![穿越時空[物理學研究方向]](/img/5/ef0/nBnauM3X0QDOyIjMzITMwADO1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzLyEzLzYzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLyE2LvoDc0RHa.jpg "穿越時空[物理學研究方向]")
實現途徑
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穿越時空[物理學研究方向]英國著名物理學家史蒂芬·霍金在英國《每日郵報》上發表文章稱，時光之旅在理論上是可行的，人類可以打開回到過去的大門和通向未來的捷徑。但是史蒂芬·霍金又舉個例子，說：人可以穿越未來，不可穿越過去！——《和霍金一起走進宇宙世界》
霍金在文章中提出了三種理論上可行的時空旅行方式。
為了實現時光旅行，霍金首先建議人們接納時間作為第四維的觀念。他舉了一個非常簡單的例子：當人們駕駛汽車時，向前直行和向後倒車是第一維，向左或向右轉彎是第二維，在山路上爬坡和下坡是第三維，那么時間就是第四維。我們怎樣才能找到在第四維前行或後退的路徑呢？
主要原理
“外祖父悖論”常被人拿來論證時間旅行不可能存在，但有些科學家則不這么認為。
2014年6月24日，澳大利亞昆士蘭大學的科學家首次使用兩個光量子（光子）模擬了量子粒子在時間中的旅行並對其“一舉一動”進行了研究，結果表明，至少在量子尺度上，時間旅行是可以實現的。研究發表在最新一期的《自然·通訊》雜誌上。
科學家們使用光子（光的單個粒子）來模擬回到過去的量子粒子並對其行為進行了研究。在實驗中，他們對一個進行時間旅行的光子可能產生的兩種結果進行了考察。第一種結果是：“1號光子”會通過蟲洞進入過去並同以前的自己相互作用。第二種結果是：“2號光子”會在正常的時空內行進，但會通過蟲洞同一顆卡在時間旅行環—封閉類時曲線（CTC，是物質粒子於時空中的一種世界線，其為“封閉”，亦即會返回起始點）內的光子相互作用。模擬“2號光子”的行為使“1號光子”的行為也能被研究，結果表明，時間旅行在量子尺度上可以實現。
影響因素
光速
一提到光速我就想起了愛因斯坦的公式E=mc²
這個公式讓我興奮，這個公式帶給我們幻想的可能。
但是這個公式又代表著你的速度越大你的質量也越大，例如：當你坐在99.99%光速的宇宙飛船里的時候，你在向前去奔跑的時候，你就向是被放慢了1000幀的慢電影一樣。所以說光速是個巨大的限制！愛因斯坦說過：不可能有物體超過光速。但是所有人都不知道的是，他加了備註！他所說的是三維速度，而不是四維速度！四維的最小速度是光速，四維速度是正無窮大的！
宇宙中存在著速度限制，即每秒鐘18.6萬英里(約合30萬公里)，亦稱光速。任何物體不能超越這一速度。以接近於光速的速度旅行可以將你送達未來世界。
霍金說，如果科學家能夠建造速度接近光速的太空船，那么太空船必然不能違反光速是最大速限的法則，導致艙內的時間變慢，這樣飛行一個星期就等於是地球上的幾年，也就相當于飛進未來。
在人類歷史上，速度最快的載人飛船“阿波羅”10號，速度為每小時2.5萬英里(約合每小時4萬公里)，但要實現在時間中旅行，速度大約是“阿波羅”10號速度的27000倍。
太空飛船裡面裝載著巨量燃料，不斷加速，在一周內，它就可以到達外行星。兩年後，它可以達到半光速，飛出太陽系。再兩年後它將達到光速的90%，遠離地球約30萬億英里。發射四年後，飛船就會開始穿越未來。飛船上每度過一小時，地球上將度過兩小時。再經過兩年開足馬力的旅行，飛船將達到其最高速，也即光速的99%。在這種速度中，飛船上的一天，等於地球上的一年。這時，我們的飛船就真正飛入未來了。
