Punktem wyjścia do uznania czasu jako czwartego wymiaru była szczególna teoria względności Einsteina. Albert Einstein sformułował swoje rozważania w języku ściśle algebraicznym. Ale już kilka lat później inny uczony, Herman Minkowski zauważył , że z powodzeniem można ją przedstawić także w języku geometrycznym uznając czas za czwarty wymiar równorzędny z trzema wymiarami przestrzennymi.
Na początku takie podejście nie spodobało się samemu autorowi szczególnej teorii, ale okazało się, że w konsekwencji doprowadziło do sformułowania ogólnej teorii względności.
Tak więc cała przestrzeń i czas można wyobrazić sobie jako mapę czterowymiarową, na której można umieścić wszystkie zdarzenia dotyczące Wszechświata począwszy od jego narodzin, aż do odległej przyszłości.
Zdarzenie zachodzi w określonym punkcie przestrzeni i w określonej chwili. Dlatego żeby w pełni scharakteryzować zdarzenie należy podać zarówno współrzędne przestrzenne jak i współrzędną czasową. I według teorii względności współrzędne przestrzenne nie różnią się od współrzędnych czasowych podobnie jak nie występują różnice między współrzędnymi przestrzennymi. Dane zdarzenie w zależności od układu współrzędnych można opisać za pomocą różnych danych . I tak w kolejnym układzie współrzędnych danemu zdarzeniu może być przypisana współrzędna , która stanowi kombinację dwóch współrzędnych pochodzących ze starego układu współrzędnych. Zgodnie z teorią względności można również wybrać inną współrzędną czasową.
Można wyobrazić sobie przedmiot, który zorientowany jest w przestrzeni czterowymiarowej i ma długość czterowymiarową, która nosi nazwę rozszerzenia tego przedmiotu. I teraz w zależności od orientacji tego przedmiotu w przestrzeni czterowymiarowej może mieć różną długość w trzech wymiarach. Natomiast tzw. "skręcenie" przedmiotu w przestrzeni czterowymiarowej związane jest ze zmianą jego prędkości. Jeżeli prędkość tego przedmiotu się zwiększa to długość przedmiotu czyli jego cień w przestrzeni trójwymiarowej staje się mniejsza. Natomiast jeśli przedmiot porusza się z prędkością światła to długość zanika całkowicie.
Podobna sytuacja dotyczy czasu, który również jest traktowany jako cień w czasoprzestrzeni. Dlatego jeśli długość obiektu czyli cień przedmiotu w przestrzeni trójwymiarowej zmniejsza się to wydłuża się jego "długość" czasowa. Nie ulega jednak zmianie kombinacja miedzy długością przedmiotu w przestrzeni i długością czasową. Kombinacja ta została podana właśnie przez Einsteina.
Geometria czasoprzestrzeni trójwymiarowej stała się punktem wyjścia do powstania ogólnej teorii względności Einsteina. Einstein stwierdził, że sama obecność materii powoduje zakrzywienie przestrzeni czterowymiarowej. Powstała w ten sposób krzywizna wywiera wpływ na wszystko co znajdzie się w jej pobliżu. Dotyczy to zarówno planet jak i promieni świetlnych.
Jest to bardzo istotny problem w świetle podróży kosmicznych. Zakrzywienie przestrzeni czterowymiarowej może spowodować , że odległość w linii prostej między dwoma punktami może wcale nie być najkrótszą możliwą do pokonania drogą .
Z naszego punktu widzenia najkrótsza odległość dzieląca dwa punkty może być zmierzona za pomocą łączącego je odcinka. Jeśliby wyznaczyć inna drogę powiedzmy zakreślając okrąg od jednego punktu do drugiego wtedy droga znacznie by się wydłużyła.
Jednak nie musi tak być właśnie na skutek zakrzywienia czasoprzestrzeni. Może się więc okazać , że możliwa jest do pokonania odległość, która wydaje nam się niewyobrażalna. Tak więc mógłby istnieć tunel w czasoprzestrzeni przez który można by pokonywać odległe obszary. Istnieje bardzo oryginalna nazwa na taki tunel . Brzmi ona "wormholes" . Pojecie to zostało wprowadzone przez Johna Wheelera i w dosłownym tłumaczeniu oznacza otwory zrobione przez robaki. Ten sam naukowiec wprowadził do terminologii również pojecie czarnych dziur.
Do powstania takich tuneli najpierw niezbędne byłoby wywołanie ogromnego miejscowego zakrzywienia przestrzeni czterowymiarowej. Potem w tej przestrzeni należałoby robić otwory w poszukiwaniu drogi do dotychczas bardzo odległego miejsca. Pojawia się jednak jeszcze jeden problem. Powszechnie wiadomo jak silne są oddziaływania grawitacyjne. I właśnie pod wpływem grawitacji następuje zapadanie się każdego rodzaju materii i energii. Nie bardzo wiadomo więc jak udałoby się utrzymać otwarte wejście do tunelu czasoprzestrzennego czyli jaki proces mógłby zapobiec rozerwaniu takiego wejścia. Pewnym rozwiązaniem wskazanym przez jednego z fizyków, Kipa Thorne byłaby tzw. "egzotyczna materia" za pomocą której można by przymocować wejście. Nie do końca wiadomo jakie miałaby mieć właściwości ta materia, wiadomo tylko, że powinna równoważyć przyciągania grawitacyjne.
Taki hipotetyczny tunel czasoprzestrzenny, aby spełniał swoje funkcje musi umożliwiać pokonanie przez człowieka odległości z Ziemi do bardzo odległych gwiazd w czasie dużo krótszym niż trwałoby to w normalnej czasoprzestrzeni. Czas taki powinien wynosić maksymalnie kilka lat i to nie tylko według zegara w tunelu ale także zegara ziemskiego u wejścia do tunelu. No i pozostaje jeszcze zasadnicza sprawa, a mianowicie bezpieczeństwo podróżującego w tunelu człowieka.
Dalsze rozważania na temat tuneli czasoprzestrzennych prowadza do wniosków, że za pomocą takich konstrukcji możliwe byłyby nie tylko podróże w przestrzeni ale także podróże w czasie. Z tym jednak wiążą się kolejne problemy wynikające już z natury ludzkiej jak np. chęć wpłynięcia na przeszłość swoją czy swoich przodków. Na razie jednak wszystko pozostaje w sferze wyobraźni.
