Поняття простору і часу є філософськими категоріями і не визначаються в природознавстві. Для природничих наук важливо вміти визначати їх чисельні характеристики - відстані між об'єктами і тривалості процесів, а так само - описувати їх властивості, піддаються експериментальному вивченню.
Вимірювання відстаней.
Проблема обмеженості Всесвіту. Виміряти відстань між двома об'єктами - значить порівняти його з еталонним. До недавнього часу в якості еталона використовувалося тіло, зроблений з твердого сплаву, геометрична форма якого слабо змінювалася при зміні зовнішніх умов. В якості одиниці довжини був обраний метр, відрізок, який можна порівняти з характерними розмірами людського тіла. Очевидно, що в більшості випадків еталон не укладався ціле число разів на довжині вимірюваного відрізка. Частина, що залишилася вимірювалася за допомогою 1 / 10, 1 / 100 і т. еталона. У принципі вважалося, що таку процедуру можна продовжувати до нескінченності, в результаті чого виходило б точне значення довжини, яке виражається нескінченної десятковим дробом, тобто дійсним числом. (У математиці поняття дійсного числа виникло як результат узагальнення описаної процедури вимірювання довжин відрізків).
На практиці багаторазове розподіл вихідного еталона було неможливо. Для підвищення точності вимірювання та вимірювання малих відрізків потрібен еталон істотно менших розмірів, в якості якого по теперішній час використовуються стоячі електромагнітні хвилі оптичного діапозона.
У природі існують об'єкти, значно менші довжин хвиль оптичного випромінювання (молекули, атоми, елементарні частинки). При їх вимірах крім незручності порівняння з еталоном великих розмірів виникає більш принципова проблема: об'єкти, розміри яких менше довжини хвилі електромагнітного випромінювання, перестають його відображати і, отже, виявляються невидимими. Для оцінки розмірів таких дрібних об'єктів світло замінюють потоком будь-яких елементарних частинок (електронів, нейтронів і т.д.). Величина об'єктів оцінюється за т.зв. перетинах розсіювання, який визначається відношенням числа частинок, що змінили напрямки свого руху, до щільності падаючого потоку. Найменшим відстанню, відомим в даний час, є характерний розмір елементарної частинки (м). Говорити про менших розмірах, мабуть, безглуздо.
При вимірюванні відстаней, значно перевищують 1м, користуватися еталоном довжини знову опиняється незручно. Для вимірювання відстаней, порівнянних з розмірами Землі, застосовують методи тріангуляції (визначення більшої сторони трикутника по точно виміряної меншій стороні і двом кутам) та радіолокації (вимірювання часу затримки відбитого сигналу, швидкість розповсюдження якого відома, щодо моменту передачі), Для багато великих відстаней ( до віддалених зірок і сусідніх галактик) зазначені методи виявляються знову незастосовні (відбитий радіосигнал виявляється занадто слабким, кути трикутника відрізняються від на занадто малу величину). На таких великих відстанях спостережуваними виявляються тільки самосветящіеся об'єкти (зірки й галактики), відстані до них оцінюється виходячи з спостережуваної яскравості.
Розміри спостерігається частини всесвіту мають розміри близько м. Питання про те, чи мають сенс великі відстані зводиться до проблем кінцівки та обмеженості Всесвіту, до цих пір остаточно не вирішеним космологією. З часів Ньютона вважалося, що навколишній нас світ однорідний і не може мати кордонів (у противному випадку виникало питання про їх фізичну природу і про те, "що знаходиться по інший бік"). Проте, припущення про нескінченність Всесвіту, спільно з природним припущенням про рівномірний розподіл зірок за обсягом та безперешкодному поширенні світла у просторі, приводив до свідомо абсурдного висновку про нескінченно яскравому світінні нічного неба (т.зв. парадокс нічного неба). Пізніше прийшло розуміння того, що поняття нескінченності і необмеженість не еквівалентні один одному (напр. куля не має меж, але площа його кінцева).
Вимірювання інтервалів часу. Вік Всесвіту.
Виміряти тривалість процесу - значить порівняти його з еталонним. У якості останнього зручно вибрати який-небудь періодично повторюваний процес (добове обертання Землі, биття людського серця, коливання маятника, рух електрона навколо ядра атома). Довгий час в якості еталонного процесу використовувалися коливання маятника. За одиницю виміру часу вибрали секунду (інтервал, приблизно дорівнює періоду скорочення серцевого м'яза людини).
Для вимірювання значно більш коротких часів виникла необхідність в нових еталонах. В їх ролі виступили коливання кристалічний решітки (кварцові годинники мають характерний період коливань у 1нс = с) і рух електронів в атомі (атомний годинник з характерним часом с). Ще менші часи можна вимірювати, порівнюючи їх з часом проходження світла через заданий проміжок. мабуть, найменшим осмисленим інтервалом є час проходження світла через мінімально можливу відстань (с).