英國曼徹斯特大學粒子物理學教授布賴恩·科克斯說：當我們用大型強子對撞機把粒子加速，達到光速的99%，粒子經歷的時間，以我們時間的1/7000速率消逝。太空中的數十年，在地球上可能已過去了數萬年。
霍金還表示，時間機器只能帶人進入未來，不能帶人回到過去，因為回到過去違反了基本的因果論。
時間
1895年，英國科幻小說家威爾斯的經典名作《時光機器》問世。此後，在過去與未來之間穿梭就成為了科學家的夢想。俄羅斯學者日前宣稱，宇宙間新次元的發現，時光旅行將可成真。大家可以觀看英國科幻電視劇《神秘博士》了解時間旅行。
▲黑洞表面時間幾近停滯，高速移動即可進入未來
天文物理學家發現，在我們生活的三維空間以外，還有另一個新的次元。這讓科學家相信，人類可藉由時光機器的幫助，在地球與黑洞之間來回，到達未來或過去。愛因斯坦曾在廣義相對論中，預言重力可以減緩時間流逝，黑洞的重力異常強大，因此在黑洞表面，時間相對於地球來說幾近停滯。
如果有一台時光機器能載著人從地球到達一個黑洞的表面，以極高的速度移動，就可以在靠近黑洞之後，不被黑洞的重力吸引而安然返回地球，掉進無限遙遠的未來。
但是，美國科學界早已進行過多項相關實驗，未有任何顯著的成果，有學者指出，人體很難不在黑洞表面撞得粉身碎骨。
▲美國5年內製造逾時空引擎，幾分鐘內可飛抵月球
美國航空航天局一直在人造衛星上試驗宇宙飛船使用的離子引擎，並取得初步成功。據《新科學家》報導，美國航空航天學會(AIAA)2005年度“核能和未來航空”項目大獎的論文中描述了一種“逾時空引擎”，就是讓飛船以極快的速度飛行，從而進入另一個空間。安裝了這種引擎的飛船，可以在幾分鐘內從地球飛抵月球，美國方面稱如果進展順利，5年後便能建造測試模型飛船。
▲學者稱宇宙存在六維時空強力磁場，可助力時光穿梭
愛因斯坦提出了所謂的“四維空間”模型。我們所身處的三維宇宙空間也會向第四維(時間軸)彎曲，就好像二維空間的平面向三維空間彎曲，而形成一個球形。把我們所身處的宇宙想像成這樣的一顆球，只不過是向時間軸彎曲而不是向Z軸彎曲。我們所處的空間即是球體的最表面，而從表面往球中心點算進去，就是所謂的子空間。事實上，除了利用子空間場外，一些高密度的星體周圍的重力場也會將星體壓向宇宙中心點(宇宙模型球體中心)。假設從a點到b點距離為1800萬公里，飛船的飛行速度為10萬公里/秒，那么所用時間就為1800/10=180(秒)。假設從A點到B點距離為9000萬公里，那么飛船從A點到B點的速度就是9000/180=50(萬公里/秒)。
從結果可以看出，雖然飛船一直以未超越光速的10萬公里/秒飛行，但它從A點飛到B點的速度卻為50萬公里/秒，已經超越了光速。這就是利用時空扭曲和時空跳躍達成的超光速飛行。
“曲速”就是利用強磁場所產生的子空間力場，讓光速的物理限制從真實空間移往子空間來計算。過程如圖所示分為幾個階段：
第一階段，飛船在A點起飛並開始加速；
第二階段，飛船利用強磁場所產生的力場，向子空間跳躍，來到a點；
第三階段，飛船在子空間飛行，從a點飛抵b點；
第四階段，飛船取消強磁場，跳躍回正常空間，來到B點。
操作設施
蟲洞
蟲洞就是五維空間。宇宙萬物都會出現小孔或裂縫，這種基本規律同樣適用於時間。時間也有細微的裂縫和空隙，比分子、原子還要小的空隙被稱作“量子泡沫”，而蟲洞就存在於“量子泡沫”中。
人類也許能夠捕獲某一個蟲洞，將它放大到足以使人類甚至宇宙飛船從中穿過，但霍金警告說，不要利用時間機器回到過去，因為這將導致違反基本的因果論。
黑洞
