著名作家赫·喬·威爾斯於1895年出版了他的第一部小說《時間機器》，就在維多利亞女王對英國長達六十年的統治結束前幾年。一個更為持久的王朝也即將結束：延續了200年的牛頓物理學時代。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他的狹義相對論，這顛覆了艾薩克·牛頓的理論體系，並且，大概令威爾斯欣喜的是，它允許了在牛頓定律下不可能發生的事情：時間旅行到未來。在牛頓的宇宙中，時間在任何地方、任何時候都是穩定的。它從不加速。它從不減速。但對於愛因斯坦來說，時間是相對的。
時間旅行不僅僅是可能的——它已經發生過了，儘管不完全像威爾斯想象的那樣。普林斯頓大學的天體物理學家J·理查德·戈特認為，迄今為止最長的一次時間旅行是由謝爾蓋·K·克里卡列夫完成的。在他的漫長職業生涯中，這位俄羅斯宇航員從1985年開始，在太空中共度過了803天。正如愛因斯坦所證明的那樣，對於運動中的物體來說，時間比靜止的物體流逝得更慢，因此當克里卡列夫以每小時17885英里的速度在“和平號”空間站上疾馳時，他的時間流逝速度與地球上的時間流逝速度不同。在軌道上執行時，克里卡列夫比地球上的同胞們少衰老了1/48秒。換句話說，他向未來旅行了1/48秒。
隨著距離的拉長和速度的提高，時間旅行效應變得更容易觀察到。如果克里卡列夫在2015年離開地球，並以光速的99.995%的速度往返於參宿四——一顆距離地球約650光年的恆星——那麼當他返回地球時，他只會老10歲。可悲的是，他認識的所有人都早已去世，因為地球上已經過去了1000年；那將是3015年。“時間旅行到未來，我們知道我們可以做到，”戈特說。“這只是金錢和工程的問題！”
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跳躍到未來幾納秒——甚至幾個世紀——相對來說是直接的，儘管存在實際挑戰。但回到過去則更難。愛因斯坦的狹義相對論禁止這樣做。經過十年的研究，愛因斯坦公佈了他的廣義相對論，最終解除了這一限制。然而，一個人實際上將如何回到過去，這是一個令人困惑的問題，因為廣義相對論方程有許多解。不同的解為宇宙賦予了不同的性質——並且只有一些解創造了允許時間旅行到過去的條件。
這些解是否描述了我們自己的宇宙是一個懸而未決的問題，這引發了更深刻的謎題：需要對基本物理學進行多少調整才能允許回到過去的時間旅行？即使愛因斯坦的方程沒有排除這種可能性，宇宙本身是否以某種方式阻止了這種旅行？物理學家們繼續推測，不是因為他們認為回到過去的時間旅行會變得實際，而是因為思考這種可能性已經對我們所居住的宇宙的本質產生了一些令人驚訝的見解——包括，也許，它是如何首先形成的。
看待時間的新方式
透過他的狹義相對論，愛因斯坦以一種肯定會讓威爾斯感到高興的方式使時間變得可塑，威爾斯先見之明地認為，我們居住的宇宙中，三維空間和時間被編織成一個四維整體。愛因斯坦透過探索兩個基本思想的含義，得出了他的革命性成果。首先，他認為，即使所有運動都是相對的，物理定律對於宇宙中任何地方的每個人來說都必須看起來相同。其次，他意識到光速對於所有視角來說都必須是同樣不變的：如果每個人都看到相同的物理定律在起作用，那麼他們在測量光速時也必須得出相同的結果。