За допомогою маятникових годин можливе вимірювання часових інтервалів, що значно перевершують 1с (людське життя триває біля с), але й тут можливості методу не безмежні. Часи, порівнянні з віком Землі (бл. с) можливо оцінювати лише по напіврозпаду атомів радіоактивних елементів. Максимальним проміжком часу, про який має сенс говорити в нашому світі, мабуть є вік Всесвіту, оцінюваний періодом в с (початком існування нашого світу прийнято вважати Великий вибух, що стався в досить малому області простору, в результаті якого виник спостережуваний зараз світ, який представляє собою сукупність об'єктів, що розлітаються від початкової точки; події, що відбулися до Великого вибуху ніяк не впливають на сьогодення і, отже, можуть не розглядатися).
У класичному природознавстві, які займаються головним чином описом макроскопічних (порівнянних з розмірами людського тіла) об'єктів, передбачається, що процедура вимірювання основних просторово-часових характеристик (відстаней і тривалостей) в принципі може бути виконана як завгодно точно і при цьому може практично не впливати на вимірюваний об'єкт і відбуваються з ним процеси.
Геометричні властивості простору і часу. Геометричні властивості простору вивчаються геометрією, традиційно базується на системі аксіом Евкліда. На відміну від математики, для природознавства досить цікавим є питання, чи відповідають ці аксіоми реальним властивостям нашого простору (напр. цілком мислима ситуація, в якій сума кутів трикутника може відрізнятися від: на рис. 2_1 зображений трикутник, всі кути якого прямі). Досвід показує, що для спостерігача, що рухається без прискорення далеко від масивних тіл, аксіоматика Евкліда виконується з хорошою точністю.
Важливою характеристикою матеріальних систем є їх число ступенів свободи (мінімальної кількість чисел, необхідне для вичерпного опису положення об'єкта в просторі). Чим більшою кількістю ступенів свободи має об'єкт, тим більш трудомістке його опис. Виникає природне запитання про мінімальне число ступенів свободи, яким може мати об'єкт в нашому світі. Досвід показує, що для не взаємодіють із іншими об'єктами тел це число дорівнює 3 (трьома ступенями свободи володіють, наприклад, елементарні частинки з нульовим спіном). Про цю властивість нашого простору говорять як про його тривимірності (іноді кажуть, що тривимірність означає можливість завдання трьох взаємно перпендикулярних напрямів у просторі). Число ступенів свободи більшості реальних об'єктів може бути істотно великим (спортивний велосипед з добре затягнутими болтами і гайками володіє як мінімум 18 ступенями свободи), проте при вирішенні багатьох практичних завдань "внутрішні ступені свободи" виявляються несуттєвими (на фініші велогонки положення педалей велосипеда лідера ніким не реєструється). Число аналізованих ступенів свободи можна істотно скоротити аж до трьох (при русі в просторі), двох (при русі по поверхні) або одного (при русі вздовж заданої кривої). Реальне тіло при цьому по суті замінюється моделлю матеріальної точки (тіло, розміри і форма якого в ситуації, що розглядається несуттєві).
Для завдання тимчасових характеристик процесів може знадобитися кілька дійсних чисел (життя людини можна характеризувати, наприклад, моментами його народження, весілля і смерті). Однак існують явища, для вичерпного тимчасового опису яких достатньо одного числа (напр. розпад елементарної частинки, який не має тривалості, оскільки не може бути розділений на якісь проміжні процеси). Існування таких "елементарних" процесів дозволяє стверджувати, що час одновимірно.
Аналогічно тому, як у просторовому описі вводилася модельне уявлення про матеріальну точці, при описі еволюції в часі можна ввести поняття миттєвого події, тобто процесу, тривалістю якого в даній ситуації можна нехтувати (напр. удар м'яча об стіну часто можна вважати миттєвим, хоча детальний розгляд показує, що це досить складний і багатоетапний процес).
Відносність властивостей простору і часу. За часів Ньютона вважалося, що властивості простору і часу абсолютні, тобто не залежать від наявності матеріальних тіл, що протікають процесів і спостерігачів. Сучасна фізика показала обмеженість таких уявлень: геометричні властивості простору і часу тісно пов'язані з наявністю і розташуванням масивних тіл, залежать від характеру процесів, що протікають і навіть від стану спостерігача. У зв'язку з цим зараз прийнято говорити, що властивості простору і часу відносні.
У класичному природознавстві розглядаються макроскопічні об'єкти і явища, що відбуваються в існуючих незалежно від них і один від одного просторі і часі, що носять абсолютний характер.