تعیین فاصله به کمک نور

به کمک رادار روشی برای اندازه‌گیری فاصله فراهم شده است که در آن به معیار و سنجه نیازی نیست. آنچه باید انجام شود، عبارت از اندازه‌گیری زمان لازم و آنگاه ضرب کردن آن در مقداری ثابت ، یعنی سرعت نور ، است. به بیان دیگر ، یک پرتو کوتاه موجی را به سوی هدفی که می‌خواهند فاصله آن را مشخص کنند، ارسال می‌دارند. پرتو یاد شده بعد از برخورد به هدف دوباره بازتابیده می‌شود.
حال اندازه‌گیری فاصله با توجه به زمان طی شده از لحظه ارسال پرتو موجی به طرف هدف و لحظه دریافت بازتابش صورت می‌گیرد. از آنجا که می‌دانیم امواج رادیویی با سرعت نور حرکت می‌کنند، لذا زمان طی شده برحسب ثانیه را در سرعت نور (300000 کیلومتر در ثانیه) ضرب کرده و عدد حاصل را به دو تقسیم می‌کنند. به این صورت فاصله هدف یا شی مورد نظر به آسانی حاصل می‌شود.

نورتاخیری

چیزی که امکان مشاهده جهان را فراهم می کند ، نور است، ولی نور بصورت بلافاصله و فوری منتشر نمی شود. در مورد بسیاری از پدیده های جالب اخترشناسی میلیونها حتی میلیاردها سال طول می کشد تا نور به ما برسد. این واقعیت عمیقا بر دید ما از جهان تاثیر می گذارد. آنچه مشاهده می کنیم ، همواره تصاویری از گذشته است.

سرعت نور

نوری که از یک کهکشان دوردست به زمین می رسد ، ممکن است حتی قبل از تشکیل زمین آن کهکشان را ترک کرده باشد. هیچ چیزی سریعتر از نور حرکت نمی کند. سرعت ثابت نور در خلا 49/299792 کیلومتر (04/186282 مایل) در ثانیه است.
مدت زمانی که طول می کشد تا نور نزدیک ترین ستاره (بعد از خورشید) به زمین برسد ، 4.2سال است. این فاصله ها به قدری زیاد اند که با سال نوری محاسبه می شوند. سال نوری فاصله ای است که نور در مدت یک سال در فضا طی می کند. (9461 میلیارد کیلومتر یا 5879 میلیارد مایل)

پدیده دوپلر نوری

فرکانس نوری که از یک منبع ساطع می شود و به یک ناظر می رسد ، بر اساس حرکت آن شی نسبت به ناظر تغییر می کند. چنانچه شی مزبور در حال نزدیک شدن به ناظر باشد ، این فرکانس بیشتر است به گونه ای که شی مورد نظر آبی تر به نظر می رسد. چنانچه شی مزبور از ناظر دور شود ، فرکانس پایین تر است و آن شی قرمز تر به نظر می رسد. به کمک این واقعیت که آنرا اثر دوپلر می نامند ، می توانیم بفهمیم که اجرام آسمانی به ما نزدیک می شوند ، یا از ما دور می شوند. حتی می توانیم سرعت آنها را اندازه بگیریم.

نگاه کردن به بیرون به گذشته نگریستن است!

نور مانند صدا با سرعتی ثابت و مشخص حرکت می کند. این سرعت معادل 300 هزار کیلومتر در ثانیه ، یعنی یک میلیون بار بیشتر از سرعت صوت در هواست ولی در مقایسه با فواصل کیهانی این سرعت بسیار پایین است. در مقیاس اخترشناسی نور حرکتی لاک پشتی دارد. اخباری که از طریق نور به ما می رسد ، همیشه تازه نیست. ولی این موضوع یک مزیت دارد، ما به ماشینی دست یافته ایم که می تواند در زمان به عقب بر گردد.
در نگاه کردن به فواصل دور پیش رو ، در محور زمان ، گذشته دور را مشاهده می کنیم. سحابی جوزا را همانطور می بینیم که به هنگام سقوط امپراطوری روم بوده است. سحابی آندرومدا هنگام پیدایش نخستین انسانها ، یعنی دو میلیون سال پیش ، اینگونه بوده است. برعکس ساکنان فرضی آندرومدا ، با استفاده از تلسکوپ می توانند شاهد شکل گیری نوع بشر روی زمین باشند.

قله زمان

دورترین اشیایی که در تلسکوپها قابل روئیت هستند ، کویزارها می باشند. بعضی از آنها در فاصله 12 میلیارد سال نوری از ما قرار دارند. یعنی نوری که از آنها به ما می رسد ، 12 میلیارد سال در راه بوده است که این مقدار برابر 80 درصد عمر کائنات است. این نور صحنه هایی از کودکی جهان را به ما نشان می دهد.

در چشم انداز ما از جهان ، پیشرفته ترین نقطه زمان ، همان جایی است که ما حضور داریم. ما بر این گمانیم که روی قله زمان ایستاده ایم و در تمام دنیای اطراف ، نگاهمان در گذشته غرق می شود. لذا نور مانند آینه ای است که گذشته را در آن می بینیم.