既然在界定時(shí)間旅行時(shí)使用的“時(shí)間”這個(gè)詞模棱兩可，我們可以進(jìn)一步將外部或物理時(shí)間與內(nèi)部或個(gè)人時(shí)間區(qū)分開(kāi)來(lái)（這仍然是劉易斯的方法）。在普通世界里，外部時(shí)間和個(gè)人時(shí)間相一致;但在時(shí)間旅行者的世界里，卻不是這樣的。因此，有了這兩種時(shí)間感，我們就可以根據(jù)時(shí)間旅行者的個(gè)人時(shí)間不等于外部時(shí)間來(lái)進(jìn)一步解釋時(shí)間旅行的發(fā)生。大多數(shù)（但不是全部）時(shí)間哲學(xué)涉及外部時(shí)間。為了自然時(shí)間旅行的目的，我們需要對(duì)外部時(shí)間及其如何變化的科學(xué)理解。

牛頓宇宙論

牛頓認(rèn)為，空間、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，即整個(gè)宇宙是一個(gè)統(tǒng)一的慣性坐標(biāo)系，時(shí)間按照永恒的速度均勻地通過(guò)這個(gè)坐標(biāo)系，與任何外部因素?zé)o關(guān)。在牛頓宇宙中，自然時(shí)間旅行是不可能的，空間或時(shí)間沒(méi)有自然時(shí)間旅行可以利用的屬性或形貌。威爾斯筆下的時(shí)間旅行故事，超越了牛頓物理學(xué)的界限，是非科學(xué)時(shí)間旅行的范例。

一些哲學(xué)家和科學(xué)家反對(duì)絕對(duì)空間、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)的概念，尤其是萊布尼茲、貝克萊和馬赫。馬赫駁斥了牛頓的觀念，認(rèn)為時(shí)間并沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性的內(nèi)容，“我們根本沒(méi)有能力利用時(shí)間測(cè)量事物的變化。恰恰相反，時(shí)間是一種抽象，只有通過(guò)事物的變化我們才能認(rèn)識(shí)它”。對(duì)馬赫來(lái)說(shuō)，變化比時(shí)間更為根本。我們談?wù)摃r(shí)間“過(guò)去”，其實(shí)是我們注意到周?chē)氖挛镌谶\(yùn)動(dòng)和變化，似乎有某種潛在的流動(dòng)物質(zhì)，比如說(shuō)河水，在伴隨這些變化發(fā)生。我們之所以那樣說(shuō)，只是因?yàn)槟菢诱f(shuō)方便而已。我們對(duì)時(shí)間進(jìn)行抽象，以便有一種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量工具對(duì)變化進(jìn)行量化。當(dāng)時(shí)，馬赫的這些觀點(diǎn)對(duì)年輕的愛(ài)因斯坦產(chǎn)生了很大影響。1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了他著名的狹義相對(duì)論論文，開(kāi)始轉(zhuǎn)變我們對(duì)空間、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)的理解。

狹義相對(duì)論

狹義相對(duì)論有兩個(gè)規(guī)定性原則：相對(duì)原則和光速的不變性。簡(jiǎn)單地說(shuō)，相對(duì)原則就是物理定律對(duì)任何慣性觀察者來(lái)說(shuō)都相同。如果一個(gè)觀察者的軌跡呈勻速，不受任何力的影響，那么他就是一個(gè)慣性觀察者。光速的不變性是說(shuō)所有的慣性觀察者測(cè)量到的真空中的光速都是3×108米/秒，與他們的速度無(wú)關(guān)。這個(gè)原則隱含在麥克斯韋的電磁學(xué)方程式（1873年）里，被邁克爾遜—莫雷干涉儀實(shí)驗(yàn)（1887年）證實(shí)。

