时间旅行或称时空旅行、时光旅行或穿越时空等，泛指人或物体由某一时间点移至另一时间点，类似在空间中的移动。所有事物都顺着时间一分一秒地自然前进，因此这里的时间旅行单指违反这种自然时间变化的方式：前往未来，或是回到过去。这在哲学和虚构作品中是广为人知的概念。时间旅行通常借着存在于假想中的时间机器进行，这概念因1895年H·G·威尔斯的小说《时间机器》而普及起来。根据目前的物理学，无法确定是否可能进行回溯时间旅行（回到过去）；而在狭义相对论和广义相对论的架构下，朝向未来的时间旅行已被透彻了解，且是经过大量观测的现象。然而，现今的科技无法让一物相对于另一物的时间超越或延迟超过几毫秒。至于回溯的时间旅行，找到允许这件事的广义相对论解不是不可能，但符合该解的条件可能在物理上无法达成。理论物理学对时空旅行的支持非常有限，通常只牵涉到量子力学或虫洞。
时间旅行概念的历史
一些古老的神话描绘了跳跃至未来的人物。印度神话中，梵文史诗《摩诃婆罗多》提到卡卡德米国王的故事。故事中的国王前往天堂与创造神梵天会面，回到地球后发现已经过了许多年。[1]佛教的《巴利三藏》提到时间的相对性，其中《弊宿经》讲述佛陀一位主要门徒摩诃迦叶解释天堂的时间流逝和地球不同。[2]《日本书纪》首次描述的日本故事〈浦岛太郎〉讲述一位名浦岛太郎的年轻渔夫造访了海底的宫殿，三天后回家时发现外界已经过了300年。[3][4]《后汉书·郡国志》中记载了〈烂柯山〉的故事：有个人上山砍柴，看到两个人在下棋，便于一旁观棋。他才观棋不久，手上斧头的握柄已经烂掉了，回家后更发现世间已过了百年。[5]
科幻
早期的科幻故事的特点为让角色沉睡多年，醒后发现身处改变了的社会，或被超自然现象送至过去。路易·萨巴斯钦·梅西耶所著的《2440年，一个似有若无的梦》（1770）、华盛顿·欧文所著的《李伯大梦》（1819）和爱德华·贝拉米所著的《回顾》（1888）等作品，就是用这样的手法来进行时间旅行。[6]
最早描绘回溯时间旅行的作品不确定为何者。萨缪尔·麦登的《二十世纪回忆录》（1733年）是英国大使在1997年和1998年向外交官发出的一系列信件，传达了未来的政治和宗教信仰情况。[7]:95–96因为叙述者表示他从自己的守护天使收到这些信件，保罗·阿尔康在他的书《未来派小说的起源》（Origins of Futuristic Fiction）中称“英国文学中第一位时间旅人是守护天使”。[7]:85麦登没有解释天使是如何获得这些文件的，但阿尔康声称麦登“是第一个摆玩时间旅行想法的人，值得受到认可。摆玩形式为将人造产物从未来送至过去，并于现在发现”。[7]:95–96在科幻小说选集《遥远的边疆》（1951）中，编辑奥古斯特·德莱斯认为关于时间旅行的早期短篇小说是《错失马车：一个时代错误的故事》（Missing One's Coach: An Anachronism），由一位匿名作家于1838年为《都柏林文学杂志》（Dublin Literary Magazine）撰写。[8]当叙述者在树下等待离开纽卡斯尔的马车时，被送回了一千多年前。他在修道院遇到了圣比德，并向他说明未来几个世纪的发展。然而，故事从未明确说明这些事件是真实的还是幻想。[9]:11–38关于时间旅行的另一早期作品是亚历山大·维尔特曼于1836年出版的《卡利梅罗斯的祖先：亚历山大，马其顿的菲利普的儿子》（The forebears of Kalimeros: Alexander, son of Philip of Macedon）。[10]
查尔斯·狄更斯的《小气财神》（1843年）很早就描绘了双向的时间旅行：主角史古基被送到过去和未来的圣诞节。其他故事使用相同的模板，也就是让角色自然睡着，并于醒来时发现自己处于不同的时间。[11]法国植物学家兼地质学家皮埃尔·博伊德于1861年出版的著名书籍《人类出现前的巴黎》（Paris avant les hommes，Paris before Men）中，有一个更为清晰的回溯时间旅行例子。在这个故事中，主角被送回史前时代，并在那里与古生物有所互动。[12]艾德华·艾弗雷特·海尔的《别干涉》（Hands Off，1881）讲述一个不知名存在的故事，可能是最近死去的人的灵魂，他借由阻止约瑟的奴役而干涉了古埃及的历史。这可能是第一个以时间旅行为基础创建架空历史的故事。[13]:54
