時光機是赫伯特·威爾斯1895年的著作《時空大挪移》中的能夠進行時間旅行的機器。一位著名科學家推演出了“時間是空間的第四維度”理論，并在此基礎上發明了世界上第一臺時光機，開啟了對未來時空的探索之旅。根據相對論，時空被視為四維結構，時間膨脹效應和引力場扭曲理論為時間旅行提供了數學基礎。但也開啟了回到過去、穿越未來成了科幻小說的一大主題。
科幻現實
自從威爾斯在1895年寫下《時光機器》這部膾炙人口的小說后，時光旅行就一直是科幻小說的流行主題。可是這真的造得出來嗎？我們真能造部機器把人傳送到過去或未來嗎？
在過去數十年中，時光旅行一直是和科學殿堂沾不上邊的，但近年來，這個話題已經開始在不受限的時光旅行竟成可能，甚或只是原理上行得通，則此一統理論的本質也會受到徹底的影響。
在各種科幻小說中，時光旅行是最令人激動的設想之一。人們設想在登上時光機器后，可以在瞬間回到他所希望前往的那個時代。那么，人類是否真的進行時空旅行？是否真的可以通過機器回到過去？哥倫比亞大學學者認為現有理論存在缺陷，單向未來旅行可能實現，但逆向旅行仍處于理論探討階段；霍金“時間保護猜想”指出時間旅行面臨根本性悖論，當前技術無法操控所需能量密度。
美國哥倫比亞大學物理學家、暢銷書作者布萊恩·葛林說，很多人都有過進行時光旅行的想法，他們或者是為了與故去的親密愛人重逢，或者是希望能制止慘絕人寰的殺戮等。時光旅行不失為一種美好的愿望，它為各種科幻小說提供了絕妙的素材。關于如何回到過去，人們曾進行了無數的設想。“這些設想，如果仔細推敲，都是在跟物理學打擦邊球。我們認為，所有這些設想，幾乎無一成立。”
我們對時間的最佳認識是從阿爾伯特·愛因斯坦的相對論而來。在相對論問世前，一般認為時間是既絕對又普適，不論所處物理環境為何，它對每個人都一樣。在其狹義相對論中，愛因斯坦倡議，我們測到的兩個事件的時間間隔，會取決于觀察者如何運動。重要的一點是，做不同運動的兩位觀察者感受同樣兩個事件，這兩事件間流逝的時間并不相同。
四度空間
在物理學上，時間被認為是除了長、寬、高之外的第四度空間。當你從家里走到零售店時，你在空間的三個維度都作了位移：長度、寬度、高度。其實，你也在第四維度時間維度--進行了運動。
查爾斯還表示，根據天體物理學理論進行的推測表明，對于空間上的三個維度，人們可以來去自如。但對于時間維度，人們就無法如此自由了。在四維時空中，對于時間維，人們只能向前，不可能向后倒退。時間和空間在時空四維構造中密不可分。
紐約城市大學天體物理學家、《空間：我們在宇宙中的家》一書的作者查爾斯說，“時間和空間在時空四維構造中密不可分”。查爾斯進一步解釋說，時空可以看作是一塊四維的彈性纖維。“當任何有質量的物體--你、我、以至一顆行星或其它星星--落到這塊纖維上時，它就會激起一片漣漪。這個漣漪，相當于由帶質量的物體引起的時空彎曲”。時空彎曲使物體沿著一條彎曲的路線運動，空間的曲率就是我們所熟知的重力加速度。
宇宙弦
另外一個時空旅行愛好者津津樂道的理論是宇宙弦理論。宇宙弦理論說的是，在不斷膨脹的宇宙中，有貫穿整個宇宙的能量管。這些細細的管子，是早期宇宙的殘留，據說質量非常之大，可以造成周圍時空的巨大彎曲。
里查德-格特是美國普林斯頓大學的天文物理學家，曾著有《在愛因斯坦的宇宙中作時空旅行》一書。里查德-格特說，“宇宙弦或者是無限長，或者是成環形，它們沒有起始點。它們就像意大利面那樣，或者是圍成圓形的意大利面條。兩種弦理論是互不干涉的。由于它們都能給時空帶來巨大彎曲，因此它們在理論上都給時光旅行提供了可能性。這是一個只有超級文明才有可能達到的目標，這遠不是目前的我們所能做到的。我們甚至連自己星球上的能源都控制不了。”
