1895年，赫伯特·喬治·威爾斯發表了他的第一部小說《時間機器》。此時，一個歷史久遠的王朝即將走向衰落，那就是有著200年歷史的牛頓物理時代。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了狹義相對論理論，這讓艾薩克·牛頓的理論遇到了巨大的麻煩，但威爾斯卻因此高興不已。在愛因斯坦的理論中，許多在牛頓構建的世界下不可能發生的事情都有了轉機，比如飛向未來的時間旅行。在牛頓的宇宙中，時間在任何一個地點，任何一個時間都是恆定的：它永遠不會加速，也不會減速。但是，在愛因斯坦看來，時間是相對的。
時間旅行不僅是可能的，它已經實實在在地發生了，儘管和威爾斯的想像可能不完全一樣。根據普林斯頓大學天體物理學家J·理察·戈特所說，迄今旅程最長的時間旅行者是謝爾蓋·克裡卡列夫。在職業生涯中，這位俄羅斯太空人在太空中待了803天。就像愛因斯坦所證明的那樣，相比較那些靜止的物體而言，運動物體的時間流逝會更慢一些。所以當克裡卡列夫在和平號空間站裡以27359千米/小時的速度在軌道上運動時，時間流逝的速率與地球上的並不相同。當克裡卡列夫在空間站時，他比那些地球上的夥伴們年輕了1/48秒。換而言之，他向未來穿行了1/48秒。
A.穿越未來與回到過去
對於高速物體長距離運動而言，時間穿梭的效應更加明顯。如果克裡卡列夫在2015年離開地球，並以光速的99.995%在獵戶座的恆星參宿四（Betelgeuse；距離地球520光年）與地球之間做一趟來回飛行。當他回到地球時，僅僅老了10歲。但非常遺憾的是，那樣的話他認識的所有人都早已去世，因為地球上已經過了1000年，那時地球已是3015年了。戈特說：「我們已經知道，我們可以做到向未來飛越，這僅僅是錢和工程技術的問題。」
儘管在實踐時有很多的困難，但是向前穿越幾個納秒（甚至幾個世紀）卻是非常直觀和容易理解的。然而，回到過去就難得多。起初，愛因斯坦的狹義相對論是禁止向過去穿越的。經過10多年的努力，在他發表廣義相對論時，已經在理論中消除了對回到過去的限制。可是，如何讓人回到過去依舊是一個非常棘手的問題。廣義相對論方程有很多的解，不同的解將會賦予宇宙不同的性質，只有在某些特定的解中，才能創造出可以返回過去的條件。
目前我們還不清楚，其中是不是有一個解確切地描述了我們的宇宙。而這個問題又引出了更深層次的一些研究課題：比如，到底要在基礎物理領域中做出多少細微的調整，才能允許我們回到過去？即使愛因斯坦的理論沒有禁止我們回到過去，但是我們的宇宙本身會不會通過某種方式阻止這樣的旅行？物理學家一直思考著這些問題，並不是因為他們想像著某天時間穿越能成為現實，而是因為思考時間穿越的可能性，能讓我們對自身居住的宇宙有更深入甚至意想不到的認識，比如，最初它是怎麼產生的。
B.不一樣的時間
威爾斯很有先見性地認為，我們生活在一個由三維空間和一維時間交織在一起的四維時空當中。而愛因斯坦的狹義相對論在某種程度上，讓威爾斯十分欣喜，因為它讓時間有了延展性。當時，愛因斯坦在研究什麼？首先，儘管所有的運動都是相對的，但在宇宙任何地方，在任何人看起來，物理定律必須是一樣的。其次，從任何一個參考系觀察，光速必須是不變的：如果每個人都看到了同樣的物理定律在起作用，那麼當他們測量光速時，一定會得到相同的結果。基於這兩點思考，愛因斯坦獲得了突破性的成功。
為了讓光速成為普適的速度限制，愛因斯坦必須拋棄兩個常識性的概念：對於一段給定的長度，所有觀測者得到的觀測結果都一樣；對於所有人來說時間流逝的快慢是一致的。他證明，當一個時鐘快速地經過一個靜止的人時，運動時鐘要比這個人身旁的靜止時鐘走得慢。同時，快速運動的尺子，長度也會縮短。而對與時鐘和尺子按照同一速度運動的人來說，時間的推移和尺子的長度都是正常的。
