H. G. 威爾斯於 1895 年發表了他的第一部小說《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：擁有 200 年曆史的牛頓物理學時代。1905 年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他的狹義相對論，推翻了艾薩克·牛頓的蘋果車，並讓威爾斯欣喜若狂的是，牛頓定律下不可能發生的事情成為了可能：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；它永遠不會加速或減速。但對於愛因斯坦來說，時間是相對的。
時間旅行不僅是可能的，而且已經發生了，儘管與威爾斯的想象並不完全一樣。普林斯頓大學的天體物理學家 J. Richard Gott 認為，迄今為止最大的時間旅行者是謝爾蓋·K·克里卡列夫。在他的漫長職業生涯中，從 1985 年開始，這位俄羅斯宇航員在太空度過了 803 天多一點的時間。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 17,000 英里的速度在和平號空間站上疾馳時，時間對他來說與地球上的時間流逝速度不同。當克里卡列夫在軌道上執行時，他比他的地球同胞衰老了 1/48 秒。從另一個角度來看，他旅行到了 1/48 秒的未來。
對於更遠的距離和更高的速度，時間旅行效應更容易看到。如果克里卡列夫在 2015 年離開地球，並以光速的 99.995% 往返參宿四（一顆距離地球約 520 光年的恆星），那麼當他返回地球時，他只會老 10 歲。可悲的是，他認識的每個人都早已去世，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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儘管存在實際挑戰，但跳躍幾個納秒或幾個世紀到未來是相對簡單的。但回到過去則更難。愛因斯坦的狹義相對論禁止這樣做。經過十年的工作，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，實際上一個人將如何回到過去，這是一個令人煩惱的問題，因為廣義相對論的方程有許多解。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，這引發了更深刻的探究：究竟需要對基礎物理學進行多少調整才能允許時間倒流？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，不是因為他們想象時間旅行會變得實用，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
憑藉他的狹義相對論，愛因斯坦以一種方式使時間變得可塑，這一定讓威爾斯感到高興，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執行，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限制，愛因斯坦不得不拋棄兩個常識性概念：所有觀察者都會就給定長度的測量結果達成一致，並且他們也會就時間流逝的持續時間達成一致。他表明，一個運動中的時鐘，在靜止的人身邊呼嘯而過，會比這個人身邊的靜止時鐘走得更慢。並且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行進的人來說，時間的流逝和尺子的長度將顯得正常。
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。但對於以接近光速的分數移動的任何物體來說，這些效應都是非常真實的。例如，許多實驗已經證實，當稱為 μ子的不穩定粒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 μ子是微小的時間旅行者——亞原子克里卡列夫——跳躍到未來幾個納秒。
哥德爾的奇異宇宙
那些高速時鐘、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立者，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——也是最古怪的數學家之一。他的許多怪癖包括吃嬰兒食品和瀉藥。
哥德爾將這個模型宇宙作為禮物送給愛因斯坦，慶祝他的 70 歲生日。哥德爾向他持懷疑態度的朋友描述的宇宙有兩個獨特的屬性：它旋轉，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，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並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型圓柱體表面的環路一樣。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，這樣一條曲線將環繞整個宇宙，就像地球表面上的緯度線一樣。物理學家已經設計出許多不同型別的封閉類時曲線，所有這些曲線都允許時間旅行到過去，至少在理論上是如此。然而，沿著其中任何一條曲線的旅程都將令人失望地平凡：透過宇宙飛船的舷窗，您會看到恆星和行星——所有深空的常見景象。更重要的是，時間——以您自己的時鐘測量——將以通常的方式向前走；即使您正在前往時空中存在於您過去的位置，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，”住在英格蘭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。”這些曲線的存在會給因果關係帶來各種各樣的問題——如果過去已經發生，又如何改變過去？還有古老的祖父悖論：一個時間旅行者在他祖父遇到祖母之前殺死了他的祖父，會發生什麼？這個精神錯亂的旅行者會出生嗎？
幸運的是，對於因果關係的愛好者來說，天文學家沒有發現任何證據表明宇宙正在旋轉。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。物理定律並未排除時間旅行到過去的可能性。
一個惱人的可能性
在過去的幾十年裡，宇宙學家使用愛因斯坦的方程構建了各種各樣的封閉類時曲線。哥德爾構想了一個允許它們的整個宇宙，但最近的愛好者只在我們宇宙的部分割槽域扭曲了時空。