第二個(gè)原則深刻地影響了宇宙的模型，光速的常性違背了牛頓物理學(xué)。狹義相對(duì)論的光速常性取代了牛頓宇宙中時(shí)間和距離的常性，空間的間距（像長(zhǎng)度）和時(shí)間的間距（以及運(yùn)動(dòng)）不再是絕對(duì)數(shù)量?，F(xiàn)在，我們不再說(shuō)一個(gè)物體處于一個(gè)具體位置而沒(méi)有一個(gè)具體的時(shí)間，而是說(shuō)一個(gè)事件，其位置和時(shí)間不可分離，我們可以用一個(gè)新數(shù)量聯(lián)系兩個(gè)事件：時(shí)空間隔。對(duì)任何兩個(gè)事件來(lái)說(shuō)，其時(shí)空間隔對(duì)所有慣性觀察者來(lái)說(shuō)都是一個(gè)絕對(duì)數(shù)量（即同值）。要想將這個(gè)新的量視覺(jué)化，就得構(gòu)建時(shí)空?qǐng)D（閔可夫斯基圖），圖中的事件由其空間位置（通常局限于一維）和時(shí)間限定。因此，時(shí)空間隔可能是空（與光的軌跡平行，呈45°角）、類(lèi)空（時(shí)間無(wú)變化或基本無(wú)變化）或類(lèi)時(shí)（空間位置無(wú)變化或基本無(wú)變化）。

狹義相對(duì)論會(huì)給時(shí)間旅行帶來(lái)什么樣的后果呢？首先，我們沒(méi)有了同時(shí)性的常識(shí)概念。比如說(shuō)，對(duì)同一個(gè)事件，如果一個(gè)觀察者的慣性坐標(biāo)系相對(duì)另一個(gè)觀察者以某種速度移動(dòng)的慣性坐標(biāo)系靜止不動(dòng)，那么這個(gè)事件就發(fā)生在兩個(gè)不同時(shí)間。其次，處于相對(duì)靜止慣性坐標(biāo)系的觀察者可以確定兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，而處于相對(duì)移動(dòng)慣性坐標(biāo)系的觀察者會(huì)認(rèn)為相同的兩件事發(fā)生在不同的時(shí)間。因此，沒(méi)有通用的或絕對(duì)的外部時(shí)間，我們只能說(shuō)在自己的參照系內(nèi)的外部時(shí)間。如果參照坐標(biāo)系沒(méi)有同時(shí)性，就意味著我們可能體會(huì)到時(shí)間膨脹。如果你的參照系以光速的1/n移動(dòng)，那么你的外部時(shí)間就會(huì)慢于相對(duì)你的固定參照系的外部時(shí)間。如果我們想象有人在固定參照系內(nèi)偷窺你參照系里的時(shí)鐘，他就會(huì)看見(jiàn)你的時(shí)鐘走得很慢。因此，在狹義相對(duì)論中就能找到一種自然時(shí)間旅行。比如說(shuō)，有一名宇航員以接近光速在宇宙中旅行了一定距離，他的個(gè)人時(shí)間還是同樣的速度;當(dāng)他到達(dá)目的地然后返回時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)他度過(guò)的外部時(shí)間相當(dāng)不同。他認(rèn)識(shí)的人都比他老了許多，甚至已經(jīng)去世幾百或幾千年。

這樣的故事在物理學(xué)意義上符合愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論宇宙，可是我們的技術(shù)能力還達(dá)不到那個(gè)水準(zhǔn)。然而，這些故事仍是自然時(shí)間旅行的范例，符合已知的物理定律，沒(méi)有例外。但是作為時(shí)間旅行故事，要求時(shí)間旅行者同時(shí)是普通的旅行者，這類(lèi)自然時(shí)間旅行者只能到未來(lái)旅行。因此，依照狹義相對(duì)論的自然時(shí)間旅行的局限過(guò)多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是我們通常所說(shuō)的時(shí)間旅行。

另外，還有其他限制，比如說(shuō)質(zhì)能當(dāng)量。這個(gè)原理發(fā)表在愛(ài)因斯坦1905年的第二篇論文里。其意思是，有一種能量，它等于靜止粒子的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)能當(dāng)量與能量守恒定律和諧時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)如果一個(gè)質(zhì)停止存在，其能當(dāng)量必須以某種形式出現(xiàn)，即質(zhì)與能可以互換。實(shí)際上，只有光子這樣的無(wú)質(zhì)物體才能以光速移動(dòng)，它有動(dòng)能但沒(méi)有質(zhì)能。凡是有質(zhì)的物體，比如人和飛船，一般而言是不能達(dá)到光速的，因?yàn)檫@需要無(wú)限量的能。

