自从1895年H·G·威尔斯（H. G. Wells ）写下著名科幻小说《时间机器》（The Time Machine），时间旅行就成为科幻作品中的常见主题。但这一切真能实现吗？有可能建造一台将人类送回过去或者传至未来的时间机器吗？
在过去的很长时间里，时间旅行一直处于严肃科学视野之外，不过近些年来，这个话题在理论物理学家的小圈子中有蔚然成风之势，部分原因是出于好玩——思考时间旅行是一种有趣的休闲方式，但此类研究也有严肃的一面，因为理解因果关系对构建大统一理论的任何尝试都十分关键，如果不受限制的时间旅行是可能的，即便只是在理论上可能，都会对大统一理论的本质产生深刻的影响。
我们目前对时间最好的理解来自爱因斯坦的相对论——在那之前，人们普遍认为时间是绝对和普适的，无论身处什么样的物理环境，时间对每个人而言都一模一样。在狭义相对论中，爱因斯坦提出，对两个事件持续时间的测量依赖于观测者的运动状态——简单来说，两个运动状态不同的观测者在做同样的两件事时，会感觉到经过的时间不一样。
我们通常用“双生子佯谬”（twin paradox）描述这种效应：假设萨莉和萨姆是一对双胞胎，萨姆呆在家里，而萨莉则乘坐飞船高速驰向一颗临近的恒星，到达后立刻调头飞回地球。对于萨莉而言，整个星际旅程也许只持续了一年，但当她返回地球走下飞船，却发现地球上的时光已经飞逝10载。她的弟弟萨姆现在比她大10岁，虽然他们同时同日出生，但现在年龄却不相同。
这个例子实际上描绘了一种狭义上的时间旅行，萨莉跃进到了9年后的地球。
上述效应被称为“时间延缓”（time dilation，或称钟慢效应），当两个观测者有相对运动时就会发生。日常生活中我们察觉不到这种奇怪的时间扭曲，因为这种效应只有当运动速度接近光速时才会变得显著，即便坐上飞机，一趟普通飞行带来的时间延迟也仅有几个纳秒，这可不是威尔斯想象的时间旅行。
但是，原子钟的精度已经足以测量出这么小的时间差别，从而证实了运动确实可以扭曲时间。因此前往未来的时间旅行已经是一个确定的事实，虽然到目前为止，旅行的“距离”实在难以让人心潮澎拜。
要想看到真正激动人心的时间扭曲现象，我们必须放眼日常经验之外。亚原子粒子在大型加速器中能被推动到以近乎光速的速度运动，其中一些粒子，比如µ子，由于以固定的半衰期衰变，本身就相当于携带了计时钟表。
根据爱因斯坦的相对论，加速器中快速运动的µ子的衰变在我们看来都是慢动作。一些宇宙射线粒子同样也能经历极为惊人的时间扭曲，这些粒子如此接近光速，以至于从它们的角度来看，只需要数分钟就可以穿越银河系，而在地球参考系中，这个过程则要花费数万年，如果没有时间延缓效应，这些粒子早就衰变于半途之中了。
要跳到未来除了可以依靠速度，还可以借助引力。在广义相对论中，爱因斯坦预言引力同样会延缓时间。阁楼上的钟表会比地窖中的钟表走得更快，因为后者更接近地心，在引力场中处于更低的位置。同理，太空中的钟表会比在地面上走得更快。虽然这个效应同样也很微弱，但用精确计时装置仍能直接测量出来。实际上，全球定位系统（GPS）就需要考虑这些时间扭曲效应，否则轮船、汽车乃至巡航导弹都会在定位时产生数千米的误差。
中子星表面的引力非常之强，以至于这些星球上的时间相对于地球会延缓30%，站在中子星上看地球，我们的所有过程都像是在快进。对时间扭曲的终极展示来自于黑洞：在黑洞表面，时间相对于地球是静止的，这意味着如果你从黑洞附近落入黑洞，虽然对你而言，只是一瞬间的事情，但从宇宙的其他部分看过来，这一瞬间确是永恒的（换句话说，你好像静止在黑洞表面，永远不会掉进去）。
在外部宇宙看来，黑洞内部的世界是超越时间的，如果一个宇航员能非常接近黑洞，然后毫发无损地归来（当然这样很不现实，更不用说也太莽撞了），他就能跳跃到遥远的未来。
