在電影中，時間旅行者通常走進一臺機器，然後——砰——消失了。他們隨即瞬間出現在牛仔、騎士或恐龍之中。這些電影展示的基本上是時間瞬移。
科學家們認為這種概念在現實世界中不太可能實現，但他們也沒有將時間旅行歸為怪異的領域。事實上，物理定律可能允許時間跳躍，但魔鬼在細節中。
時間旅行到不久的將來很容易：你現在正以每秒一秒的速度進行著，物理學家說這個速度可以改變。根據愛因斯坦的狹義相對論，時間的流逝取決於你移動的速度。你旅行得越快，時間過得越慢。而根據愛因斯坦的廣義相對論，引力也會影響時鐘：附近的引力越強，時間過得越慢。
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“在巨大的物體附近——在中子星表面附近，甚至在地球表面，儘管這只是微小的效應——時間比在遠處流逝得慢，”德雷塞爾大學的宇宙學家戴夫·戈德堡說。
戈德堡說，如果一個人在黑洞邊緣附近逗留，那裡的引力非常強大，那麼對於他們來說可能只過去了幾個小時，而對於地球上的人來說卻過去了 1000 年。如果那個在黑洞附近的人回到地球，他們就有效地穿越到了未來。“這是一個真實的效果，”他說。“這是完全沒有爭議的。”
然而，回到過去的時間旅行變得棘手（比在黑洞內部被撕成碎片還要棘手）。科學家們已經提出了一些可能實現的方法，並且他們已經意識到廣義相對論中的時間旅行悖論幾十年了。北歐理論物理研究所的物理學家法比奧·科斯塔指出，早在 20 世紀 20 年代就有人提出了一個關於時間旅行的早期解決方案。這個想法涉及到一個巨大的長圓柱體，它像手掌之間滾動稻草一樣快速旋轉，並隨之扭曲了時空。直到 20 世紀 70 年代，人們才理解到這個物體可以充當時間機器，讓人可以回到過去，這比科學家發現一種名為“閉合類時曲線”的現象晚了幾十年。
“閉合類時曲線描述了一個假設觀察者的軌跡，該觀察者始終從自己的角度向前旅行，但在某個時刻發現自己處於與起點相同的位置和時間，從而形成一個迴圈，”科斯塔說。“這在被引力扭曲的時空區域中是可能的，時空區域會自身迴圈。”
“愛因斯坦讀到[關於閉合類時曲線]的內容後，對此想法感到非常不安，”他補充道。儘管如此，這種現象還是激發了後來的研究。
科學界在 20 世紀 80 年代開始認真對待時間旅行。例如，在 1990 年，俄羅斯物理學家伊戈爾·諾維科夫和美國物理學家基普·索恩合作撰寫了一篇關於閉合類時曲線的研究論文。“他們開始研究不僅如何嘗試製造時間機器，還要研究它將如何工作，”科斯塔說。
但同樣重要的是，他們還研究了時間旅行的問題。例如，如果你把一個檯球扔進時間機器，它旅行到過去，然後以某種方式與過去的自己相撞，以至於現在的自己永遠無法進入時間機器，那會怎麼樣？“這看起來像是一個悖論，”科斯塔說。
他說，自 20 世紀 90 年代以來，人們對這個話題的興趣時斷時續，但沒有重大突破。這個領域今天不是很活躍，部分原因是每個提出的時間機器模型都存在問題。“它有一些吸引人的特點，可能有一些潛力，但是當人們開始梳理細節時，最終會出現某種障礙，”羅德島大學的 Gaurav Khanna 說。
例如，大多數時間旅行模型都需要負質量——因此也需要負能量，因為正如阿爾伯特·愛因斯坦在發現E = mc2時揭示的那樣，質量和能量是同一回事。至少在理論上，正如電荷可以是正的或負的一樣，質量也可以是正的或負的——儘管沒有人找到過負質量的例子。為什麼時間旅行依賴於如此奇異的物質？在許多情況下，需要它來開啟蟲洞——廣義相對論預測的時空中連線宇宙中一個點到另一個點的隧道。
如果沒有負質量，引力會導致這個隧道坍塌。“你可以把它看作是對抗想要穿越蟲洞的正質量或能量，”戈德堡說。
