物理学上的时间旅行
既然在界定时间旅行时使用的“时间”这个词模棱两可，我们可以进一步将外部或物理时间与内部或个人时间区分开来（这仍然是刘易斯的方法）。在普通世界里，外部时间和个人时间相一致;但在时间旅行者的世界里，却不是这样的。因此，有了这两种时间感，我们就可以根据时间旅行者的个人时间不等于外部时间来进一步解释时间旅行的发生。大多数（但不是全部）时间哲学涉及外部时间。为了自然时间旅行的目的，我们需要对外部时间及其如何变化的科学理解。
牛顿宇宙论
一些哲学家和科学家反对绝对空间、时间和运动的概念，尤其是莱布尼兹、
贝克莱和马赫。马赫驳斥了牛顿的观念，认为时间并没有什么实质性的内容，“我们根本没有能力利用时间测量事物的变化。恰恰相反，时间是一种抽象，只有通过事物的变化我们才能认识它”。对马赫来说，变化比时间更为根本。我们谈论时间“过去”，其实是我们注意到周围的事物在运动和变化，似乎有某种潜在的流动物质，比如说河水，在伴随这些变化发生。我们之所以那样说，只是因为那样说方便而已。我们对时间进行抽象，以便有一种标准的测量工具对变化进行量化。当时，马赫的这些观点对年轻的爱因斯坦产生了很大影响。1905年，爱因斯坦发表了他著名的狭义相对论论文，开始转变我们对空间、时间和运动的理解。
狭义相对论
狭义相对论有两个规定性原则：相对原则和光速的不变性。简单地说，相对原则就是物理定律对任何惯性观察者来说都相同。如果一个观察者的轨迹呈匀速，不受任何力的影响，那么他就是一个惯性观察者。光速的不变性是说所有的惯性观察者测量到的真空中的光速都是3×108米/秒，与他们的速度无关。这个原则隐含在麦克斯韦的电磁学方程式（1873年）里，被迈克尔逊—莫雷干涉仪实验（1887年）证实。
第二个原则深刻地影响了宇宙的模型，光速的常性违背了牛顿物理学。狭义相对论的光速常性取代了牛顿宇宙中时间和距离的常性，空间的间距（像长度）和时间的间距（以及运动）不再是绝对数量。现在，我们不再说一个物体处于一个具体位置而没有一个具体的时间，而是说一个事件，其位置和时间不可分离，我们可以用一个新数量联系两个事件：时空间隔。对任何两个事件来说，其时空间隔对所有惯性观察者来说都是一个绝对数量（即同值）。要想将这个新的量视觉化，就得构建时空图（闵可夫斯基图），
图中的事件由其空间位置（通常局限于一维）和时间限定。因此，时空间隔可能是空（与光的轨迹平行，呈45°角）、类空（时间无变化或基本无变化）或类时（空间位置无变化或基本无变化）。
狭义相对论会给时间旅行带来什么样的后果呢？
首先，我们没有了同时性的常识概念。比如说，对同一个事件，如果一个观察者的惯性坐标系相对另一个观察者以某种速度移动的惯性坐标系静止不动，那么这个事件就发生在两个不同时间。其次，处于相对静止惯性坐标系的观察者可以确定两个事件同时发生，而处于相对移动惯性坐标系的观察者会认为相同的两件事发生在不同的时间。因此，没有通用的或绝对的外部时间，我们只能说在自己的参照系内的外部时间。如果参照坐标系没有同时性，就意味着我们可能体会到时间膨胀。如果你的参照系以光速的1/n移动，那么你的外部时间就会慢于相对你的固定参照系的外部时间。如果我们想象有人在固定参照系内偷窥你参照系里的时钟，他就会看见你的时钟走得很慢。因此，在狭义相对论中就能找到一种自然时间旅行。比如说，有一名宇航员以接近光速在宇宙中旅行了一定距离，他的个人时间还是同样的速度;当他到达目的地然后返回时，却发现他度过的外部时间相当不同。他认识的人都比他老了许多，甚至已经去世几百或几千年。
这样的故事在物理学意义上符合爱因斯坦的狭义相对论宇宙，可是我们的技术能力还达不到那个水准。然而，这些故事仍是自然时间旅行的范例，符合已知的物理定律，没有例外。但是作为时间旅行故事，要求时间旅行者同时是普通的旅行者，这类自然时间旅行者只能到未来旅行。因此，依照狭义相对论的自然时间旅行的局限过多，远远不是我们通常所说的时间旅行。