廣義相對(duì)論

在狹義相對(duì)論中，所有的慣性坐標(biāo)系都等值，雖然這是有用的近似，但從這里看不出如何對(duì)慣性坐標(biāo)系進(jìn)行解釋。馬赫說(shuō)，質(zhì)的分布決定著空間和時(shí)間。可是，它是如何決定的呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，愛(ài)因斯坦于1916年在他的廣義相對(duì)論里做了解答。狹義相對(duì)論實(shí)際上是廣義相對(duì)論的一個(gè)子集。廣義相對(duì)論考慮到了加速的參照系（即非慣性坐標(biāo)系），因此，考慮了重力現(xiàn)象。時(shí)空的形貌是由質(zhì)的分布形成的，呈動(dòng)態(tài)，可以彎曲，而質(zhì)“告訴”時(shí)空的某個(gè)區(qū)域如何彎曲。同理，時(shí)空區(qū)域由此產(chǎn)生的幾何決定著該區(qū)域內(nèi)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。

廣義相對(duì)論的基本原則是等價(jià)原則，即重力和加速度是表示相同現(xiàn)象的兩個(gè)名稱(chēng)。當(dāng)我們看到宇航員在地球上空沿軌道飛行時(shí)，不能說(shuō)那是一個(gè)沒(méi)有重力的環(huán)境。這是因?yàn)樗匀惶幱诘厍蛞?chǎng)之內(nèi)的自由下落狀態(tài)，但由于在區(qū)域慣性坐標(biāo)系中，所以感覺(jué)不到自身質(zhì)的重量。

廣義相對(duì)論有一種古怪的效果，即光在接近物體時(shí)會(huì)彎曲。這看上去似乎有點(diǎn)奇怪，因?yàn)槲覀冞€記得光是沒(méi)有質(zhì)量的。光為什么會(huì)受引力的影響？光總是直線運(yùn)行的，它之所以彎曲，是因?yàn)闀r(shí)空幾何在任何質(zhì)量附近都是非歐幾里得幾何。廣義相對(duì)論的另一個(gè)古怪效果是引力影響時(shí)間。想象一個(gè)勻速系，比如說(shuō)引擎燃燒期間的火箭，在廣義相對(duì)論中，火箭底部或尾部的觀察者（取決于你想怎樣看它運(yùn)動(dòng)）看到的火箭頂端或前部的時(shí)鐘似乎走得快。根據(jù)等效原理，地球海平面上的時(shí)鐘比珠穆朗瑪峰峰頂上的時(shí)鐘走得慢一點(diǎn)兒，因?yàn)榫嚯x質(zhì)中心越遠(yuǎn)，場(chǎng)的強(qiáng)度就越弱。

廣義相對(duì)論下的自然時(shí)間旅行可能嗎？有可能，而且有些故事還相當(dāng)古怪。雖然大多數(shù)時(shí)空看上去比較平坦，或者有輕微的起伏輪廓，但是物理學(xué)家意識(shí)到了一個(gè)不同尋常和極度拓?fù)涞臅r(shí)空區(qū)域，比如旋轉(zhuǎn)的黑洞。黑洞是恒星完全坍塌時(shí)遺留下來(lái)的實(shí)體，是引力戰(zhàn)勝了其他所有的力，這是廣義相對(duì)論方程式的解決方案預(yù)言的。黑洞的奇點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)可以越過(guò)的圓環(huán)或環(huán)面，這一點(diǎn)與靜態(tài)的黑洞不同，靜態(tài)黑洞的奇點(diǎn)無(wú)法穿透。勇敢的宇航員如果能置身于黑洞迅速旋轉(zhuǎn)的中心平面附近（而不掉入其中心），就能享受一次極其不同凡響的時(shí)間旅行。在屬于自己的短暫一瞬間，這位宇航員會(huì)看到黑洞外宇宙的極長(zhǎng)的時(shí)間跨度，他的時(shí)空區(qū)域會(huì)遠(yuǎn)離周?chē)钪娴耐獠繒r(shí)間，可以想象，他能目睹幾千年、幾百萬(wàn)年甚至幾十億年的過(guò)去。這是一種自然的時(shí)間旅行，然而，宇航員（即時(shí)間旅行者）的活動(dòng)受到嚴(yán)重的限制，因?yàn)樗荒芟蛑磥?lái)旅行。