回到过去的问题更多。1948年，普林斯顿高等研究院的库尔特·哥德尔（Kurt Gödel ）为爱因斯坦引力场方程组找到了一个特殊的解，这个解描述了一个转动的宇宙。在这个宇宙中，一个宇航员能通过空间旅行穿越回自己的过去。
这一切之所以能够发生，都源于引力对光的作用方式。转动的宇宙会将光拖曳着随自己一起转动（从而影响两个事物之间的因果关系），进而导致一个物质实体只要在空间上沿闭合路径运行一圈，就同时在时间上也绕闭合路径走了一圈，而无需在任何阶段超越周围的局域光速。哥德尔的解被看作数学游戏而遭搁置，毕竟，实际观测并未发现有迹象表明宇宙在做整体转动。
但他的结果表明，回到过去并未被相对论禁止，实际上，爱因斯坦也承认，他对某些情况下自己的理论允许这样的时间旅行深感不安。
之后，物理学家又陆续发现了其他一些允许我们回到过去的情况。比如1974年，杜兰大学的弗兰克·J·提普勒（Frank J. Tipler ）的计算表明，一个绕着中轴线以接近光速转动的、质量巨大且无限长的圆柱也能将宇航员送回他的过去，原理还是光被拖曳成一个闭合路径。
1991年，普林斯顿大学的J·理查德·戈特（J. Richard Gott ）预言，宇宙弦，也就是宇宙学家认为大爆炸早期所产生的一种结构，也能产生类似的结果。而1985年前后，最靠谱的时间机器构想出现了，其概念基础就是虫洞。
在科幻小说中，虫洞有时又被称为星门（stargate），它通常是连接两个空间地点的一条捷径。跳进一个这样的虫洞，你也许一眨眼就已经身处银河系的另一边。虫洞很自然地符合广义相对论，因为引力不仅会弯曲时间也会弯曲空间。相对论允许此类连接两个空间位置的捷径或通道存在，数学家称这样的空间是多联通的（multiply connected）。正如穿山隧道比盘山公路要快捷，虫洞也会可能比通常的空间路径要短。
1985年，在卡尔·萨根（Carl Sagan）的科幻小说《接触》（Contact）中，虫洞被用作时间旅行装置。在萨根的提议下，加州理工学院的基普·S·索恩（Kip S. Thorne，科幻电影《星际穿越》的科学顾问）和同事一起开始研究虫洞是否与现有物理学相容。他们当时的出发点是，虫洞作为一个具有极强引力的物体，有些类似黑洞，但与只能进不能出的黑洞不同，虫洞既有入口也有出口。
虫洞要具备可穿越性，就必须包含索恩所说的奇异物质。实际上，这种物质会产生反引力，可以抵抗大质量物体由于自身引力塌缩成黑洞的自然倾向。这种反引力，或者叫万有斥力（gravitational repulsion），可以通过负能量或压力来产生。某些量子体系中有这样的负能量态存在，这意味着索恩的奇异物质并没有违反物理学定律，尽管还不清楚是否能聚集起足够多的反引力物质来稳定虫洞。
索恩和同事很快意识到，如果能够创造出一个稳定的虫洞，就立刻可以用它来进行时间旅行。一个穿越了虫洞的宇航员可能发现，自己不仅身处宇宙的某个角落，而且穿越到了某个时间，可以是遥远的未来，也可以是久远的过去。
要用虫洞进行时间旅行，可以将它的一个端口牵引到某颗中子星表面上，中子星的引力会延缓这个端口附近的时间，于是两个端口之间就会慢慢累积起一个时间差，如果在这之后将这两个端口放置到更合适的空间位置，已经累积起来的时间差仍可保留不变。
假设这个时间差是10年，从一个方向穿过这个虫洞的宇航员就会跳跃到10年之后的未来，而反向穿过的宇航员则会回到10年前的过去。只要以足够高的速度通过普通空间回到出发点，回到过去的宇航员甚至可以在出发之前就回到家中。换句话说，一个空间中的闭环同样也会成为时间中的闭环，唯一的限制就是这个宇航员无法回到建造这个虫洞之前的时间。
