Trong cơ học cổ điển, không gian và thời gian là 2 khái niệm hoàn toàn riêng biệt. Cùng một sự việc luôn trôi qua trong những khoảng thời gian giống nhau khi quan sát trong các hệ quy chiếu khác nhau. Các sự việc này có thể được làm đồng bộ bằng việc dùng chung một đồng hồ đo thời gian tuyệt đối.

Trong mô hình thuyết tương đối hẹp của Albert Einstein, thời gian diễn ra của cùng một sự việc là dài hay ngắn phụ thuộc vào lựa chọn hệ quy chiếu. Cách mô tả các sự việc được thực hiện chính xác trên một hệ thống hình học được sáng tạo bởi Hermann Minkowski, ở đó không gian và thời gian được xem xét là một cặp. Đây là hình học Minkowski, nơi một sự kiện được nhận dạng bằng một thế giới điểm của 4 chiều không-thời gian liên tục.

Chiều thời gian thường được đặt là ct với c là tốc độ ánh sáng, t là thời gian, để có cùng thứ nguyên với các chiều không gian. Tuy nhiên chiều thời gian là một chiều đặc biệt và ct không hoàn toàn giống các chiều không gian khác. Ví dụ, đối với không gian ba chiều cổ điển, chiều dài của một thước kẻ không thay đổi và không phụ thuộc hệ quy chiếu; bình phương của nó luôn là:

Ở đây, dx, dy, dz là hình chiếu của thước kẻ lên ba chiều x, y và z của không gian. Trong không-thời gian phẳng (mêtric Minkowski); khi thay đổi hệ quy chiếu, chiều dài thước kẻ thay đổi, nhưng đại lượng sau không thay đổi:

Ở đây dt là chênh lệch thời gian trong quan sát hai đầu thước kẻ trong không thời gian. Công thức trên cho thấy, chiều thời gian không đối xứng (không tráo đổi tùy ý) với các chiều không gian.