但是，仍有一些科學家認為，回到過去在理論上是可能的，雖然這不大符合實際。里查德-格特同時也認為，人類可以在地球上看到某些短暫的宇宙粒子。對于人類來說，這些粒子的行程大約有數千年，但粒子感覺其穿越太空、到達地球的過程僅僅用了幾分鐘時間。實際上，這些宇宙粒子已經進入了未來。基于阿爾伯特·愛因斯坦的理論，可以將空間充分扭曲來制造一個局部的重力場，就如同一個能夠以任意大小呈現的炸面包圈一樣。重力場繞著這一炸面包圈圍成一個圓圈，這樣就使得空間和時間都能緊緊地“彎曲”到過去。盡管很難描述這一“炸面包圈”在現實生活中的樣子，但數學公式顯示，時光機器中每一階段的時間都將在“炸面包圈”內的某一個空間內產生。
理論上說，在時光機器制成后回到過去的任一時間都是可能的。但到目前為止仍然有一個小小的障礙還未得到解決，那就是如何產生重力“炸面包圈”。科學家們進行過大量研究和思考，發現可能需要推動一個高質量物體做高速圓周運動。
難成現實
查爾斯在接受記者采訪時說，從數學上講，你當然可以說某種東西正沿著時間軸往后退。但在實際上，無論是你還是我，都無法回到過去。
卡庫也表示了相同的觀點，他說，如果存在一個萬能理論的話，人類就可以通過時間隧道解決所有的上述難題，看時間旅行是否真的可行。“但這需要比我們目前的科技能力要先進得多得多的技術。不要幻想明天就有一個年輕天才在報紙上發表聲明，說自己已經發明出了什么時間機器。”
格特目前正在擔任一部關于時光旅行的電影《超時空效應》的科學顧問。他在接受記者采訪時表示，目前，關于在時間維度進行旅行，唯一確定的是每過去一分鐘，我們就向未來邁出了一步。所以，對于那些想知道地球在一百萬年之后是什么樣子的人，科學家們有好消息等著他們。“如果你想知道地球在一百萬年以后是什么樣子，我可以告訴你怎么做”。格特給出的方法是：建造一艘宇宙飛船。以光速行駛一定的時間，然后再回到地球。當你走出飛船的那一刻，你可能就在一百萬年之后的地球上了，而你本人，可能才只長了一歲。這樣，你去未來地球旅行的愿望就實現了。
時光隧道
關于時光旅行，人們有過很多美麗的遐想，最成熟的一個設想是通過蟲洞。人們設想，通過蟲洞，可以將兩個不同的時空連接在一起。相連的兩個時空，可以是兩個完全不同的宇宙，也可以是同一宇宙的兩個不同地方。任何物體都可以通過蟲洞，從一個時空自由出入另一個時空。
紐約城市大學物理學家、《多維空間》和《平行世界》兩本書的作者米奇奧·卡庫說，“蟲洞連接著將來，也連接著過去。但我們別太樂觀了，因為供應時間機器的燃料絕不是人類目前的技術所能達到的”。卡庫說，在時空這個物體上“鉆孔”，需要一顆星星那么大的能量，或者相反，需要來自比“無”還要少的其它星體上的“負能量”。
弦律專家邁克爾·格林對上述設想提出質疑。超弦理論主張宇宙萬物都是由一連串緊密排列的微細能量組成，隨著它們不同的震動模式而衍生出不同的狀態和現象。
格林說，“很多人對這種做法是否管用持懷疑態度。最樂觀的估計是，如果你能打開這樣一個孔，你就能從一個地點快速到達另一個地點，或者從一個時刻迅速趕往另一個時刻。”
建造蟲洞
1.尋找或制造一個蟲洞：這是連接空間中兩地點的一種隧道。大的蟲洞也許自然存在于太空深處，是大爆炸的遺跡。要不然我們就只好拿次原子蟲洞來充數。它們可能自然存在（有人說它們就在你我周遭不斷冒出又消失），或是人造的（譬如此處所想像，由粒子加速器制造）。這些小蟲洞必須放大到有用的大小，譬如用上類似大爆炸后讓空間膨脹的能量場。
2.使蟲洞穩定：注入負能量，譬如利用開斯米效應（Casimir effect）等量子方式，使訊號或物體得以安全穿越蟲洞。蟲洞傾向於擠壓成一個密度無窮大或近乎無窮大的點，而負能量可對抗這個趨勢；換言之，它會避免蟲洞變成黑洞。
