H. G. 威尔斯于 1895 年发表了他的第一部小说《时间机器》，就在维多利亚女王对英国长达六十年的统治结束前几年。一个更为持久的王朝也即将结束：拥有 200 年历史的牛顿物理学时代。1905 年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他的狭义相对论，推翻了艾萨克·牛顿的苹果车，并让威尔斯欣喜若狂的是，牛顿定律下不可能发生的事情成为了可能：时间旅行到未来。在牛顿的宇宙中，时间在任何地方、任何时候都是稳定的；它永远不会加速或减速。但对于爱因斯坦来说，时间是相对的。
时间旅行不仅是可能的，而且已经发生了，尽管与威尔斯的想象并不完全一样。普林斯顿大学的天体物理学家 J. Richard Gott 认为，迄今为止最大的时间旅行者是谢尔盖·K·克里卡列夫。在他的漫长职业生涯中，从 1985 年开始，这位俄罗斯宇航员在太空度过了 803 天多一点的时间。正如爱因斯坦所证明的那样，对于运动中的物体来说，时间比静止的物体流逝得更慢，因此当克里卡列夫以每小时 17,000 英里的速度在和平号空间站上疾驰时，时间对他来说与地球上的时间流逝速度不同。当克里卡列夫在轨道上运行时，他比他的地球同胞衰老了 1/48 秒。从另一个角度来看，他旅行到了 1/48 秒的未来。
对于更远的距离和更高的速度，时间旅行效应更容易看到。如果克里卡列夫在 2015 年离开地球，并以光速的 99.995% 往返参宿四（一颗距离地球约 520 光年的恒星），那么当他返回地球时，他只会老 10 岁。可悲的是，他认识的每个人都早已去世，因为地球上已经过去了 1000 年；那将是 3015 年。“时间旅行到未来，我们知道我们可以做到，”戈特说。“这只是金钱和工程的问题！”
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尽管存在实际挑战，但跳跃几个纳秒或几个世纪到未来是相对简单的。但回到过去则更难。爱因斯坦的狭义相对论禁止这样做。经过十年的工作，爱因斯坦公布了他的广义相对论，最终解除了这一限制。然而，实际上一个人将如何回到过去，这是一个令人烦恼的问题，因为广义相对论的方程有许多解。不同的解为宇宙赋予了不同的性质——并且只有一些解创造了允许时间旅行到过去的条件。
这些解是否描述了我们自己的宇宙是一个悬而未决的问题，这引发了更深刻的探究：究竟需要对基础物理学进行多少调整才能允许时间倒流？即使爱因斯坦的方程没有排除这种可能性，宇宙本身是否以某种方式阻止了这种旅行？物理学家们继续推测，不是因为他们想象时间旅行会变得实用，而是因为思考这种可能性已经对我们所居住的宇宙的本质产生了一些令人惊讶的见解，包括，也许，它是如何首先形成的。
看待时间的新方式
凭借他的狭义相对论，爱因斯坦以一种方式使时间变得可塑，这一定让威尔斯感到高兴，威尔斯先见之明地认为我们居住的宇宙中，三维空间和时间被编织成一个四维整体。爱因斯坦通过探索两个基本思想的含义，得出了他的革命性成果。首先，他认为，即使所有运动都是相对的，物理定律对于宇宙中任何地方的每个人来说都必须看起来相同。其次，他意识到光速对于所有视角来说都必须是同样不变的：如果每个人都看到相同的物理定律在运行，那么他们在测量光速时也必须得出相同的结果。