廣義相對(duì)論的解決方案是否允許旅行到過(guò)去呢？允許，但不像旋轉(zhuǎn)的黑洞那樣，只是理論上有這樣的可能性。

愛(ài)因斯坦在普林斯頓的鄰居庫(kù)爾特·哥德?tīng)柧脱芯砍隽诉@樣一個(gè)方案。1949年，哥德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)封閉時(shí)空的有些世界線能夠大幅度彎曲，甚至可以形成一個(gè)時(shí)空環(huán)，他將之稱(chēng)為封閉類(lèi)時(shí)曲線（CTC）。假如你是CTC上的一個(gè)物體，你最終會(huì)回到你離開(kāi)的那個(gè)時(shí)空位置。也就是說(shuō)，你會(huì)回到過(guò)去。哥德?tīng)柕腃TC時(shí)空描繪的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的宇宙。因此，對(duì)CTC來(lái)說(shuō)這是一個(gè)極端的例子，并不是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決方案，因?yàn)槟壳暗挠钪胬碚撜J(rèn)為宇宙是在膨脹，而不是在旋轉(zhuǎn)。

自然時(shí)間旅行可以利用的另一類(lèi)時(shí)空區(qū)域是蟲(chóng)洞，它能連通兩個(gè)時(shí)間區(qū)域和兩個(gè)空間區(qū)域。物理學(xué)家基普·索恩推測(cè)，如果能夠抓住一個(gè)帶有蟲(chóng)洞入口的黑洞，就可以利用它實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行，其速度會(huì)接近光速。因?yàn)闀r(shí)間膨脹，移動(dòng)的黑洞要比蟲(chóng)洞另一端的靜止黑洞老化得慢一些。兩個(gè)黑洞最終將非同步化，然后存在于不同的外部時(shí)間。自然的時(shí)間旅行者就能利用這個(gè)固定的黑洞，提前幾年從他出發(fā)時(shí)的那個(gè)黑洞里出來(lái)。如果蟲(chóng)洞自然存在，許多科學(xué)家認(rèn)為它很可能相當(dāng)不穩(wěn)定（尤其是考慮到量子效應(yīng)時(shí)），這對(duì)我們的時(shí)間旅行是很不利的。所以，自然的蟲(chóng)洞需要增加負(fù)能量之類(lèi)的外部因素才能被當(dāng)作時(shí)間機(jī)器加以利用。

戈特于1991年提出的另一類(lèi)CTC使用了兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)且極快移動(dòng)的高密度材料的宇宙弦。原子粗細(xì)的兩根弦平行反向移動(dòng)，在相對(duì)經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重彎曲的時(shí)空，使得時(shí)空實(shí)現(xiàn)閉合。利用這一特性，自然的時(shí)間旅行者在最合適的時(shí)刻就可以在兩根弦上來(lái)回飛行。如果操作得當(dāng)，他就會(huì)提前回到動(dòng)身的空間點(diǎn)。

上述的CTC擁有一個(gè)共同特征，即它們都將CTC描述為業(yè)已筑入宇宙的廣義相對(duì)論的解決方案。自然的時(shí)間旅行者必須通過(guò)普通的旅行找出這些結(jié)構(gòu)，然后加以利用。然而，截至目前，我們?cè)趶V義相對(duì)論的解決方案中還沒(méi)有找到類(lèi)似的CTC演變。不過(guò)，人們通常認(rèn)為存在這樣的解決方案，它們需要特別的物理約束，在有限的時(shí)空區(qū)域內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)奇點(diǎn)就是其中之一。進(jìn)入這個(gè)時(shí)間旅行的可能區(qū)域必須跨越柯西邊界，即其內(nèi)部物理定理未知的奇點(diǎn)沙漏形（兩個(gè)交叉的宇宙弦）邊界。如果能夠建造這樣一個(gè)CTC，第二個(gè)約束會(huì)限制時(shí)間旅行者能夠進(jìn)入的外部時(shí)間——CTC創(chuàng)建日之前的時(shí)間是旅行無(wú)法到達(dá)的。