為了使光成為普遍的速度極限，愛因斯坦不得不拋棄兩個常識性的概念：所有觀察者都會對給定長度的測量結果達成一致，並且他們也會對時間流逝的持續時間達成一致。他表明，一個運動中的時鐘，以極快的速度從靜止的人身邊掠過，會比這個人身邊的靜止時鐘走得更慢。而一個快速移動的尺子的長度會縮短。然而，對於任何以與時鐘和尺子相同的速度旅行的人來說，時間的流逝和尺子的長度看起來都是正常的。
在普通速度下，狹義相對論的時間和空間扭曲效應可以忽略不計。但是對於任何以接近光速的分數（相對於觀察者）移動的物體來說，這些效應都是非常真實的。例如，許多實驗已經證實，當不穩定的粒子μ子以接近光速的速度運動時，它們的衰變率會減慢一個數量級。實際上，高速運動的μ子是微小的時間旅行者——亞原子克里卡列夫——跳躍到未來幾納秒。
哥德爾的奇異宇宙
那些快速的時鐘、尺子和μ子都在時間中向前飛馳。它們能被倒轉嗎？第一個使用廣義相對論來描述允許時間旅行到過去的宇宙的人是庫爾特·哥德爾，著名的不完備性定理的創造者，該定理限制了數學可以證明和不能證明的範圍。他是20世紀最傑出的數學家之一——也是最古怪的人之一。他的許多怪癖包括吃嬰兒食品和瀉藥。
哥德爾將這個宇宙模型作為禮物送給了他70歲生日的愛因斯坦。哥德爾向他持懷疑態度的朋友描述的宇宙有兩個獨特的性質。它在旋轉，這提供了離心力，阻止了引力將宇宙中的所有物質擠壓在一起，從而創造了愛因斯坦要求的任何宇宙模型的穩定性。但它也允許時間旅行到過去，這讓愛因斯坦深感不安。在哥德爾的宇宙中，太空旅行者可以出發，最終到達他們自己過去的某個點，就好像旅行者完成了繞巨大圓柱體表面的環繞一樣。物理學家將時空中的這些軌跡稱為“封閉類時曲線”。
封閉類時曲線是時空中任何自環的路徑。在哥德爾的旋轉宇宙中，這樣一條曲線將圍繞整個宇宙迴圈，就像地球表面上的緯度線一樣。物理學家已經構想出許多不同型別的封閉類時曲線，所有這些曲線都允許至少在理論上進行時間旅行到過去。然而，沿著其中任何一條曲線的旅程都將令人失望地普通。透過你的宇宙飛船舷窗，你會看到星星和行星——所有深空的常見景象。更重要的是，時間——以你自己的時鐘測量——將以通常的方式向前走；即使你正在旅行到一個存在於你過去的某個時空位置，時鐘的指標也不會開始倒轉。
“早在1914年，愛因斯坦就已經意識到封閉類時曲線的可能性，”住在英國牛津附近的獨立理論物理學家朱利安·巴伯說。正如巴伯回憶的那樣，愛因斯坦說，“我的直覺最強烈地反對這一點。”曲線的存在會產生各種因果關係問題——如果過去已經發生，過去怎麼能被改變呢？然後是古老的祖父悖論：如果時間旅行者在祖父遇到祖母之前殺死了祖父，會發生什麼？這個精神錯亂、現在沒有父母的旅行者還會出生嗎？
幸運的是，對於因果關係的愛好者來說，天文學家沒有發現宇宙正在旋轉的證據。哥德爾本人顯然仔細研究了星系目錄，尋找他的理論可能為真的線索。哥德爾可能沒有設計出一個現實的宇宙模型，但他確實證明了封閉類時曲線與廣義相對論方程完全一致。物理定律並沒有排除回到過去的時間旅行。
一個惱人的可能性
在過去的幾十年裡，宇宙學家們使用愛因斯坦的方程構建了各種封閉類時曲線。哥德爾構想了一個允許它們的整個宇宙，但最近的愛好者們只是在我們宇宙的某些部分扭曲了時空。
在廣義相對論中，行星、恆星、星系和其他大質量物體會扭曲時空。反過來，扭曲的時空會引導這些大質量物體的運動。正如已故物理學家約翰·惠勒所說，“時空告訴物質如何運動；物質告訴時空如何彎曲。”在極端情況下，時空可能會彎曲到足以創造一條從現在回到過去的路徑。