早期时间机器
〈倒转的时钟〉是首批借着时间机器进行时间旅行的故事之一，由艾华·佩奇·米谢尔所著[14]，并于1881年刊登在《纽约太阳报》上。然而该时间机器的运作机制属于幻想的范畴，此机器是一个不寻常的时钟，它的时间会往回跑并将周围的人送回过去。作者没有对时钟的来源或性质多作解释。[13]:55恩里克·加斯帕尔-林包的《逆时间而行者》（1887）可能是第一个使用设计过的交通工具进行时间旅行的故事。[15][16]安德鲁·索耶评论该故事“似乎确实是迄今为止的记录上第一个对时间机器进行文学描述的作品”，并补充：“〈倒转的时钟〉常被称为第一个时间机器的故事，但我不确定那个时钟是否算得上时间机器。”[17]H·G·威尔斯的《时间机器》（1895）让借着机械进行时间旅行的概念普及了起来。[18]
哲学
古希腊时代的哲学家已经开始讨论时间的本质，如巴门尼德提出“时间是幻觉”的观点。几个世纪后，牛顿支持绝对时间的概念，而同时代的莱布尼兹认为时间只是事件之间的关系，不能独立表达。其中后者最终产生了相对论的时空观。[19]
当下主义与永恒主义
许多哲学家认为，相对论意味着永恒主义，即过去和未来在真正意义上存在，而不仅仅是曾经发生或将要发生的变化。[20]科学哲学家迪恩·瑞克尔斯（Dean Rickles）不同意其中一些描述，但指出“哲学家之间的共识似乎是，狭义和广义相对论与当下主义不相容。”[21]一些哲学家认为时间的维度和空间的维度相等，未来的事件就像空间中不同地点一样“已经存在”了，客观的时间流并不存在；不过这种观点有争议。[22]
当下主义是一个哲学学派，认为未来和过去对于现在只是已经发生或将要发生的变化，没有真正的存在。这种观点认为不存在可以前往的未来和过去，因此不可能进行时间旅行。[20]西门·凯勒（Simon Keller）和尼尔森（Nelson）认为，即使过去和未来的对像都不存在，关于过去和未来的事件仍有可以确定的事实，因此未来的时间旅人决定回到现在的事实可能可以解释时间旅人出现于现在的原因；[23]这些观点受到一些人质疑。[24]
经典时空的当下主义认为只有现在存在；这与狭义相对论有所冲突，如下例所示：甲和乙是事件的同时观察者。对甲而言，事件同时发生，但对于乙，事件已经发生或尚未发生。因此，甲和乙认为的“现在存在的东西”并不相同，这与经典的当下主义相矛盾。“此时此地当下主义”试图通过承认单一点的时间和空间来调和这一点。结果差强人意：除非并不存在一个具有特权的“此时此地”，也就是不存在“真正的”存在，否则成为和离开“此时此地”的物体将在真实和不真实之间交替。“相对论的当下主义”承认无限多参考系的存在，每个参考系同时发生的事件可能不同，因此无法区分单个“真实”存在，也就是所有事件都是真实的——处于当下主义和永恒主义之间的模糊地带——或者每个参考系都存在于它自己的现实中。狭义相对论中当下主义的选择似乎已经用尽，但是哥德尔和其他人认为当下主义可能对某些形式的广义相对论有效。[25]一般而言，绝对时间和空间的概念被认为与广义相对论不相容：对于在不同时间发生的事件的绝对位置没有普遍的真理，因此没有办法确定某一时间、空间中的某个点，在另一个时间是否处于所谓“相同的位置”[26]，而且根据微分同胚不变原理，所有坐标系统都处于平等地位。[27]
祖父佯谬
祖父佯谬为反对时间旅行的常见论点之一。[28]如果能够回到过去，时间旅人改变的任何事情都会和他出发时空的事实产生矛盾。[29][30]祖父佯谬通常描述了一个人回到过去并杀死自己的祖父，从而抹杀自己父亲或母亲的存在，间接也抹杀了自己存在的根据。[31]哲学家因这些佯谬而质疑应该不可能进行时间旅行。一些哲学家则认为可能可以回到过去，但不可能对过去做出任何实质改变[32]，这个概念类似于物理学上的诺维科夫自洽性原则。