Khanna 和戈德堡都認為，具有負質量的物質甚至不太可能存在，儘管 Khanna 指出，一些量子現象顯示出希望，例如，在非常小的尺度上存在負能量。但他說，這“遠未達到”現實的時間機器所需的規模。
這些挑戰解釋了為什麼 Khanna 最初勸阻了當時的馬薩諸塞大學達特茅斯分校的研究生卡羅琳·馬洛裡不要進行時間旅行專案。馬洛裡和 Khanna 還是繼續進行了研究，並提出了一個不需要負質量的理論時間機器。在最簡單的形式中，馬洛裡的想法涉及兩輛平行的汽車，每輛都由普通物質製成。如果你停放一輛車，然後以極高的加速度加速另一輛車，那麼它們之間就會形成一條閉合類時曲線。
很簡單，對吧？但是，雖然馬洛裡的模型消除了對負物質的需求，但它增加了一個新的障礙：它要求汽車內部具有無限的密度，才能以對時間旅行有用的方式影響時空。無限密度可以在黑洞內部找到，那裡的引力非常強烈，以至於將物質擠壓成一個令人難以置信的小空間，稱為奇點。在該模型中，每輛汽車都需要包含這樣一個奇點。“沒有大量關於這類事物的主動研究的原因之一是由於這些限制，”馬洛裡說。
其他研究人員已經建立了涉及蟲洞或從宇宙中的一個點到另一個點的時空隧道的時間旅行模型。“這有點像穿越宇宙的捷徑，”戈德堡說。想象一下將蟲洞的一端加速到接近光速，然後再將其送回原處。“這兩端不再同步，”他說。“一端在過去；一端在未來。”在它們之間行走，你就實現了時間旅行。
你也可以透過將蟲洞的一端移動到大的引力場（例如黑洞）附近，同時將另一端保持在較小的引力附近來實現類似的事情。這樣，時間會在大引力側減慢，實際上允許粒子或某些其他質量塊相對於蟲洞的另一側停留在過去。
然而，製造蟲洞需要討厭的負質量和能量。由正常質量建立的蟲洞會因引力而坍塌。“大多數設計都傾向於存在一些類似的問題，”戈德堡說。它們在理論上是可能的，但目前還沒有可行的製造方法，有點像美味但無卡路里的披薩。
也許問題不僅僅在於我們不知道如何製造時間旅行機器，還在於除了在微觀尺度上之外，時間旅行是不可能實現的——這是已故物理學家斯蒂芬·霍金所持有的觀點。他提出了時間順序保護猜想：宇宙不允許時間旅行，因為它不允許改變過去。“似乎有一個時間順序保護機構，阻止閉合類時曲線的出現，從而使宇宙對於歷史學家來說是安全的，”霍金在1992 年發表在物理評論 D上的一篇論文中寫道。
他的部分推理涉及時間旅行會產生的悖論，例如前面提到的檯球及其更著名的對應物，祖父悖論：如果你回到過去並在你祖父生孩子之前殺死他，你就不會出生，因此你無法進行時間旅行，因此你不可能殺死你的祖父。然而你卻在那裡。
然而，這些複雜性正是馬薩諸塞理工學院哲學家奧古斯丁·拉約感興趣的地方，因為這些悖論不僅質疑了因果關係和時間順序。它們也使自由意志顯得可疑。如果物理學說你可以回到過去，那麼為什麼你不能殺死你的祖父？“是什麼阻止了你？”他說。你是不自由的嗎？
拉約懷疑時間旅行與自由意志是一致的。“過去的就是過去了，”他說。“因此，如果事實上，我的祖父活得足夠長才能有孩子，那麼回到過去也不會改變這一點。如果我嘗試會失敗，為什麼？我不知道，因為我對過去的資訊瞭解不夠。我所知道的是，我會以某種方式失敗。”
換句話說，如果你去殺死你的祖父，你可能會在路上踩到香蕉皮滑倒或錯過公共汽車。“這不像你會發現某種特殊的力量迫使你不去做，”科斯塔說。“你會因為非常平凡的原因而無法做到。”
2020 年，科斯塔與當時他在澳大利亞昆士蘭大學的本科生 Germain Tobar 合作研究了類似想法的數學基礎：時間旅行是可能的，沒有悖論，並且具有選擇自由。
戈德堡在某種程度上同意他們的觀點。“我絕對屬於[認為]如果存在時間旅行，它將以產生對歷史的自洽觀點的方式構建，”他說。“因為這似乎是我們所有其他物理定律的構建方式。”
沒有人知道回到過去的時間旅行的未來會怎樣。到目前為止，還沒有時間旅行者來告訴我們。