在电影中，时间旅行者通常走进一台机器，然后——砰——消失了。他们随即瞬间出现在牛仔、骑士或恐龙之中。这些电影展示的基本上是时间瞬移。
科学家们认为这种概念在现实世界中不太可能实现，但他们也没有将时间旅行归为怪异的领域。事实上，物理定律可能允许时间跳跃，但魔鬼在细节中。
时间旅行到不久的将来很容易：你现在正以每秒一秒的速度进行着，物理学家说这个速度可以改变。根据爱因斯坦的狭义相对论，时间的流逝取决于你移动的速度。你旅行得越快，时间过得越慢。而根据爱因斯坦的广义相对论，引力也会影响时钟：附近的引力越强，时间过得越慢。
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“在巨大的物体附近——在中子星表面附近，甚至在地球表面，尽管这只是微小的效应——时间比在远处流逝得慢，”德雷塞尔大学的宇宙学家戴夫·戈德堡说。
戈德堡说，如果一个人在黑洞边缘附近逗留，那里的引力非常强大，那么对于他们来说可能只过去了几个小时，而对于地球上的人来说却过去了 1000 年。如果那个在黑洞附近的人回到地球，他们就有效地穿越到了未来。“这是一个真实的效果，”他说。“这是完全没有争议的。”
然而，回到过去的时间旅行变得棘手（比在黑洞内部被撕成碎片还要棘手）。科学家们已经提出了一些可能实现的方法，并且他们已经意识到广义相对论中的时间旅行悖论几十年了。北欧理论物理研究所的物理学家法比奥·科斯塔指出，早在 20 世纪 20 年代就有人提出了一个关于时间旅行的早期解决方案。这个想法涉及到一个巨大的长圆柱体，它像手掌之间滚动稻草一样快速旋转，并随之扭曲了时空。直到 20 世纪 70 年代，人们才理解到这个物体可以充当时间机器，让人可以回到过去，这比科学家发现一种名为“闭合类时曲线”的现象晚了几十年。
“闭合类时曲线描述了一个假设观察者的轨迹，该观察者始终从自己的角度向前旅行，但在某个时刻发现自己处于与起点相同的位置和时间，从而形成一个循环，”科斯塔说。“这在被引力扭曲的时空区域中是可能的，时空区域会自身循环。”
“爱因斯坦读到[关于闭合类时曲线]的内容后，对此想法感到非常不安，”他补充道。尽管如此，这种现象还是激发了后来的研究。
科学界在 20 世纪 80 年代开始认真对待时间旅行。例如，在 1990 年，俄罗斯物理学家伊戈尔·诺维科夫和美国物理学家基普·索恩合作撰写了一篇关于闭合类时曲线的研究论文。“他们开始研究不仅如何尝试制造时间机器，还要研究它将如何工作，”科斯塔说。
但同样重要的是，他们还研究了时间旅行的问题。例如，如果你把一个台球扔进时间机器，它旅行到过去，然后以某种方式与过去的自己相撞，以至于现在的自己永远无法进入时间机器，那会怎么样？“这看起来像是一个悖论，”科斯塔说。
他说，自 20 世纪 90 年代以来，人们对这个话题的兴趣时断时续，但没有重大突破。这个领域今天不是很活跃，部分原因是每个提出的时间机器模型都存在问题。“它有一些吸引人的特点，可能有一些潜力，但是当人们开始梳理细节时，最终会出现某种障碍，”罗德岛大学的 Gaurav Khanna 说。
例如，大多数时间旅行模型都需要负质量——因此也需要负能量，因为正如阿尔伯特·爱因斯坦在发现E = mc2时揭示的那样，质量和能量是同一回事。至少在理论上，正如电荷可以是正的或负的一样，质量也可以是正的或负的——尽管没有人找到过负质量的例子。为什么时间旅行依赖于如此奇异的物质？在许多情况下，需要它来打开虫洞——广义相对论预测的时空中连接宇宙中一个点到另一个点的隧道。
如果没有负质量，引力会导致这个隧道坍塌。“你可以把它看作是对抗想要穿越虫洞的正质量或能量，”戈德堡说。