在讨论如何用虫洞进行时间旅行之前还有一个关键问题要解决，就是如何建造它。有可能空间中本身就天然存在这种结构，比如来自大爆炸的遗存，果真如此的话，某个超级文明或许已经找到并在利用虫洞。另一方面，虫洞也许在非常微小的尺度上自然存在，比如在比原子核还要小10的20次方的普朗克尺度上。原则上，这么小的虫洞用一个能量脉冲就可以稳定，然后可通过其他办法将其扩展到可用尺度。
建造虫洞时间机器的三个步骤：1. 找到或建造一个虫洞：一条连接两个不同空间位置的隧道。大型虫洞也许在宇宙深空中自然存在，它是来自大爆炸的遗存。不然我们就得从亚原子虫洞着手——要么是自然存在的（有人认为这样的虫洞在我们周围不断涌现和消失），要么是人造的。这些小的虫洞需要扩张到可用尺度，也许可以利用某种能量场来实现，这种能量场与宇宙大爆炸后驱动宇宙暴胀的能量场类似。2. 稳定虫洞。
通过注入负能量，能让一个物体或信号安全穿过黑洞。这种负能量可通过诸如卡斯米尔效应（Casimir effect）之类的量子方法产生。负能量会抵消虫洞塌缩的倾向，否则虫洞会塌缩成一个密度无限大或接近无限大的点。换句话说，负能量可以防止虫洞变成一个黑洞。3. 牵引虫洞。
一艘假设具有超级先进技术的飞船将虫洞的两个端口牵引分离，一个端口也许被放置于某颗中子星表面，后者极大的密度能产生极强的引力场，从而极大延缓时间流逝的速度。由于时间在另一个端口流逝速度不变，两个分离的端口现在不仅在空间位置不同，而且时间也不同。
假设我们克服了所有技术难题，那么建造一台时间机器就会打开因果悖论的魔盒。想象一下，如果一个时间旅行者穿越到过去，在自己母亲还是个小女孩时就谋杀了她会怎么样。这一切如何才能自圆其说？如果这个女孩死了，她就不可能成为这个时间旅行者的母亲，而如果时间旅行者从未出生，那穿越到过去杀了这个女孩的又是谁？
当时间旅行者试图改变过去时，就会出现这样的悖论，很明显改变过去是不可能的。但是，成为过去的一部分是有可能的。假设一个时间旅行者穿越到过去，从杀手手中救出一个小女孩，而这个小女孩长大后成了他的母亲，这样的因果链条就非常自洽而不会产生悖论。因果自洽也许会对时间旅行的方式加以限制，但并没有在本质上排除时间旅行的可能。
即便时间旅行不会产生严格意义上的悖论，它仍然十分怪异。
要是一位时间旅行者向前跃迁了一年，在一年后的《环球科学》杂志上读到一个刚被证明的数学定理，他记住证明的细节，然后返回自己的时空，将证明方法传授给一个学生，这个学生再将它写出来投稿给《环球科学》，当然最后发表出来的文章就是这个时间旅行者读到的那篇（否则就有因果悖论了），现在问题来了：这个证明究竟是从哪冒出来的呢？
不是来自时间旅行者，因为他是从杂志上读到的，也不是来自这个学生，因为他是从时间旅行者那里学来的，按照这个思路推理下去，证明似乎是无中生有的。
时间旅行的各种奇怪结果让一些科学家干脆完全拒绝这个想法。剑桥大学的斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）就提出一个“时序保护猜想”（chronology protection conjecture），禁止所有因果闭环出现。
因为相对论允许因果闭环出现，如果要保护时序就需要其他因素对回到过去的时间旅行进行干预和禁止。这个因素是什么呢？一种观点认为，时间机器会让粒子回到自己的过去而不断循环。计算表明，这个过程中扰动会自我增强，奔涌的失控能量会摧毁虫洞。
时序保护目前还只是一个猜想，所以时间旅行仍然是可能的。这个问题的最终解答也许要等到量子力学和引力理论成功统一之日，这种统一也许会通过弦论或其扩展版本，所谓的M理论来完成。
我们还可以期待下一代粒子加速器，甚至就是今年已经满负荷运行的大型强子对撞机（LHC）——能够产生能量足够高的亚原子碰撞，撕裂时空本身，产生一个寿命足以让周围的粒子形成因果闭环的虫洞，这虽然与威尔斯笔下的时间机器相差甚远，但却足以改变我们对物理实在的认识。