自H. G. 威爾斯在1895年創作了他的著名小說《時間機器》以來，時間旅行一直是流行的科幻主題。但這真的能實現嗎？是否有可能建造一臺機器，將人類運送到過去或未來？
幾十年來，時間旅行一直處於受人尊敬的科學的邊緣。然而，近年來，這個話題已成為理論物理學家之間的一種家庭手工業。動機部分是娛樂性的——思考時間旅行很有趣。但這項研究也有嚴肅的一面。理解因果關係是構建物理學統一理論的關鍵部分。如果不受限制的時間旅行在原則上是可能的，那麼這種統一理論的性質可能會受到極大的影響。
我們對時間的最佳理解來自阿爾伯特·愛因斯坦的相對論。在這些理論之前，時間被廣泛認為是絕對的和普遍的，對每個人來說都是一樣的，無論他們的身體狀況如何。在他的狹義相對論中，愛因斯坦提出，兩次事件之間測量的間隔取決於觀察者的運動方式。至關重要的是，兩個運動不同的觀察者將體驗到相同兩次事件之間不同的持續時間。
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這種效應通常用“雙生子悖論”來描述。假設薩莉和山姆是雙胞胎。薩莉登上火箭飛船，以高速飛往附近的恆星，然後掉頭飛回地球，而山姆則待在家裡。對於薩莉來說，旅程的持續時間可能是一年，但是當她返回並走出宇宙飛船時，她發現地球上已經過去了10年。她的兄弟現在比她大九歲。薩莉和山姆不再是同齡人，儘管他們出生在同一天。這個例子說明了一種有限的時間旅行。實際上，薩莉已經跳躍了九年進入地球的未來。
時差
這種效應被稱為時間膨脹，每當兩個觀察者相對於彼此移動時就會發生。在日常生活中，我們不會注意到奇怪的時間扭曲，因為只有當運動接近光速時，這種效應才會變得引人注目。即使在飛機速度下，典型旅程中的時間膨脹也僅為幾納秒——幾乎不是威爾斯式比例的冒險。然而，原子鐘足夠精確，可以記錄這種偏移並證即時間確實因運動而延長。因此，即使到目前為止，進入未來的旅行實際上已經被證明，即使它一直是相當乏味的。
要觀察真正引人注目的時間扭曲，人們必須超越普通經驗的範圍。亞原子粒子可以在大型加速器機器中以接近光速的速度推進。其中一些粒子，例如μ子，具有內建的時鐘，因為它們以確定的半衰期衰變；根據愛因斯坦的理論，觀察到加速器內快速移動的μ子以慢動作衰變。一些宇宙射線也經歷了壯觀的時間扭曲。這些粒子的運動速度非常接近光速，以至於從它們的角度來看，它們在幾分鐘內穿過星系，即使在地球的參考系中，它們似乎需要數萬年。如果時間膨脹沒有發生，這些粒子將永遠無法到達這裡。
速度是跳躍到未來的方法之一。重力是另一種方法。在他的廣義相對論中，愛因斯坦預測重力會減慢時間。閣樓裡的時鐘比地下室裡的時鐘走得快一點，地下室更靠近地球中心，因此更深入引力場。同樣，太空中的時鐘比地面上的時鐘走得更快。再一次，這種效應是微小的，但已經使用精確的時鐘直接測量出來。實際上，在全球定位系統中必須考慮這些時間扭曲效應。如果不是這樣，水手、計程車司機和巡航導彈可能會發現自己偏離航線數公里。
鳴謝：菲利普·豪
鳴謝：菲利普·豪
在中子星表面，重力非常強，以至於時間相對於地球時間減慢了約30％。從這樣的恆星上看，這裡的事件就像快進的影片。黑洞代表著終極的時間扭曲；在黑洞表面，時間相對於地球靜止不動。這意味著，如果您從附近掉入黑洞，在您到達表面的短暫時間內，整個宇宙的永恆都會流逝。因此，對於外部宇宙而言，黑洞內部的區域超出了時間的盡頭。如果宇航員可以非常靠近黑洞並安然無恙地返回——誠然這是一個異想天開，更不用說愚蠢的前景——他可以跳躍到遙遠的未來。
我的頭暈了
到目前為止，我已經討論了向前的時間旅行。那麼向後走呢？這要困難得多。1948年，新澤西州普林斯頓高階研究所的庫爾特·哥德爾提出了愛因斯坦引力場方程的解，該解描述了一個旋轉的宇宙。在這個宇宙中，宇航員可以透過太空旅行到達自己的過去。這源於重力影響光的方式。宇宙的旋轉會拖曳光（以及物體之間的因果關係）隨之旋轉，使物質物體能夠在空間中以閉環形式運動，這也是時間上的閉環，而不會在粒子的直接鄰域中超過光速。哥德爾的解決方案被認為是數學上的好奇心——畢竟，觀測結果表明宇宙作為一個整體並沒有旋轉的跡象。儘管如此，他的結果還是證明了相對論並沒有禁止回到過去。實際上，愛因斯坦承認，他為他的理論在某些情況下可能允許時間旅行的想法而感到困擾。
人們已經發現了其他允許時間旅行的場景。例如，1974年，杜蘭大學的弗蘭克·J·蒂普勒計算出，一個巨大的、無限長的圓柱體以接近光速的速度繞其軸旋轉，可以讓宇航員訪問自己的過去，再次透過將光拖曳到圓柱體周圍形成環路。1991年，普林斯頓大學的J·理查德·戈特預測，宇宙弦——宇宙學家認為是在大爆炸早期階段產生的結構——可能會產生類似的結果。然後在1980年代中期，基於蟲洞概念，出現了最現實的時間機器場景。