本域论佯谬
可共存性
根据可共存性的哲学理论，若要考虑时间旅行的背景下可能发生的事，则必须考虑到所有与该情况相关的事情脉络。如果过去以某种方式发生了某件事，那件事在过去便不可能再以其他方式呈现。为了防止逻辑上的矛盾，时间旅人造访过去所能发生的事限定为已经发生过的事。[33]
自洽性原则
以伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫命名的诺维科夫自洽性原则指出，时间旅人或其所采取的任何行动都是历史的一部分，因此时间旅人绝不可能“改变 ”历史。时间旅行的行为可能是他们自己过去事件的原因，这可能会导致因果循环，有时称为命定佯谬[34]、本域论佯谬[35]或鞋带佯谬[35][36]。罗伯特·海莱因的故事《By His Bootstraps》普及了鞋带佯谬一词。[37]诺维科夫的自洽性原则提出，时间旅人所在的时空区域和任何其他时空区域的的本地（local）物理定律不可能有任何不同。[38]
哲学家凯利·罗斯（Kelley L. Ross）在《时间旅行佯谬》（Time Travel Paradoxes）[39]中指出，涉及世界线或历史在时间上形成闭环的物理对象的情况，可能违反了热力学第二定律。罗斯用《时光倒流七十年》作为这种本域论佯谬的一个例子，在这种佯谬中，手表被赋予一个人，60年后，同一只手表因回溯时间而被带回来并被赋予同一人。罗斯表示手表的熵会增加，且每次回溯并重复那段历史时都会变得更旧。现代物理学家将热力学第二定律理解为统计定律，因此减少熵或不增加熵并非完全不可能，只是不太可能。此外，孤立系统的熵在统计上增加，而与外部世界相互作用的非隔离系统（例如一物体）可以变新并减少熵。因此，世界线形成环的物体可以在其历史上的同一点始终处于相同的状态。[40]:23
物理学中的时间旅行
根据狭义相对论和广义相对论等，恰当的时空几何或空间中特定的移动方式可能可以容许进行朝向过去或未来的时间旅行（如果能实现那样的几何和移动）[41]:499。物理学家在技术论文中探讨了封闭类时曲线（闭时曲线）的可能性。闭时曲线是世界线在时空中形成的闭环，容许物体回到自身的过去。广相中有描述时空的方程，已知有些方程的解包含闭时曲线，如哥德尔时空。不过那些解物理上的可信性仍不确定。
许多科学社群认为不太可能实现回溯的时间旅行。所有容许时间旅行的理论均会产生因果关系上的问题[42]，祖父佯谬就是经典的例子：“若有人回到父亲出生前的过去，并杀了自己的祖父，会发生什么事？”诺维科夫和多伊奇等物理学家表示，借由诺维科夫自洽性原则或多世界诠释的变体可避免此类时间佯谬。[43]命定悖论是时间旅行的另一个悖论。
广义相对论
某些广相时空几何容许超光速旅行，而那样的时空几何理论上容许进行回溯的时间旅行，如宇宙弦、允许双向通行的虫洞、阿库别瑞引擎。[44][40]:33–130根据半经典重力理论，考虑量子效应的情况下，广义相对论在科学基础上容许回溯的时间旅行；反之若不考虑量子效应，这些可能性便不存在。[45]这些半经典论证使霍金架构出时序保护假说，暗示自然基础法则会阻止时间旅行。[46]然而，缺乏完全统一了量子力学和广相的量子引力理论的情况下，物理学家对此事无法给出明确的判断。[31][47]:150
时空几何
广义相对论以决定时空度规（距离函数）的场方程组描述宇宙。这些方程有精确解，解里包含了封闭类时曲线。闭时曲线是和自身相交的世界线，造成那个交点的因是过去的那个点，这个点未来的果也是该点，这情况和时间旅行类似。这种解首次被库尔特·哥德尔提出，被称为哥德尔度规。但这种解要求宇宙必须有某些物理特性，而有些特性是以前并没显示拥有的[41]:499，如旋转和缺乏哈勃膨胀。广相是否对所有实际条件禁止闭时曲线这点仍在研究。[48]
虫洞