为了使光成为普遍的速度限制，爱因斯坦不得不抛弃两个常识性概念：所有观察者都会就给定长度的测量结果达成一致，并且他们也会就时间流逝的持续时间达成一致。他表明，一个运动中的时钟，在静止的人身边呼啸而过，会比这个人身边的静止时钟走得更慢。并且快速移动的尺子的长度会缩短。然而，对于任何以与时钟和尺子相同的速度行进的人来说，时间的流逝和尺子的长度将显得正常。
在普通速度下，狭义相对论的时间和空间扭曲效应可以忽略不计。但对于以接近光速的分数移动的任何物体来说，这些效应都是非常真实的。例如，许多实验已经证实，当称为 μ子的不稳定粒子以接近光速的速度运动时，它们的衰变率会减慢一个数量级。实际上，高速 μ子是微小的时间旅行者——亚原子克里卡列夫——跳跃到未来几个纳秒。
哥德尔的奇异宇宙
那些高速时钟、尺子和 μ子都在时间中向前飞驰。它们能被倒转吗？第一个使用广义相对论来描述允许时间旅行到过去的宇宙的人是库尔特·哥德尔，著名的不完备性定理的创立者，该定理限制了数学可以证明和不能证明的范围。他是 20 世纪最杰出的数学家之一——也是最古怪的数学家之一。他的许多怪癖包括吃婴儿食品和泻药。
哥德尔将这个模型宇宙作为礼物送给爱因斯坦，庆祝他的 70 岁生日。哥德尔向他持怀疑态度的朋友描述的宇宙有两个独特的属性：它旋转，这提供了离心力，阻止了引力将宇宙中的所有物质挤压在一起，创造了爱因斯坦要求的任何宇宙模型的稳定性。但它也允许时间旅行到过去，这让爱因斯坦深感不安。在哥德尔的宇宙中，太空旅行者可以出发并最终到达他们自己过去的某个点，就好像旅行者完成了绕巨型圆柱体表面的环路一样。物理学家将时空中的这些轨迹称为“封闭类时曲线”。
封闭类时曲线是时空中任何自环的路径。在哥德尔的旋转宇宙中，这样一条曲线将环绕整个宇宙，就像地球表面上的纬度线一样。物理学家已经设计出许多不同类型的封闭类时曲线，所有这些曲线都允许时间旅行到过去，至少在理论上是如此。然而，沿着其中任何一条曲线的旅程都将令人失望地平凡：通过宇宙飞船的舷窗，您会看到恒星和行星——所有深空的常见景象。更重要的是，时间——以您自己的时钟测量——将以通常的方式向前走；即使您正在前往时空中存在于您过去的位置，时钟的指针也不会开始倒转。
“早在 1914 年，爱因斯坦就已经意识到封闭类时曲线的可能性，”住在英格兰牛津附近的独立理论物理学家朱利安·巴伯说。正如巴伯回忆的那样，爱因斯坦说，“我的直觉最强烈地反对这一点。”这些曲线的存在会给因果关系带来各种各样的问题——如果过去已经发生，又如何改变过去？还有古老的祖父悖论：一个时间旅行者在他祖父遇到祖母之前杀死了他的祖父，会发生什么？这个精神错乱的旅行者会出生吗？
幸运的是，对于因果关系的爱好者来说，天文学家没有发现任何证据表明宇宙正在旋转。哥德尔本人显然仔细研究了星系目录，寻找他的理论可能为真的线索。哥德尔可能没有设计出现实的宇宙模型，但他确实证明了封闭类时曲线与广义相对论方程完全一致。物理定律并未排除时间旅行到过去的可能性。
一个恼人的可能性
在过去的几十年里，宇宙学家使用爱因斯坦的方程构建了各种各样的封闭类时曲线。哥德尔构想了一个允许它们的整个宇宙，但最近的爱好者只在我们宇宙的部分区域扭曲了时空。
在广义相对论中，行星、恒星、星系和其他大质量物体会扭曲时空。反过来，扭曲的时空会引导这些大质量物体的运动。正如已故物理学家约翰·惠勒所说，“时空告诉物质如何运动；物质告诉时空如何弯曲。”在极端情况下，时空可能会弯曲到足以创造一条从现在回到过去的路径。