愛因斯坦提出，世上應該存在讓時間慢下來的地方，以及讓時間加速的地方。時間在地球比在太空運行慢。造成這種影響的原因是地球的質量。愛因斯坦發現，物質會減緩時間運行速度，就像是河的下游一樣。物體越重，對時間的阻力越大。這種驚人的事實為通向未來的時間旅行開啟了大門。
霍金認為，時空旅行的天然“交通工具”是黑洞。在銀河系中心，擁有銀河系中最重的天體——一個質量相當於400萬個太陽的超大質量黑洞，在自身引力作用下，它被壓縮為一個點。距離這個超大質量黑洞越近，遭遇的引力就越強。一旦距離其過近，連光線都無法逃脫，會被吞噬。這樣的超大質量黑洞對時間具有顯著的影響，令其減緩的速度遠遠超過銀河系中的任何物體。這使得它是台“天然的時間機器”。
霍金想像宇宙飛船能充分利用這種現象。如果某個航天機構正在控制從地球發射的探測器，他們會發現繞軌道運行一圈的時間為16分鐘。靠近超大質量黑洞，時間就會慢下來。在這裡，引力影響遠比地球引力極端。機組人員的時間將會減慢一半。對於原本每圈要耗費的16分鐘，他們其實僅經歷了8分鐘。
在廣義相對論中，黑洞的事件視界無法被有限時間線上的任何一個觀察者觀測，其原因之一在於黑洞的屬性，科學家提出了黑洞全息屏理論，雖然觀察者無法在外部了解事件視界，但黑洞內部的卻可能知道整個宇宙的命運。黑洞全息屏理論的結論看上去非常有趣，我們可以從中得出未來和過去的信息。勞倫斯伯克利國家實驗室的恩格爾哈特教授認為黑洞的全息屏從某種意義上看是強引力場的局部邊界，如果這是未來的全息屏，那么對應的黑洞，如果這是過去的全息屏，對應的是白洞。
在熱力學的角度，時空也被認為是全息圖，根據全息原理，其與給定區域內的表面積有關，也可進一步解釋為熱力學的時間方向。由於過去和將來的全息屏區域在不同的方向增加，因此時間的方向可以對應著兩種不同類型的全息屏。
可能的例子
澳洲昆士蘭大學的科學家們已經使用單一光(光子)的粒子以模擬量子粒子穿越時間的旅行。他們表示一個光子能夠穿越蟲洞並和先前的自己互動。他們的發現已發表在Nature Communications期刊中。正是這個實驗讓廣大的科技愛好者覺得穿越時空離我們越來越近了！
我們可以去想像一下，一汪汪清泉通過量子束縛，穿過我們家鄉的家家戶戶，正是這個實驗，讓我們熱血沸騰！
你還可以想像一下，如果有一天，有人敲你家的門，說他是汪**，說你是他的曾曾曾曾祖父，你千萬不要關上門，因為這或許是真的！你的家正是這種神奇事情出現的地方！
時光旅行的難題源自於稱為”封閉類時曲線”(closed timelike curves,CTC)。CTC用來模擬極度強大的重力場，那些像是由一個旋轉的黑洞所造成，而且理論上(基於愛因斯坦的一般相對論)，能夠彎曲交錯的存有以致於時空能自行再彎曲回來，於是創造了CTC，幾乎像是能在時間當中旅行回來的路徑。
依據美國科學期刊(Scientific American)，有很多物理學家發現這些CTC “可惡可憎，因為任何巨觀下的物體穿越它，肯定會造成因果關係的破壞。” 但其他的科學家則不同意這樣的論點；物理學家David Deutsch在1991年表示這些反方論述(來自於CTCs)能夠在量子尺度中被避開，原因是這些基本粒子的怪異特性構成了我們所稱的物質。
眾所皆知，在量子尺度下，這些粒子不會遵守古典力學的規則，而是不可能的怪異又難以預期的表現方式。
歡迎來到量子物理的世界，”假如量子力學的運行機制還不足以讓你感到震驚，那你應該還沒真的了解它。” 量子領域的先鋒物理學家Niels Bohr曾經這么說道。
“我們選擇檢驗一個可能的現象，絕對不可能以任何典型的方法去解釋，而且是在一個具有量子運作機制的核心之下。實際上，它隱含了僅有的奧秘。” – 20世紀諾貝爾獎得主李察費曼Richard Feynman(打結的頭腦: 在量子現實下的超感官經驗。2006紐約袖珍書)。