廣義相對(duì)論下的自然時(shí)間旅行面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。前面已經(jīng)提及的一個(gè)難題是穩(wěn)定性。能量問(wèn)題也同樣嚴(yán)峻，建造并維持可用的蟲(chóng)洞需要奇異量的外來(lái)物質(zhì)（或者類(lèi)似于大爆炸早期的結(jié)構(gòu)和條件，如負(fù)張力邊界層、引力真空極化等），宇宙弦需要無(wú)限長(zhǎng)的超密度物質(zhì)管道。然而，盡管存在這些技術(shù)難題，但自然時(shí)間旅行到過(guò)去還是符合廣義相對(duì)論的。

一些物理學(xué)家（包括霍金）認(rèn)識(shí)到了沿CTC回到過(guò)去的時(shí)間旅行的另一個(gè)問(wèn)題：在因果循環(huán)內(nèi)維持物理上的一致性。在這一方面，量子理論的有些解釋具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

量子論解釋

量子理論的有些方面與時(shí)間旅行相關(guān)，尤其是量子引力場(chǎng)。大自然的基本力（強(qiáng)核力、電磁力、弱核力及引力）有相對(duì)論的量子描述，但將引力和量子理論合并的種種嘗試至今仍未成功。在目前的標(biāo)準(zhǔn)原子模型中，所有力都由被稱(chēng)為規(guī)范玻色子的虛擬粒子攜帶?？梢哉f(shuō)，光子在“真”粒子之間“攜帶”電磁力，引力子雖然探測(cè)不到，但是它“攜帶”引力。量子理論中引力的這種粒子特性與廣義相對(duì)論中的幾何特性非常不同。調(diào)和這兩種描述是一個(gè)積極的研究領(lǐng)域，許多人希望引力能夠像其他基本力那樣得到解釋。這將最終形成“萬(wàn)有理論”。

科學(xué)家對(duì)量子理論提出幾種解釋?zhuān)浜诵膯?wèn)題是糾纏。兩個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)入暫時(shí)的物理相互作用狀態(tài)，通過(guò)已知力相互影響，然后分離。此時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)不能再用最初交會(huì)時(shí)的相同方式進(jìn)行描述。如果使用某種測(cè)試設(shè)備測(cè)量旋轉(zhuǎn)等物理特性，就會(huì)發(fā)生微狀態(tài)和宏?duì)顟B(tài)糾纏。按照正統(tǒng)解釋?zhuān)褪菭顟B(tài)向量（描述糾纏系統(tǒng)的方程式）降低或從一種重疊跳躍到實(shí)際觀察到的狀態(tài)之一。可如果一種糾纏狀態(tài)“崩潰”會(huì)怎么樣？正統(tǒng)的解釋說(shuō)不知道，唯一可描述的是觀察到的效果，這正是波方程式或狀態(tài)向量所做的事。

其他解釋認(rèn)為，狀態(tài)向量根本不會(huì)“崩潰”，或者認(rèn)為狀態(tài)重疊所有的可能結(jié)果都會(huì)通過(guò)某種方式成為現(xiàn)實(shí)。這種多世界版本的解釋認(rèn)為，每個(gè)這樣的事件發(fā)生時(shí)，涉及糾纏狀態(tài)的宇宙會(huì)“剝落”形成與該宇宙完全相同的副本。因此，在“崩潰”的任何時(shí)刻都會(huì)存在兩個(gè)或更多幾乎完全相同的宇宙，可以互見(jiàn)、同樣真實(shí)，并且隨著越來(lái)越多的糾纏事件進(jìn)一步分裂。

許多自然時(shí)間旅行故事利用了這些多世界概念。比如在《星際穿越》中，當(dāng)“永恒”號(hào)穿過(guò)蟲(chóng)洞，就不必跨越我們宇宙的時(shí)空間隔，而是從“我們的”宇宙跳到了另一個(gè)宇宙。多世界宇宙中的自然時(shí)間旅行者在返程時(shí)將進(jìn)入一個(gè)不同的世界歷史。這類(lèi)故事暗示，我們可以通過(guò)時(shí)間旅行改變歷史事件的結(jié)局。因此，我們接下來(lái)要面對(duì)的，是因果關(guān)系和個(gè)人同一性的許多矛盾。