3.拖曳蟲洞：假設有一艘具有高度先進科技的航天飛機，會將蟲洞的兩個口分開。其中一個開口或許可置放於中子星表面附近。中子星是極度致密、有強大重力場的星球，此強重力場會使時間過得慢多了。由于時間在蟲洞的另一開口處過得較快，此兩開口便在空間及時間上都被分開來了。
未來可能
速度是讓時間往前跳的一個辦法，而重力是另一個辦法。在阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論中，他預言了重力會讓時間變慢。時鐘在閣樓上會比在地下室中走得稍快些，因為地下室較接近地心，所以是在比較強的重力場中。同理，時鐘在太空中跑得比在地面上快。再一次地，該效應是極其微小的，但我們已運用準確的時鐘直接測量到了。事實上，這些時間扭曲效應在全球定位系統中都必須計入，否則水手、計程車司機及巡弋飛彈會發現自己竟偏離路線許多公里。
在中子星表面，重力場強到會讓時間比地球時間延遲了30%。從這種星球看到我們這里發生的事件，就像把錄影帶往前快轉一樣。黑洞更是時間扭曲的極端范例：在它的表面上，時間相對于地球而言是靜止不動的，這表示如果你從黑洞旁邊掉進去的話，則在你到達表面的那一小段時間內，外面的宇宙就已經歷了滄海桑田的永恒。所以自外界看來，黑洞附近的區域簡直是時間的化外之地，因此，如果有位太空人可以貼近黑洞再折回而毫發無傷的話（我得說，這是很唐吉訶德式的英勇舉動），那他應可躍入遠遠的未來。
光速飛行
嚴格來說光速是世界上最快的速度，但人類根本沒辦法達到光速，科學界斷言人類現有的飛行器想達到光速除非同時燃燒地球上所有的能量。
換句話說人類能理解的推理無非是物質反作用推進力，然而這是自然界最落后，利用效率最低的辦法。也就是說人類想實現光速旅行和時光機的發明就得找到另一種外引力方式，而想要實現這點，是難上加難！
相關效應
如果一個鐘，以0.5倍音速從原點遠去，我們會聽到什么現象呢？
一秒鐘時，它距離原點0.5聲秒距離報1秒，但這個事件我們在原點聽見，需要再過0.5秒，于是我們發現，在本地鐘1.5秒時，遠處的鐘報1秒，本地鐘3秒時，遠離的鐘報2秒，也就是我們在忽略測量時間時，誤以為遠去的鐘慢了。而且速度越快，鐘慢得越厲害。超過聲速我們將追上鐘以前發出的聲音，也就是先聽到鐘敲3下，報3點，再聽到鐘敲2下，報2點，然后聽到鐘敲1下，報1點，這就是超過聲速時間倒流現象！
鐘慢、尺縮、時間倒流現象，都可以用聲音試驗做出類似效果，被稱為多普勒效應。
然而，盡管看起來相似，多普勒效應和相對論有以下幾點區別：
1.公式不同。觀測者相對于介質靜止時，多普勒效應的“鐘慢”（或“鐘快”）公式為△t=△t0 (u+v)/u ，其中v為聲源相對于觀測者的遠離速度，接近時v取負號，△t和△t0分別表示觀測者聽到的時間和原有的時間，u表示音速。而相對論中慣性參考系的公式為△t=△t0/sqr(1-v^2/c^2），△t0為原有的時間，v為光源相對于觀測者的遠離速度,c為光速。
2.△t的含義不同。在相對論中，△t的含義是首先先在觀測者所在參考系中的不同點校對時間以使時鐘同步。然后光源到哪里，就用哪里的時間。換句話說，光源到達A地方這個事件和到達B地方事件的時間間隔△t是指在觀測者所在參考系中A地方和B地方的時鐘所記錄的事件的發生時間的差。而在聲音實驗中，△t的含義是聲音傳到觀測者處的時間間隔。若在聲音實驗中采取相對論△t的含義，將得到△t=△t0 ；若在相對論中采取聲音實驗△t的含義，將得到光的多普勒效應公式△t=△t0/sqr[(1+v/c)/(1-v/c）]。