在低速下運動時，狹義相對論的時空扭曲效應是可以忽略不計的。但是對於運動速度接近光速量級的物體而言，這種效應是真實存在的。比如，許多實驗已經證實，一種叫作μ介子（muon）的不穩定粒子在以接近光速的速度運動時，衰變速率減慢了一個數量級。實際上，這種高速運動的μ介子，就是縮小版的時間旅行者（亞原子層次上的克裡卡列夫），向未來跳躍了幾個納秒。
C.哥德爾的奇異宇宙
那些快速運動的時鐘、尺子和μ介子都是在向未來運動，他們是否能夠回到過去？庫爾特·哥德爾利用廣義相對論描述了一個可以穿越到過去的宇宙，他也是第一個找出這樣的宇宙的人。愛因斯坦70歲生日的時候，哥德爾將這個宇宙模型作為禮物送給了愛因斯坦，但愛因斯坦對這樣的宇宙模型充滿了懷疑。哥德爾所描述的宇宙具有兩個獨特的性質：它是旋轉的，這樣就能提供離心力，防止宇宙中的物質塌縮到一起，也就滿足了愛因斯坦對於任何一個宇宙模型都必須是穩定的要求。但是，它同時允許向過去穿越的時間旅行，這一點讓愛因斯坦深深不安。在哥德爾的宇宙模型中，一個太空旅行者出發後，能夠最終到達她（他）自己過去的某一點，好比旅行者在一個巨大圓柱體的表面走完了一圈。物理學家將這個時空軌跡稱之為「閉合類時曲線」。
在時空中，一個閉合類時曲線可以是任何能夠返回到自身的路徑。在哥德爾的旋轉宇宙中，這樣的曲線就像地球表面的緯度線一樣環繞整個宇宙。物理學家已經設計出了很多不同類型的閉合類時曲線，至少在理論上，所有這些曲線都是允許回到過去的。不過，沿著任何一條曲線的旅行都會顯得平淡無奇，甚至讓人失望，你通過飛船的舷窗看到是恆星和行星這些宇宙空間中的尋常景象。更為重要的是，在這次的旅途中，你自己鐘錶上的時間將會按照正常的速率向前流逝，儘管你會回到過去的一個時空位置上，但是時鐘的指針卻並不會因此反向轉動。
朱利安·巴伯是一位獨立的理論物理學家，他住在英國牛津附近。他說：「早在1914年的時候，愛因斯坦已經意識到了閉合類時曲線可能存在。」據巴伯回憶，愛因斯坦曾說過：「我的直覺強烈地反對它。」這類曲線的存在會給因果律帶來各種各樣的問題。如果事情已經發生，過去如何能被改變？還有一個古老的祖父悖論：如果一個時間旅行者在他的祖父遇見他的祖母之前，就將祖父殺死，那麼在這個時間旅行者身上會發生些什麼，這位瘋狂的旅行者還會出生嗎？
幸運的是，對於那些因果論的愛好者來說，天文學家目前沒有發現任何宇宙在旋轉的證據。哥德爾自己也曾苦心鑽研星系列表，尋找可能證明自己理論的線索。或許哥德爾沒有設計出一個真實的宇宙模型，但是他的確證明了閉合類時曲線和廣義相對論的方程是完全相容的。物理定律並沒有排除向過去穿越的可能。
D.這種可能性有多大？
在過去的幾十年中，宇宙學家已經利用愛因斯坦的方程，構建了許多不同的閉合類時曲線。哥德爾要求在整個宇宙有某種特性才能使其存在，但是，最近的一些熱衷於時空穿梭的人發現，在宇宙局部區域彎曲時空也能製造出閉合類時曲線。
在廣義相對論中，行星、恆星、星系和其他大質量天體都會彎曲時空。彎曲的時空反過來將會引導這些大質量物體的運動。就像後來的物理學家約翰·惠勒所說的：「時空告訴物體如何運動；物體告訴時空如何彎曲。」在非常極端的情形中，時空或許能彎曲到一定的程度，從而創造出從現在回到過去的路徑。
物理學家們已經提出了一些非常奇怪的機制，試圖創造這樣的路徑。在1991年的一篇文章中，戈特證明如何在兩根宇宙弦（一種無限長，比原子尺度還要薄的結構，或許形成於宇宙早期）交匯的地方產生閉合類時曲線。1983年，加州理工學院的物理學家基普·索恩開始探討一種叫作蟲洞的閉合類時曲線的可能性（蟲洞是一種連接不同時空地點的通道），這種蟲洞或許允許回到過去。「在廣義相對論中，如果你連接了兩個不同的空間區域，那麼你也連接了不同的時間區域」，肖恩·M·卡羅爾說，他是索恩在加州理工學院的同事。