物理学家已经提出了一些奇异的机制来创造这样的路径。在 1991 年的一篇论文中，戈特展示了宇宙弦——可能在早期宇宙中形成的无限长、比原子还细的结构——将如何在两条弦相交的地方允许封闭类时曲线。1983 年，加州理工学院的物理学家基普·S·索恩开始探索一种称为虫洞的封闭类时曲线的可能性——一种连接时空中两个不同位置的隧道——可能允许时间旅行到过去。“在广义相对论中，如果你连接两个不同的空间区域，你也在连接两个不同的时间区域，”索恩在加州理工学院的同事肖恩·M·卡罗尔说。
虫洞的入口将是球形的——一个进入时空中四维隧道的入口。正如所有封闭类时曲线的情况一样，穿越虫洞的旅程将“像任何其他旅程一样”，卡罗尔说。“您不会消失并在某个其他时间时刻重新组装。没有哪种体面的理论认为那种科幻时间旅行是可能的。”他补充说，对于所有旅行者，“无论他们做什么，时间都以每秒一秒的速度向前流逝。只是您当地版本的‘向前’可能与宇宙的其他部分在全球范围内不同步。”
尽管物理学家可以编写描述虫洞和其他封闭类时曲线的方程，但所有模型都存在严重问题。“首先要得到一个虫洞，你需要负能量，”卡罗尔说。负能量是指空间体积中的能量自发波动到小于零。如果没有负能量，虫洞的球形入口和四维隧道将瞬间内爆。但是，负能量维持打开的虫洞“似乎很难，可能是不可能的”，卡罗尔说。“负能量在物理学中似乎是一件坏事。”
即使负能量使虫洞保持打开状态，就在您即将将其变成时间机器时，“粒子将通过虫洞移动，并且每个粒子都会无限次地循环回来，”卡罗尔说。“这会导致无限量的能量。”由于能量会使时空变形，因此整个物体将坍缩成黑洞——时空中一个无限密集的点。“我们不能 100% 确定这种情况会发生，”卡罗尔说。“但这似乎是一个合理的可能性，即宇宙实际上正在通过制造黑洞而不是时间机器来阻止您制造时间机器。”
与黑洞是广义相对论的自然结果不同，虫洞和一般的封闭类时曲线是完全人为的构造——一种测试该理论界限的方法。“黑洞很难避免，”卡罗尔说。“封闭类时曲线很难制造。”
即使虫洞在物理上是难以置信的，但它们符合广义相对论这一点意义重大。“我们非常接近排除时间旅行的可能性，但我们就是无法做到。我也认为这很烦人，”卡罗尔恼怒地说，爱因斯坦的美丽理论可能会允许如此看似难以置信的事情。但是，通过思考这种恼人的可能性，物理学家可能会更好地理解我们所居住的宇宙类型。并且，如果宇宙不允许时间倒流，它可能永远不会存在。
宇宙创造了自己吗？
广义相对论描述了最大尺度上的宇宙。但量子力学提供了原子尺度的操作手册，它为封闭类时曲线提供了另一种可能的场所——一种可以追溯到宇宙起源的场所。
“在非常小的尺度上——10–30 厘米——您可能会期望时空的拓扑结构发生波动，如果没有任何基本的东西阻止它们，随机波动可能会给您带来封闭类时曲线，”威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家约翰·弗里德曼说。这些量子波动能否以某种方式被放大和利用为时间机器？“当然没有正式的证据表明你不能拥有宏观封闭类时曲线，”弗里德曼说。“但是研究过这些一般性问题的人们会非常肯定地反对它。”
毫无疑问，在量子尺度或宇宙尺度上创建时空环路都需要一些非常极端的物理学。戈特说，最有可能期望极端物理学的地方是宇宙的最初。
1998 年，戈特和现任中国北京大学天体物理学家的李立新发表了一篇论文，他们在论文中认为，封闭类时曲线不仅是可能的，而且对于解释宇宙的起源至关重要。“我们研究了宇宙是否可能是自己的母亲——宇宙开始时的时间环路是否会让宇宙创造自己成为可能，”戈特说。