物理學家已經提出了一些奇異的機制來創造這樣的路徑。在1991年的一篇論文中，戈特展示了宇宙弦——可能在早期宇宙中形成的、比原子還細的無限長結構——將如何在兩條弦相交的地方允許封閉類時曲線。1983年，加州理工學院的物理學家基普·S·索恩開始探索一種稱為蟲洞的封閉類時曲線的可能性——蟲洞是一種連線時空中兩個不同位置的隧道——可能會允許時間旅行到過去。“在廣義相對論中，如果你連線了兩個不同的空間區域，你也連線了兩個不同的時間區域，”索恩在加州理工學院的同事肖恩·M·卡羅爾說。
蟲洞的入口將是球形的——一個進入時空中四維隧道的入口。正如所有封閉類時曲線的情況一樣，穿越蟲洞的旅程將“像任何其他旅程一樣”，卡羅爾說。“你不會消失並在某個其他時間點被重新組裝。沒有任何體面的理論認為那種科幻時間旅行是可能的。”他補充說，對於所有旅行者，“無論他們做什麼，時間都以每秒一秒的速度向前流逝。只是你當地版本的‘向前’可能在全球範圍內與宇宙的其餘部分不同步。”
儘管物理學家可以寫出描述蟲洞和其他封閉類時曲線的方程，但所有模型都存在嚴重問題。“僅僅為了首先得到一個蟲洞，你需要負能量，”卡羅爾說。負能量是指空間體積中的能量自發波動到小於零。如果沒有負能量，蟲洞的球形入口和四維隧道會瞬間內爆。但是，由負能量支撐的蟲洞“似乎很難，可能不可能”，卡羅爾說。“負能量在物理學中似乎是一件壞事。”
即使負能量保持蟲洞開放，就在你即將把它變成時間機器的時候，“粒子會穿過蟲洞移動，並且每個粒子都會無限次地迴圈回來，”卡羅爾說。“這會導致無限量的能量。”由於能量會使時空變形，整個東西會坍縮成一個黑洞——時空中一個無限密集的點。“我們不能百分之百確定這種情況會發生，”卡羅爾說。“但這似乎是一個合理的可能性，即宇宙實際上正在阻止你製造時間機器，而是製造了一個黑洞。”
與作為廣義相對論自然結果的黑洞不同，蟲洞和一般的封閉類時曲線是完全人為的構造——一種測試該理論邊界的方法。“黑洞很難避免，”卡羅爾說。“封閉類時曲線非常難以製造。”
即使蟲洞在物理上是不可信的，但它們符合廣義相對論仍然意義重大。“我們已經非常接近排除時間旅行的可能性，但我們就是做不到，這非常奇怪。我也認為這很惱人，”卡羅爾說，他很惱火，愛因斯坦美麗的理論可能允許如此看似不可信的事情。但是，透過思考這種惱人的可能性，物理學家可能會更好地理解我們所居住的宇宙型別。而且，如果宇宙不允許回到過去的時間旅行，它可能永遠不會存在。
宇宙創造了自己嗎？
廣義相對論描述了最大尺度上的宇宙。但量子力學提供了原子尺度的操作手冊，它為封閉類時曲線提供了另一種可能的場所——一種涉及宇宙起源的場所。
“在非常小的尺度（10−30釐米）上，你可能會預期時空的拓撲結構會波動，如果沒有任何基本的東西阻止它們，隨機波動可能會給你帶來封閉類時曲線，”威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家約翰·弗裡德曼說。這些量子漲落能否以某種方式被放大和利用作為時間機器？“當然沒有正式的證明表明你不能擁有宏觀的封閉類時曲線，”弗裡德曼說。“但是研究過這些一般問題的人們會非常肯定地反對它。”
毫無疑問，在量子尺度或宇宙尺度上建立時空環路都需要一些非常極端的物理學。戈特說，最有可能出現極端物理學的地方是宇宙的最初。
1998年，戈特和現在在北京大學的天體物理學家李-新·李發表了一篇論文，他們在論文中認為，封閉類時曲線不僅是可能的，而且對於解釋宇宙的起源至關重要。“我們研究了宇宙是否可以是自己的母親的可能性——宇宙最初的時間迴圈是否允許宇宙創造自己，”戈特說。