3.多普勒效應中遠離觀測者時出現“鐘慢尺縮”，接近觀測者時出現“鐘快尺漲”，這對應于公式中v的正負號問題，而相對論無論接近還是遠離都是鐘慢尺縮，這對應于永遠非負的v平方項。如果雙生子中的一個以近光速往返，那么他（她）就會變得年輕，這里的年輕是從細胞到記憶各個年齡指標的全面的內在的年輕。而如果只是以近音速往返，那么接近和遠離的多普勒效應剛好抵消，兩人年齡一致，只不過遠離時聽起來時間過得更慢，返回時時間聽起來過得更快罷了。
4.在聲速實驗中可以出現超聲速，其后果是簡單的表象的“時間倒流”，就像你可以錄音后隨意地倒放錄音一樣，不會發生奇異現象，這對應于△t成為負數。但如果出現超光速，直接套公式后會出現負數開根號的問題，洛倫茲變換直接崩潰，這也是內在和外在區別的一個體現。相對論E=mc^2=m0c^2/sqr(1-v^2/c^2）表明需要無限的能量因而不可能把靜止質量為正的物體增加到光速，這反對了超光速時光機的出現。然而，在量子力學里，一只貓可以既死既活，因果關系等都需要重新理解，與相對論結合后才有可能支持時光機。與之相關的討論，科學界尚未達成共識，有待科學家研究。
邏輯疑問
十多年前，斯蒂芬·霍金曾經問過這樣一個問題：假如時間旅行是可能的，為什么在我們周圍至今尚未充斥著來自未來世界的時間旅行者呢？這個問題的潛臺詞是：時間旅行者沒有來到我們周圍，最有可能的原因是時間旅行在整個時間長河中——也就是永遠——都沒有實現過。當然，霍金并沒有把這樣的問題當作是對時間機器的一個認真的理論詰難。不過，他的這個問題還是引起了一些物理學家的思考，并且他們找到了一種可能的回答：即我們目前所知的有可能實現時間旅行的理論模型，有一個很可能具有普適性的共同特點，那就是不允許時間旅行者回到時間機器存在之前的年代。因此，假如公元2500年有人建造出了時間機器，那么時間旅行者只能訪問公元2500年之后的年代，他們永遠無法來到我們周圍，更無法像一些科幻小說描繪的那樣，回到史前時代去捕捉恐龍——那些歷史已經或將要無可挽回地被時間長河所吞沒，就像美國物理學家邁克爾·格林(布萊恩·葛林)所說的：在時間機器建造成功之前的每一個年代，都將成為我們以及我們的子孫后代永遠無法觸及的歷史。
從這個意義上講，如果時間旅行是可能的話，早一天建造出時間機器就是多拯救一天歷史。
對于這個問題，理論物理學家加來道雄則認為，螞蟻和現代人之間的距離就像現代人和可以操控普朗克能量的文明之間的距離一樣（普朗克能量是探測非常小的距離以及操控時間機器所需要的能量，遠大于我們目前可操控的能量）。因此，時間旅行者即使真的存在，也并不一定會主動接觸現代人。
相對論
1905年，阿爾伯特·愛因斯坦在他的相對論中說：時間是相對的，當我們以接近或超過光速的運動的時候，時間會很慢或靜止，也就是說，如果一個人以接近光速旅行，那么時間對他來說就會停滯，這太令人振奮了，當人乘坐接近光速的飛船去旅行，在旅行的過程中時間就會變慢，因此，當他再回到地球的時候就可能已經過了一個世紀。對他來說，只要花很少的時間就能進入未來世界。
參考資料 >
時間機器.豆瓣讀書.2024-03-27
時光機.豆瓣閱讀.2024-03-27
用時光機開啟科幻小說元年.澎湃新聞.2024-03-27
科學家稱人類無法通過時光機器回到過去(圖).新浪科技.2015-09-02
新聞聯播疑現“愛因斯坦”網友稱時光機顯威力(組圖).網易新聞.2015-09-02
建造蟲洞時光機器的三個步驟.搜狐IT.2015-09-02
到未來，到底可不可能？.搜狐IT.2015-09-02
吳中祥：時間旅行,可望而不可及的夢.新浪網.2018-12-12
加來道雄：時間旅行可以實現.網易.2018-12-12
相對論中的說法.搜狐IT.2015-09-02