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無限長、比原子還細的結構——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——一種連線時空中兩個不同位置的隧道——可能允許時間旅行到過去。“在廣義相對論中，如果你連線兩個不同的空間區域，你也在連線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。“您不會消失並在某個其他時間時刻重新組裝。沒有哪種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。只是您當地版本的‘向前’可能與宇宙的其他部分在全球範圍內不同步。”
儘管物理學家可以編寫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。“首先要得到一個蟲洞，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將瞬間內爆。但是，負能量維持開啟的蟲洞“似乎很難，可能是不可能的”，卡羅爾說。“負能量在物理學中似乎是一件壞事。”
即使負能量使蟲洞保持開啟狀態，就在您即將將其變成時間機器時，“粒子將透過蟲洞移動，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，因此整個物體將坍縮成黑洞——時空中一個無限密集的點。“我們不能 100% 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，即宇宙實際上正在透過製造黑洞而不是時間機器來阻止您製造時間機器。”
與黑洞是廣義相對論的自然結果不同，蟲洞和一般的封閉類時曲線是完全人為的構造——一種測試該理論界限的方法。“黑洞很難避免，”卡羅爾說。“封閉類時曲線很難製造。”
即使蟲洞在物理上是難以置信的，但它們符合廣義相對論這一點意義重大。“我們非常接近排除時間旅行的可能性，但我們就是無法做到。我也認為這很煩人，”卡羅爾惱怒地說，愛因斯坦的美麗理論可能會允許如此看似難以置信的事情。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。並且，如果宇宙不允許時間倒流，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——一種可以追溯到宇宙起源的場所。
“在非常小的尺度上——10–30 釐米——您可能會期望時空的拓撲結構發生波動，如果沒有任何基本的東西阻止它們，隨機波動可能會給您帶來封閉類時曲線，”威斯康星大學密爾沃基分校的物理學家約翰·弗裡德曼說。這些量子波動能否以某種方式被放大和利用為時間機器？“當然沒有正式的證據表明你不能擁有宏觀封閉類時曲線，”弗裡德曼說。“但是研究過這些一般性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，最有可能期望極端物理學的地方是宇宙的最初。
1998 年，戈特和現任中國北京大學天體物理學家的李立新發表了一篇論文，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能是自己的母親——宇宙開始時的時間環路是否會讓宇宙創造自己成為可能，”戈特說。
戈特和李的宇宙“開始於”一場暴脹——就像在標準大爆炸宇宙學中一樣，全方位的能量場推動了宇宙的初始膨脹。現在許多宇宙學家認為，暴脹產生了無數個除了我們自己的宇宙之外的其他宇宙。“一旦暴脹開始，就很難停止，”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？李立新和我說，可能是其中一個分支只是環繞一圈並長大成為樹幹。”
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，頂部是我們現在的宇宙。戈特和李推測，暴脹爆發使宇宙從時間環路中逃脫出來，並膨脹成我們今天居住的宇宙。
這個模型很難思考，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·維連金、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，空的空間並不是真正的空，而是充滿了自發地出現和消失的“虛”粒子。霍金和他的同事們推測，宇宙是從同樣的量子真空燉湯中爆發出來的。但在戈特看來，宇宙不是由虛無構成的；它是由某種東西——它自己——構成的。
宇宙象棋遊戲
目前，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，科學家們試圖在不瞭解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，如果我們從未見過一局遊戲的開局，那時兵可以向前移動兩格呢？我們也可能會錯誤地認為，兵總是保持兵——它們永遠不會改變自己的身份——直到我們看到一個兵變成女王。“你會說這違反了規則，”戈特說。“你不能把你的兵變成女王。好吧，是的，你可以！你只是從未見過如此極端的遊戲。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。時間旅行到過去在邏輯上並非不可能；只是它不是我們習慣的宇宙。”將兵變成女王可能是相對論規則的一部分。
這些狂野的推測性想法可能更接近於哲學而不是物理學。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——是我們用來弄清宇宙的全部。紐約大學的科學哲學家蒂姆·莫德林說：“一旦人們開始嘗試將量子理論和廣義相對論引入其中，首先要說的是，他們真的不知道自己在做什麼。”“這實際上不是嚴格的數學。它是一部分看起來有點像廣義相對論的數學，另一小部分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，因為他們真的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？或者宇宙會再次變得比我們想象的更奇怪嗎？自從愛因斯坦重新定義我們對時間的理解以來，物理學取得了巨大的進步。時間旅行，在威爾斯看來只存在於小說領域，現在已成為一種被證實的現實，至少在一個方向上是這樣。我們是否難以相信宇宙中存在某種對稱性，允許我們回到過去？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說話。那傢伙拿出一個筆記本並潦草地寫下了一些東西。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時，我都會把它寫下來。’愛因斯坦說，‘我從來不需要筆記本；我只有過三個好主意。’”
戈特總結道：“我認為我們正在等待一個新的好主意。”