在量子世界裡，經常會出現我們無法理解的悖論，但是應該不能阻擋嚴肅追尋科學的人們。即便是愛因斯坦不相信絕大部分的量子理論，但我想今天若他還在世，他肯定會玩得很開心，因為近期所有突破性的想法。
“耐人尋味的是你已經有一般相對論預測的悖論，但在量子力學術語中這些悖論就煙消雲散。”-昆士蘭大學物理學家Tim Ralph(你可以在這裡找到更多信息)
實驗
Tim Ralph(上面所提到的) 以及他的博士研究生Martin Ringbauer 模擬了物理學家Deutsch的一個CTCs 模型，根據美國科學期刊Scientific American，”測試並且確認許多已有20年之久的理論。” 即使那只是數學模擬，研究者與他們的團隊(或同事)強調，他們的數學當量模型是針對穿越CTC旅行的單一光子。實際上並沒有傳送任何東西回到過去的時間; 要做到那樣，科學家們得要找出就我們目前所知已出現的CTC。當然，那樣的科學總是存在於隱藏預算(黑預算)下。
物理學家將光粒子傳送到過去，證明時間旅行是真的?
思考一下，就 ’祖父悖論’ 而言，一個假設性的場景，有個人用封閉類時曲線(CTCs)做時間旅行去傷害他的祖父，因此防止了其後他(傷害者)的出生。現在想像一個粒子回到過去並啟動粒子產生器的開關，然後創造了它(自身)，這些物理學家說他們已透過仿真顯示這是有可能發生的。
為什麼這可能性很高
我的意見是，毫無疑問的，時間旅行是可行的。我為什麼會相信? 好，那是因為我知道在量子的尺度里，迭加原理(物理學原則之一)是真實的。
物理學家將光粒子傳送到過去，證明時間旅行是真的?
“令人感到納悶的部分是，同時間存在於兩處的粒子的能力並非單純抽象的理論。這是次原子粒子的世界如何運作非常真實一個面向，而且已透過多次實驗確認過。”(請參閱數據源)
“自然界的最高奧秘之一…，根據量子力學定律主宰次原子的一切，一個如同電子般粒子的存在於模糊狀態的可能性(可能在任何地方，所有地方，或無處不在) 直到由實驗室的探測器或肉眼所發現。”
這表示一個粒子能夠同時存在於多重狀態下。最佳證明就是量子雙縫實驗。近來的實驗也確認了量子纏結，實驗結果顯示，空間，確實僅是賦予分裂幻覺的一種意象。一種說法是，有一個可行性相當高的時間旅行，在這篇文章中與實驗中所提及的有所連結，就是實驗顯示粒子可以真正地穿越時間而纏結在一起。
這樣的說法由被稱為延遲選擇實驗所描繪出來。
如同量子雙縫實驗，延遲選擇或量子擦除已經一再的重複被論證過。比方說，澳洲國立大學(ANU)的物理學家已經成功地導出John
Wheeler的延遲選擇實驗。他們的發現已經發表在自然物理期刊(Nature Physics)。
在2007年，法國科學家們捕捉光子到一座儀器中，並且秀出光子的活動能夠回溯一些已經發生過的事情。
這項粒子實驗描繪了在現時當下所發生的事情可以改變過去發生過的。它也顯示時間是如何得以倒退，因果關聯如何反轉，以及未來如何的改變過去。
“假如我們嘗試著以單一系統的量子狀態去客觀定義，不尋常的悖論就出現了: 量子效應不只模仿一瞬間的實時動作，而且還看到未來活動在過去事件中的影響，即便是在這些事件過後已不可逆的被記錄下來。”-量子訊息理論大師Asher Peres。
雖然我們還完全沒辦法進出封閉類時曲線(CTC)，但還是有很充分的理由相信這種形式的時間旅行在量子力學層面是可行的，且那也是為什麼我選擇提到這些實驗，以證明 ’時間’ 並不完全真如我們所想的那樣存在。