在科幻小說中，蟲洞有時被稱為星門；它們提供了空間中兩個遙遠點之間的捷徑。跳過一個假設的蟲洞，您可能會在片刻之後出現在銀河系的另一端。蟲洞自然而然地融入了廣義相對論，根據該理論，重力不僅扭曲時間，還扭曲空間。該理論允許連線空間中兩個點的替代道路和隧道路線的類比。數學家將這樣的空間稱為多連通空間。正如穿過山丘的隧道可以比地面街道短一樣，蟲洞可能比透過普通空間的常用路線短。
卡爾·薩根在他的1985年小說《接觸》中將蟲洞用作虛構的裝置。在薩根的提示下，加州理工學院的基普·S·索恩和他的同事著手尋找蟲洞是否與已知的物理學相符。他們的出發點是，蟲洞會像黑洞一樣，成為具有可怕重力的物體。然而，與黑洞不同，黑洞提供的是通往虛無的單程旅程，蟲洞將既有入口也有出口。
在環路中
為了使蟲洞可穿越，它必須包含索恩所謂的奇異物質。實際上，這是一種會產生反重力的東西，以對抗質量龐大的系統在其巨大重量下內爆成黑洞的自然趨勢。反重力或引力排斥可以由負能量或壓力產生。已知負能量狀態存在於某些量子系統中，這表明索恩的奇異物質並未被物理定律排除，儘管尚不清楚是否可以組裝足夠的反引力物質來穩定蟲洞。
很快，索恩和他的同事意識到，如果可以建立一個穩定的蟲洞，那麼就可以很容易地將其變成時間機器。穿過其中一個蟲洞口的宇航員不僅可能出現在宇宙中的其他地方，而且也可能出現在其他時間——無論是在未來還是過去。
為了使蟲洞適應時間旅行，可以將其一個口拖到中子星並放置在其表面附近。恆星的引力會減慢該蟲洞口附近的時間，因此蟲洞兩端之間的時間差將逐漸累積。如果然後將兩個口都停放在太空中的便利位置，則該時間差將保持凍結狀態。
假設差異為10年。以一個方向穿過蟲洞的宇航員將跳躍10年進入未來，而以另一個方向穿過的宇航員將跳躍10年進入過去。透過以高速穿過普通空間返回其起點，第二位宇航員可能會在他離開之前返回家園。換句話說，空間中的閉環也可能成為時間上的環路。唯一的限制是宇航員無法返回到蟲洞首次建造之前的時間。
製造蟲洞時間機器的一個巨大障礙是首先建立蟲洞。可能太空自然而然地充滿了這種結構——大爆炸的遺蹟。如果是這樣，一個超級文明可能會徵用一個。或者，蟲洞可能會自然而然地以微小的尺度出現，即所謂的普朗克長度，大約比原子核小20個10的因子。原則上，可以透過能量脈衝來穩定這種微小的蟲洞，然後以某種方式將其膨脹到可用的尺寸。
被審查！
假設工程問題可以克服，時間機器的生產可能會開啟因果悖論的潘多拉魔盒。例如，考慮一下時間旅行者訪問過去並在她年輕時謀殺了他的母親。我們如何理解這一點？如果這個女孩死了，她就不能成為時間旅行者的母親。但是，如果時間旅行者從未出生，他就無法回到過去謀殺他的母親。
當時間旅行者試圖改變過去時，就會出現這種悖論，這顯然是不可能的。但這並不能阻止某人成為過去的一部分。假設時間旅行者回到過去，從謀殺中救出一個年輕女孩，而這個女孩長大後成為了他的母親。因果迴圈現在是自洽的，不再是悖論。因果一致性可能會對時間旅行者能夠做什麼施加限制，但它並沒有排除時間旅行本身。
即使時間旅行並非嚴格來說是悖論，但它肯定很奇怪。考慮一下時間旅行者跳躍到未來一年，並在未來版的《大眾科學》中讀到關於新數學定理的文章。他記下細節，返回自己的時代，並將該定理教給一個學生，然後該學生將其寫成《大眾科學》的文章。當然，這篇文章正是時間旅行者讀到的那篇。然後出現的問題是：關於該定理的資訊從何而來？不是來自時間旅行者，因為他讀過它，也不是來自學生，因為學生是從時間旅行者那裡學到的。資訊似乎憑空出現，毫無道理。
時間旅行的奇異後果導致一些科學家徹底拒絕了這一概念。劍橋大學的史蒂芬·霍金提出了“時序保護猜想”，該猜想將禁止因果迴圈。由於已知相對論允許因果迴圈，因此時序保護將需要其他因素進行干預以防止回到過去。這個因素可能是什麼？一種建議是量子過程將前來救援。時間機器的存在將允許粒子迴圈回到自己的過去。計算表明，隨之而來的擾動將變得自我增強，產生失控的能量激增，從而破壞蟲洞。
時序保護仍然只是一個猜想，因此時間旅行仍然是一種可能性。對該問題的最終解決可能必須等待量子力學和引力的成功統一，也許是透過諸如弦理論或其擴充套件，即所謂的M理論之類的理論。甚至可以想象，下一代粒子加速器——或者可能是日內瓦附近歐洲核子研究中心的現有大型強子對撞機——將能夠產生足夠強大的亞原子碰撞來撕裂時空本身，從而產生足夠長的蟲洞，以供附近的粒子執行短暫的因果迴圈。這將與威爾斯對時間機器的願景相去甚遠，但它將永遠改變我們對物理現實的看法。