另外，还有其他限制，比如说质能当量。这个原理发表在爱因斯坦1905年的第二篇论文里。其意思是，有一种能量，它等于静止粒子的质量。当质能当量与能量守恒定律和谐时，就会发现如果一个质停止存在，其能当量必须以某种形式出现，即质与能可以互换。实际上，只有光子这样的无质物体才能以光速移动，它有动能但没有质能。凡是有质的物体，比如人和飞船，一般而言是不能达到光速的，因为这需要无限量的能。
广义相对论
在狭义相对论中，所有的惯性坐标系都等值，虽然这是有用的近似，但从这里看不出如何对惯性坐标系进行解释。马赫说，质的分布决定着空间和时间。可是，它是如何决定的呢？关于这个问题，爱因斯坦于1916年在他的广义相对论里做了解答。狭义相对论实际上是广义相对论的一个子集。广义相对论考虑到了加速的参照系（即非惯性坐标系），因此，考虑了重力现象。时空的形貌是由质的分布形成的，呈动态，可以弯曲，而质“告诉”时空的某个区域如何弯曲。同理，时空区域由此产生的几何决定着该区域内质的运动。
广义相对论的基本原则是等价原则，即重力和加速度是表示相同现象的两个名称。当我们看到宇航员在地球上空沿轨道飞行时，不能说那是一个没有重力的环境。这是因为他仍然处于地球引力场之内的自由下落状态，但由于在区域惯性坐标系中，所以感觉不到自身质的重量。
广义相对论有一种古怪的效果，即光在接近物体时会弯曲。这看上去似乎有点奇怪，因为我们还记得光是没有质量的。光为什么会受引力的影响？光总是直线运行的，它之所以弯曲，是因为时空几何在任何质量附近都是非欧几里得几何。广义相对论的另一个古怪效果是引力影响时间。想象一个匀速系，比如说引擎燃烧期间的火箭，在广义相对论中，火箭底部或尾部的观察者（取决于你想怎样看它运动）看到的火箭顶端或前部的时钟似乎走得快。根据等效原理，地球海平面上的时钟比珠穆朗玛峰峰顶上的时钟走得慢一点儿，因为距离质中心越远，场的强度就越弱。
广义相对论下的自然时间旅行可能吗？有可能，而且有些故事还相当古怪。虽然大多数时空看上去比较平坦，或者有轻微的起伏轮廓，但是物理学家意识到了一个不同寻常和极度拓扑的时空区域，比如旋转的黑洞。
黑洞是恒星完全坍塌时遗留下来的实体，是引力战胜了其他所有的力，这是广义相对论方程式的解决方案预言的。黑洞的奇点产生一个可以越过的圆环或环面，这一点与静态的黑洞不同，静态黑洞的奇点无法穿透。勇敢的宇航员如果能置身于黑洞迅速旋转的中心平面附近（而不掉入其中心），就能享受一次极其不同凡响的时间旅行。在属于自己的短暂一瞬间，这位宇航员会看到黑洞外宇宙的极长的时间跨度，他的时空区域会远离周围宇宙的外部时间，可以想象，他能目睹几千年、几百万年甚至几十亿年的过去。这是一种自然的时间旅行，然而，宇航员（即时间旅行者）的活动受到严重的限制，因为他只能向着未来旅行。
广义相对论的解决方案是否允许旅行到过去呢？允许，但不像旋转的黑洞那样，只是理论上有这样的可能性。
爱因斯坦在普林斯顿的邻居库尔特·哥德尔就研究出了这样一个方案。1949年，哥德尔发现封闭时空的有些世界线能够大幅度弯曲，甚至可以形成一个时空环，他将之称为封闭类时曲线（CTC）。假如你是CTC上的一个物体，你最终会回到你离开的那个时空位置。也就是说，你会回到过去。哥德尔的CTC时空描绘的是一个旋转的宇宙。因此，对CTC来说这是一个极端的例子，并不是一个现实的解决方案，因为目前的宇宙理论认为宇宙是在膨胀，而不是在旋转。
自然时间旅行可以利用的另一类时空区域是虫洞，它能连通两个时间区域和两个空间区域。物理学家基普·索恩推测，如果能够抓住一个带有虫洞入口的黑洞，就可以利用它实现时间旅行，其速度会接近光速。因为时间膨胀，移动的黑洞要比虫洞另一端的静止黑洞老化得慢一些。两个黑洞最终将非同步化，然后存在于不同的外部时间。自然的时间旅行者就能利用这个固定的黑洞，提前几年从他出发时的那个黑洞里出来。如果虫洞自然存在，许多科学家认为它很可能相当不稳定（尤其是考虑到量子效应时），这对我们的时间旅行是很不利的。所以，自然的虫洞需要增加负能量之类的外部因素才能被当作时间机器加以利用。