為何這些相同量子力學定律還沒有在尚未被理解的巨觀層級觀察到，但物理學家正在這問題上努力。比方說，物理學家David Wineland與Serge Haroche在2012年因發表了”量子力學怪現像”(quantum weirdness)如何不僅僅存在於微觀世界中的次原子而獲得諾貝爾物理學獎。曾經有一度，迭加原理只被認為存在於遙遠的量子世界，但現在再也不是了。我們知道它是有可能的，只是我們尚未理解。然而，我們似乎快要找到解答。
或許有一天，我們會決心解開這個謎題，並能夠觀察像是汽車，人類，蘋果，還有柳橙這樣大的對象在次原子水平上的物質行為模式，而且也許有一天我們會找到蟲洞，或一個在太空中的封閉類時曲線CTC，依據理論來進行真正的實驗。那就是說，許多被作為在量子物理學中的理論就不再是理論而已，像是量子纏結。
研究理論
外祖母悖論
如果一個人真的“返回過去”，並且在其外祖母懷他母親之前就殺死了自己的外祖母，那么這個跨時間旅行者本人還會不會存在呢？這個問題很明顯，如果沒有你的外祖母就沒有你的母親，如果沒有你的母親也就沒有你，如果沒有你，你怎么“返回過去”，並且在其外祖母懷他母親之前就殺死了自己的外祖母。這就是“外祖母悖論”。
對於“外祖母悖論”，物理界就產生了平等歷史(也叫“平行宇宙”)的說法。
相對論
相對論是關於時空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦(AlbertEinstein)創立，分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。相對論的基本假設是光速不變原理，相對性原理和等效原理。相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。
史蒂芬·霍金寫的《時間簡史》里認為即使真的超過光速，也不可能真正穿越時空，時間倒流只是一個假象，超光速事件將引起時間和空間一系列量子力學上的反應，最終使得穿越時空無法實現。當然，也有的科學家對此持不同意見，而且穿越時空的辦法並不止超光速一種。至於歷史的軌跡問題也在《時間簡史》中有過詳細的論述，同樣有好幾種不同說法，不過總的來說，歷史是以隨機性即不確定性為主的，並非一切都固定無誤。
馬赫和休謨的哲學對愛因斯坦影響很大。馬赫認為時間和空間的量度與物質運動有關。時空的觀念是通過經驗形成的。絕對時空無論依據什麼經驗也不能把握。休謨更具體的說：空間和廣延不是別的，而是按一定次序分布的可見的對象充滿空間。而時間總是又能夠變化的對象的可覺察的變化而發現的。
1905年愛因斯坦指出，麥可遜和莫雷實驗實際上說明關於“以太”的整個概念是多餘的，光速是不變的。而牛頓的絕對時空觀念是錯誤的。不存在絕對靜止的參照物，時間測量也是隨參照系不同而不同的。他用光速不變和相對性原理提出了洛侖茲變換。創立了狹義相對論。
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論，在數學上有各種多維空間，但目前為止，我們認識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思。
相對論中，時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空，能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯繫。在今後論及廣義相對論時我們還會看到，時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯繫。
運動物理