正如標準的宇宙大爆炸理論一樣，戈特和李的宇宙“開始於”暴脹，在暴脹中，一種普遍存在的能量場驅動了宇宙的初始膨脹。現在許多宇宙學家認為，暴脹除了我們自己的宇宙之外，還產生了無數其他的宇宙。“一旦暴脹開始，就很難阻止它，”戈特說。“它形成了一棵無限分支的樹。我們是其中一個分支。但你必須問自己，樹幹是從哪裡來的？李-新·李和我認為，可能是其中一個分支只是迴圈回來併成長為樹幹。”
戈特和李的自啟動宇宙的簡單二維草圖看起來像數字“6”，底部是時空環路，頂部的主幹是我們當今時代的宇宙。戈特和李推測，暴脹使宇宙能夠從時間環路中逃脫，並膨脹成我們今天居住的宇宙。
這個模型很難理解，但戈特說，它的主要吸引力在於它消除了從虛無中創造宇宙的需要。然而，塔夫茨大學的亞歷山大·維倫金、劍橋大學的斯蒂芬·霍金和加州大學聖巴巴拉分校的詹姆斯·哈特爾已經提出了宇宙確實從虛無中產生的模型。根據量子力學定律，空的空間並非真正空無一物，而是充滿了自發地產生和消失的“虛粒子”。霍金和他的同事們推測，宇宙是從同樣的量子真空湯中爆發出來的。但在戈特看來，宇宙不是由虛無構成的；它是由某種東西構成的——它自己。
宇宙象棋遊戲
就目前而言，沒有辦法測試這些理論中的任何一個是否真的可以解釋宇宙的起源。著名物理學家理查德·費曼將宇宙比作諸神正在下的一盤偉大的象棋。他說，科學家們試圖在不知道規則的情況下理解這場遊戲。我們看著諸神將一個兵向前移動一格，我們學到了一條規則：兵總是向前移動一格。但是，如果我們從未見過遊戲的開局，當兵可以向前移動兩格時，會怎麼樣呢？我們也可能會錯誤地假設，兵總是保持兵——它們永遠不會改變它們的身份——直到我們看到一個兵變成後。
“你會說這違反了規則，”戈特說。“你不能把你的兵變成後。嗯，是的，你可以！你只是從未見過如此極端的比賽。時間旅行研究就像那樣。我們正在透過觀察極端條件來測試物理定律。回到過去的時間旅行在邏輯上並非不可能；只是它不是我們習慣的宇宙。”將兵變成後可能是相對論規則的一部分。
這些瘋狂的推測性想法可能更接近哲學而非物理學。但就目前而言，量子力學和廣義相對論——強大、違反直覺的理論——是我們理解宇宙的全部工具。“一旦人們開始嘗試將量子理論和廣義相對論結合起來，首先要說的是，他們真的不知道自己在做什麼，”紐約大學的科學哲學家蒂姆·莫德林說。“這不是真正的嚴謹數學。它是一塊看起來有點像廣義相對論的數學，另一小塊看起來有點像量子理論的數學，以某種並非完全連貫的方式混合在一起。但這就是人們必須做的，因為他們確實不知道如何以有意義的方式前進。”
未來的某個理論會消除時間旅行到過去的可能性嗎？還是宇宙會再次變得比我們想象的更奇怪？自從愛因斯坦重新定義我們對時間的理解以來，物理學已經取得了巨大的進步。對於威爾斯來說，只存在於小說領域的時間旅行，現在已經成為一個被證實的現實，至少在一個方向上是這樣。難道很難相信宇宙中存在某種對稱性，允許我們回到過去的時間旅行嗎？當我向戈特提出這個問題時，他用一個軼事回答
“有一個故事說，愛因斯坦在和一個傢伙談話。那傢伙拿出一個筆記本，隨便寫了些東西。愛因斯坦說，‘那是什麼？’那傢伙說，‘一個筆記本。每當我有一個好主意，我就把它寫下來。’愛因斯坦說，‘我從來不需要筆記本；我只有三個好主意。’”
戈特總結道：“我認為我們正在等待一個新的好主意。”