虫洞是一种假想中扭曲的时空，是广相中爱因斯坦场方程的一个解。[49]:100假想中，借由可穿越虫洞进行时间旅行的时间机器以下列方式运作：将虫洞的一端用某种先进的推进系统加速到接近光速，再拉回原本所在的位置。另一种方法是将虫洞的一个入口移到比另一个入口更大的重力场之中，再将它拉到另一入口附近的位置。因为时间膨胀的关系，这两种方法会让虫洞外部的观察者觉得两端的时间过得不一样：被移动那端经过的时间比静止那端来的少。然而，虫洞中时间流逝的方式和外部不同，无论两端如何移动，虫洞两端的同步时钟始终维持同步，穿越虫洞的观察者观察到的也是如此。[41]:502这代表进入被移动端的观察者会在同一时间从静止端出来，在外部观察者看来即是回到了过去。这种时间机器有个重大限制，就是它最早只能回到最初创造机器的时候[41]:503。本质上来讲，它更像一条时间通道，而非能穿越时间的设备。而且，它不会允许时间机器的技术本身回到过去。
根据目前的理论，虫洞若要让物体穿越，必须存在具有负能量的物质，该种物质通常称为异物质。技术上而言，虫洞时空要求的能量分布违反了各种能量条件，如零能量条件、弱能量条件、强能量条件、主能量条件。然而，已知量子效应允许在可测量范围内稍微违反零能量条件[49]:101，而且由于量子物理学中的卡西米尔效应，许多物理学家认为负能量确实可能存在。[50]早期的计算表明需要的负能量非常大量，不过后来的计算显示负能量的量可以任意小。[51]
麦特·维瑟于1993年认为，如果没有诱导量子场（inducing quantum field）和重力效应，虫洞不是坍塌就是两个入口互相排斥，使两个口无法接近至足以引起违背因果关系的可能的距离。[52]然而，维瑟在1997年一篇论文中假设，在以对称多边形排列的N个虫洞配置一个复杂的罗马环，仍可使虫洞作为时间机器。虽然他认为这个结论更有可能是经典量子引力的缺陷所导致，而不是因果关系能够违反的证明。[53]
基于广义相对论的理论
另一种方法涉及一个密度很高并且在旋转的圆柱体，通常称为提普勒柱体。这是广义相对论的一个解，由威廉·范·斯托克姆[54]于1936年、柯涅流斯·蓝佐斯[55]于1924年发现。直到弗兰克·迪普勒[56]于1974年的分析出来之前，人们不认为这个解代表闭时曲线是可能的[57]:21。如果一个无限长的圆柱体围绕其长轴旋转得足够快，则以螺旋形路径围绕圆柱体飞行的太空船将可以进行回溯或朝向未来的时间旅行（取决于其螺旋方向）。然而，圆柱体所需的密度和旋转速度非常大，普通物质的强度不足以承受，无法用以构建该圆柱体。宇宙弦可以用以构建类似的设备，但目前仍尚未确认宇宙弦是否存在，并且似乎不可能创造新的宇宙弦。物理学家罗恩·梅里特正在尝试用环形激光重建旋转黑洞的条件，以便弯曲时空、创造能够进行时间旅行的条件。[58]
史蒂芬·霍金对基于旋转圆柱或宇宙弦的时间旅行方案提出更基本的反对意见，他证明了一个定理：根据广义相对论，不可能在一个满足弱能量条件的区域中建造特殊类型的时间机器（利用紧凑产生的柯西视界进行时间旅行的机器），因为满足弱能量条件意味着该区域不含具有负能量密度的物质（奇异物质）。使用数学方法会更容易分析提普勒这类假设无限长圆柱体的解，虽然提普勒认为如果旋转速度足够快，有限圆柱体也可能会产生闭时曲线[57]:169，但他没有证明这一点。但是霍金指出由于他的定理，“这不是在到处都是正能量密度的地方能达成的事！我可以证明，建立有限的时间机器需要负能量。”[47]:96这个结果源自霍金1992年关于时序保护猜想的论文，他在那篇文章中探讨了“在有限时空区域违背因果关系而没有曲率奇点的情况”，并证明“那里将存在紧凑生成的柯西视界，并且通常包含一或多个不完整的闭合零测地线。人们可以定义几何量以衡量洛伦兹变换和围绕这些闭合零测地线增加的面积。如果因果关系的违背是从非紧凑的初始表面发展而来，则柯西视界上必违反平均弱能量条件。”[46]该定理不排除以下可能性：借由非紧凑生成的柯西视界（例如多伊奇-波利策时间机器，Deutsch-Politzer time machine）进行时间旅行，或者在包含奇异物质的区域中时间旅行。这将用于可穿越的虫洞或阿库别瑞引擎。
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