進入蟲洞的入口將是球形的，它是一個進入四維通道的三維入口。像所有的閉合類時曲線一樣，通過蟲洞的旅行「和其他旅行沒什麼不同」，卡羅爾說，「並不是你在這個時刻消失，然後在另外一個時刻被重新組裝起來。目前還沒有任何合適的理論允許這種科幻似的時間旅行」。對於所有的旅行者而言，他補充道：「時間都是在一秒一秒地向前流逝，只是你當地時間『向前』的速率和宇宙其他地方不那麼同步而已。」
儘管物理學家能夠寫出描述蟲洞或者其他閉合類時曲線的方程，但所有的模型都有嚴重的問題。卡羅爾說：「首先，為了得到一個蟲洞，你需要負能量。」一塊空間中的能量會自發漲落，當它小於零時，就會出現負能量。如果沒有負能量，蟲洞的球形入口和四維通道就會瞬時向內塌縮。對於能被負能量一直支撐，並且保持開放狀態的蟲洞，卡羅爾說：「看起來非常困難，甚至是不可能的。在物理上看來，負能量也是很糟糕的一件事。」
即使負能量能夠保持蟲洞敞開，在你想藉此製造時間機器時，「粒子會穿過蟲洞，而且每個粒子都會來回穿梭無限多次，」卡羅爾說，「這可會產生無窮大的能量。」而巨大的能量會讓時空變形，使整個蟲洞塌縮成黑洞（一個在時空中無限緻密的點）。卡羅爾說：「我們不是100%確信這一切會發生，但是看起來非常有可能。實際上宇宙正在通過製造黑洞來阻止你製造一架時間機器。」
和誕生自廣義相對論的自然產物（黑洞）不同，蟲洞和閉合類時曲線是人為構造出來，這是用來測試理論邊界的一種方式。「黑洞很難避免，」卡羅爾說，「但閉合類時曲線的產生卻是非常困難的。」
即使蟲洞在現實環境中行不通，但它符合廣義相對論的事實也有重要的意義。「我覺得非常奇妙，即使距離將時間旅行掃地出門只有一步之遙，但我們就是沒法做到，這也讓我有些懊惱，」卡羅爾說。更令人惱火的是，在愛因斯坦優美的理論中，居然允許存在看起來幾乎不可行的事情。但是仔細考慮這些令人心煩的可能性，物理學家或許可以對我們所居住的宇宙有更深入的理解。或許，如果我們宇宙不允許向過去穿越，那它就根本不會存在。
E.一場新的較量
著名的物理學家理察·費曼將我們的宇宙比喻為一場在神之間進行的西洋棋比賽，科學家們試圖在不知道規則的情況下理解這場比賽。在看到神將士兵向前移動一格時，我們學到了一個規則：士兵只能向前移動一格。但是，如果這只是因為我們從未看到比賽的開始，沒看到那時的兵可以向前移動兩步呢？我們或許會錯誤地假設，兵永遠只能是士兵，它們永遠不會改變身份，直到我們看到兵變成為一個後。「你或許會說，那違反了規則，你不能將兵變成後！」但是，其實是可以的。只是你之前沒有看到過那麼極端的比賽而已。時間旅行的研究大抵也是那樣，我們通過查看一些極端環境來測試物理定律。對於向過去穿越的時間旅行，邏輯上沒有任何限制，只是它不符合我們已經熟悉甚至習慣的宇宙而已。將兵變成一個後，很可能僅僅是相對論規則的一部分。
相比於物理，這些瘋狂的推測和想法更貼近哲學。但是，量子力學和廣義相對論（強大並且反直覺的理論）已是目前能夠幫助我們弄明白這個宇宙的全部理論。「只要人們試圖將量子理論和廣義相對論帶到這個話題中，我想說的第一件事就是，他們並不是真的知道自己在做什麼，」紐約大學的科學哲學家蒂姆·莫德琳說，「這些都不是嚴謹的數學，因為有部分看起來像廣義相對論的，另一部分又看起來像量子理論的，通過某種不夠和諧的方式組合在一起。但這也是人們必須要去做的，說實在的，他們還不知道如何通過一套行之有效的辦法向前推進。」
在未來，會不會出現新的理論，完全否定向過去穿越的可能性？或者說，新的理論讓我們再次驚嘆原來宇宙比我們想像的更加奇怪？在愛因斯坦重新定義了時間之後，物理學開始突飛猛進。曾經，時間穿越只存在於威爾斯的小說中，現在，我們在現實生活中，至少能夠實現向未來穿越。
本文由《環球科學》雜誌社供稿（撰文 蒂姆·福爾傑（Tim Folger） 翻譯 苟利軍）