Khanna 和戈德堡都认为，具有负质量的物质甚至不太可能存在，尽管 Khanna 指出，一些量子现象显示出希望，例如，在非常小的尺度上存在负能量。但他说，这“远未达到”现实的时间机器所需的规模。
这些挑战解释了为什么 Khanna 最初劝阻了当时的马萨诸塞大学达特茅斯分校的研究生卡罗琳·马洛里不要进行时间旅行项目。马洛里和 Khanna 还是继续进行了研究，并提出了一个不需要负质量的理论时间机器。在最简单的形式中，马洛里的想法涉及两辆平行的汽车，每辆都由普通物质制成。如果你停放一辆车，然后以极高的加速度加速另一辆车，那么它们之间就会形成一条闭合类时曲线。
很简单，对吧？但是，虽然马洛里的模型消除了对负物质的需求，但它增加了一个新的障碍：它要求汽车内部具有无限的密度，才能以对时间旅行有用的方式影响时空。无限密度可以在黑洞内部找到，那里的引力非常强烈，以至于将物质挤压成一个令人难以置信的小空间，称为奇点。在该模型中，每辆汽车都需要包含这样一个奇点。“没有大量关于这类事物的主动研究的原因之一是由于这些限制，”马洛里说。
其他研究人员已经创建了涉及虫洞或从宇宙中的一个点到另一个点的时空隧道的时间旅行模型。“这有点像穿越宇宙的捷径，”戈德堡说。想象一下将虫洞的一端加速到接近光速，然后再将其送回原处。“这两端不再同步，”他说。“一端在过去；一端在未来。”在它们之间行走，你就实现了时间旅行。
你也可以通过将虫洞的一端移动到大的引力场（例如黑洞）附近，同时将另一端保持在较小的引力附近来实现类似的事情。这样，时间会在大引力侧减慢，实际上允许粒子或某些其他质量块相对于虫洞的另一侧停留在过去。
然而，制造虫洞需要讨厌的负质量和能量。由正常质量创建的虫洞会因引力而坍塌。“大多数设计都倾向于存在一些类似的问题，”戈德堡说。它们在理论上是可能的，但目前还没有可行的制造方法，有点像美味但无卡路里的披萨。
也许问题不仅仅在于我们不知道如何制造时间旅行机器，还在于除了在微观尺度上之外，时间旅行是不可能实现的——这是已故物理学家斯蒂芬·霍金所持有的观点。他提出了时间顺序保护猜想：宇宙不允许时间旅行，因为它不允许改变过去。“似乎有一个时间顺序保护机构，阻止闭合类时曲线的出现，从而使宇宙对于历史学家来说是安全的，”霍金在1992 年发表在物理评论 D上的一篇论文中写道。
他的部分推理涉及时间旅行会产生的悖论，例如前面提到的台球及其更著名的对应物，祖父悖论：如果你回到过去并在你祖父生孩子之前杀死他，你就不会出生，因此你无法进行时间旅行，因此你不可能杀死你的祖父。然而你却在那里。
然而，这些复杂性正是马萨诸塞理工学院哲学家奥古斯丁·拉约感兴趣的地方，因为这些悖论不仅质疑了因果关系和时间顺序。它们也使自由意志显得可疑。如果物理学说你可以回到过去，那么为什么你不能杀死你的祖父？“是什么阻止了你？”他说。你是不自由的吗？
拉约怀疑时间旅行与自由意志是一致的。“过去的就是过去了，”他说。“因此，如果事实上，我的祖父活得足够长才能有孩子，那么回到过去也不会改变这一点。如果我尝试会失败，为什么？我不知道，因为我对过去的信息了解不够。我所知道的是，我会以某种方式失败。”
换句话说，如果你去杀死你的祖父，你可能会在路上踩到香蕉皮滑倒或错过公共汽车。“这不像你会发现某种特殊的力量迫使你不去做，”科斯塔说。“你会因为非常平凡的原因而无法做到。”
2020 年，科斯塔与当时他在澳大利亚昆士兰大学的本科生 Germain Tobar 合作研究了类似想法的数学基础：时间旅行是可能的，没有悖论，并且具有选择自由。
戈德堡在某种程度上同意他们的观点。“我绝对属于[认为]如果存在时间旅行，它将以产生对历史的自洽观点的方式构建，”他说。“因为这似乎是我们所有其他物理定律的构建方式。”
没有人知道回到过去的时间旅行的未来会怎样。到目前为止，还没有时间旅行者来告诉我们。