戈特于1991年提出的另一类CTC使用了两个无限长且极快移动的高密度材料的宇宙弦。原子粗细的两根弦平行反向移动，在相对经过时，会产生严重弯曲的时空，使得时空实现闭合。利用这一特性，自然的时间旅行者在最合适的时刻就可以在两根弦上来回飞行。如果操作得当，他就会提前回到动身的空间点。
上述的CTC拥有一个共同特征，即它们都将CTC描述为业已筑入宇宙的广义相对论的解决方案。自然的时间旅行者必须通过普通的旅行找出这些结构，然后加以利用。然而，截至目前，我们在广义相对论的解决方案中还没有找到类似的CTC演变。不过，人们通常认为存在这样的解决方案，它们需要特别的物理约束，在有限的时空区域内创造一个奇点就是其中之一。进入这个时间旅行的可能区域必须跨越柯西边界，即其内部物理定理未知的奇点沙漏形（两个交叉的宇宙弦）边界。如果能够建造这样一个CTC，第二个约束会限制时间旅行者能够进入的外部时间——CTC创建日之前的时间是旅行无法到达的。
广义相对论下的自然时间旅行面临巨大的技术挑战。前面已经提及的一个难题是稳定性。能量问题也同样严峻，建造并维持可用的虫洞需要奇异量的外来物质（或者类似于大爆炸早期的结构和条件，如负张力边界层、引力真空极化等），宇宙弦需要无限长的超密度物质管道。然而，尽管存在这些技术难题，但自然时间旅行到过去还是符合广义相对论的。
一些物理学家（包括霍金）认识到了沿CTC回到过去的时间旅行的另一个问题：在因果循环内维持物理上的一致性。在这一方面，量子理论的有些解释具有明显的优势。
量子论解释
量子理论的有些方面与时间旅行相关，尤其是量子引力场。大自然的基本力（强核力、电磁力、弱核力及引力）有相对论的量子描述，但将引力和量子理论合并的种种尝试至今仍未成功。在目前的标准原子模型中，所有力都由被称为规范玻色子的虚拟粒子携带。可以说，光子在“真”粒子之间“携带”电磁力，引力子虽然探测不到，但是它“携带”引力。量子理论中引力的这种粒子特性与广义相对论中的几何特性非常不同。调和这两种描述是一个积极的研究领域，许多人希望引力能够像其他基本力那样得到解释。这将最终形成“万有理论”。
科学家对量子理论提出几种解释，其核心问题是纠缠。两个量子系统进入暂时的物理相互作用状态，通过已知力相互影响，然后分离。此时，两个系统不能再用最初交会时的相同方式进行描述。如果使用某种测试设备测量旋转等物理特性，就会发生微状态和宏状态纠缠。按照正统解释，就是状态向量（描述纠缠系统的方程式）降低或从一种重叠跳跃到实际观察到的状态之一。可如果一种纠缠状态“崩溃”会怎么样？正统的解释说不知道，唯一可描述的是观察到的效果，这正是波方程式或状态向量所做的事。
其他解释认为，状态向量根本不会“崩溃”，或者认为状态重叠所有的可能结果都会通过某种方式成为现实。这种多世界版本的解释认为，每个这样的事件发生时，涉及纠缠状态的宇宙会“剥落”形成与该宇宙完全相同的副本。因此，在“崩溃”的任何时刻都会存在两个或更多几乎完全相同的宇宙，可以互见、同样真实，并且随着越来越多的纠缠事件进一步分裂。
许多自然时间旅行故事利用了这些多世界概念。比如在《星际穿越》
中，当“永恒”号穿过虫洞，就不必跨越我们宇宙的时空间隔，而是从“我们的”宇宙跳到了另一个宇宙。多世界宇宙中的自然时间旅行者在返程时将进入一个不同的世界历史。这类故事暗示，我们可以通过时间旅行改变历史事件的结局。因此，我们接下来要面对的，是因果关系和个人同一性的许多矛盾。
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