戈特和李的宇宙“开始于”一场暴胀——就像在标准大爆炸宇宙学中一样，全方位的能量场推动了宇宙的初始膨胀。现在许多宇宙学家认为，暴胀产生了无数个除了我们自己的宇宙之外的其他宇宙。“一旦暴胀开始，就很难停止，”戈特说。“它形成了一棵无限分支的树。我们是其中一个分支。但你必须问自己，树干是从哪里来的？李立新和我说，可能是其中一个分支只是环绕一圈并长大成为树干。”
戈特和李的自启动宇宙的简单二维草图看起来像数字“6”，底部是时空环路，顶部是我们现在的宇宙。戈特和李推测，暴胀爆发使宇宙从时间环路中逃脱出来，并膨胀成我们今天居住的宇宙。
这个模型很难思考，但戈特说，它的主要吸引力在于它消除了从虚无中创造宇宙的需要。然而，塔夫茨大学的亚历山大·维连金、剑桥大学的斯蒂芬·霍金和加州大学圣巴巴拉分校的詹姆斯·哈特尔已经提出了宇宙确实从虚无中产生的模型。根据量子力学定律，空的空间并不是真正的空，而是充满了自发地出现和消失的“虚”粒子。霍金和他的同事们推测，宇宙是从同样的量子真空炖汤中爆发出来的。但在戈特看来，宇宙不是由虚无构成的；它是由某种东西——它自己——构成的。
宇宙象棋游戏
目前，没有办法测试这些理论中的任何一个是否真的可以解释宇宙的起源。著名物理学家理查德·费曼将宇宙比作诸神正在下的一盘伟大的象棋。他说，科学家们试图在不了解规则的情况下理解这场游戏。我们看着诸神将一个兵向前移动一格，我们学到了一条规则：兵总是向前移动一格。但是，如果我们从未见过一局游戏的开局，那时兵可以向前移动两格呢？我们也可能会错误地认为，兵总是保持兵——它们永远不会改变自己的身份——直到我们看到一个兵变成女王。“你会说这违反了规则，”戈特说。“你不能把你的兵变成女王。好吧，是的，你可以！你只是从未见过如此极端的游戏。时间旅行研究就像那样。我们正在通过观察极端条件来测试物理定律。时间旅行到过去在逻辑上并非不可能；只是它不是我们习惯的宇宙。”将兵变成女王可能是相对论规则的一部分。
这些狂野的推测性想法可能更接近于哲学而不是物理学。但就目前而言，量子力学和广义相对论——强大、违反直觉的理论——是我们用来弄清宇宙的全部。纽约大学的科学哲学家蒂姆·莫德林说：“一旦人们开始尝试将量子理论和广义相对论引入其中，首先要说的是，他们真的不知道自己在做什么。”“这实际上不是严格的数学。它是一部分看起来有点像广义相对论的数学，另一小部分看起来有点像量子理论的数学，以某种并非完全连贯的方式混合在一起。但这就是人们必须做的，因为他们真的不知道如何以有意义的方式前进。”
未来的某个理论会消除时间旅行到过去的可能性吗？或者宇宙会再次变得比我们想象的更奇怪吗？自从爱因斯坦重新定义我们对时间的理解以来，物理学取得了巨大的进步。时间旅行，在威尔斯看来只存在于小说领域，现在已成为一种被证实的现实，至少在一个方向上是这样。我们是否难以相信宇宙中存在某种对称性，允许我们回到过去？当我向戈特提出这个问题时，他用一个轶事回答
“有一个故事说爱因斯坦在和一个家伙说话。那家伙拿出一个笔记本并潦草地写下了一些东西。爱因斯坦说，‘那是什么？’那家伙说，‘一个笔记本。每当我有一个好主意时，我都会把它写下来。’爱因斯坦说，‘我从来不需要笔记本；我只有过三个好主意。’”
戈特总结道：“我认为我们正在等待一个新的好主意。”