物質在相互作用中作永恆的運動，沒有不運動的物質，也沒有無物質的運動，由於物質是在相互聯繫，相互作用中運動的，因此，必須在物質的相互關係中描述運動，而不可能孤立的描述運動。也就是說，運動必須有一個參考物，這個參考物就是參考系。
伽利略曾經指出，運動的船與靜止的船上的運動不可區分，也就是說，當你在封閉的船艙里，與外界完全隔絕，那么即使你擁有最發達的頭腦，最先進的儀器，也無從感知你的船是勻速運動，還是靜止。更無從感知速度的大小，因為沒有參考。比如，我們不知道我們整個宇宙的整體運動狀態，因為宇宙是封閉的。愛因斯坦將其引用，作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理。其內容是：慣性系之間完全等價，不可區分。
著名的麥可遜-莫雷實驗徹底否定了光的以太學說，得出了光與參考系無關的結論。也就是說，無論你站在地上，還是站在飛奔的火車上，測得的光速都是一樣的。這就是狹義相對論的第二個基本原理，光速不變原理。
由這兩條基本原理可以直接推導出相對論的坐標變換式，速度變換式等所有的狹義相對論內容。比如速度變幻，與傳統的法則相矛盾，但實踐證明是正確的，比如一輛火車速度是10m/s，一個人在車上相對車的速度也是10m/s，地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情況下，這種相對論效應完全可以忽略，但在接近光速時，這種效應明顯增大，比如，火車速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那么地面觀測者的結論不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。車上的人看到後面的射來的光也沒有變慢，對他來說也是光速。因此，從這個意義上說，光速是不可超越的，因為無論在哪個參考系，光速都是不變的。速度變換已經被粒子物理學的無數實驗證明，是無可挑剔的。正因為光的這一獨特性質，因此被選為四維時空的唯一標尺。
反光速不變原則、好比自動扶梯，比如我在自動扶梯上跑。自動扶梯上身的速度是10m/s、我跑步的速度是10m/s、而我在樓梯上跑的速度依舊是10m/s。但實際上在自動扶梯上的跑步比在樓梯上的跑步速度是得到提升的。到達終點的時間也會縮短。
再比如說一個運動員在跟另一個運動員跑步，其中一個如果在會向前運動的跑道上跑步另一個在靜態的跑道上跑步。那么他們的比賽結果顯而易見。運動員自身速度並為受到改變、但是他通過外界的助力將速度以及時間結果得到提升並且縮短。我們在參考速度值的時候是否也能通過外界助力使它得到提升。並非是去改變它的原有值而是去改變結果改變它的實際值。
光速不變原理或許是對的。但是超越光速是肯定存在的、無論是車速、船速、飛行速、光速、那些都只是速度的一種表現形態而非絕對值。所以速度是可以得到提升的。光速也不再會是絕對速度。
慣性理論
根據狹義相對性原理，慣性系是完全等價的，因此，在同一個慣性系中，存在統一的時間，稱為同時性，而相對論證明，在不同的慣性系中，卻沒有統一的同時性，也就是兩個事件(時空點)在一個慣性系內同時，在另一個慣性系內就可能不同時，這就是同時的相對性，在慣性系中，同一物理過程的時間進程是完全相同的，如果用同一物理過程來度量時間，就可在整個慣性系中得到統一的時間。在今後的廣義相對論中可以知道，非慣性系中，時空是不均勻的，也就是說，在同一非慣性系中，沒有統一的時間，因此不能建立統一的同時性。
相對論導出了不同慣性系之間時間進度的關係，發現運動的慣性系時間進度慢，這就是所謂的鐘慢效應。可以通俗的理解為，運動的鐘比靜止的鐘走得慢，而且，運動速度越快，鍾走的越慢，接近光速時，鍾就幾乎停止了。
尺子的長度就是在一慣性系中"同時"得到的兩個端點的坐標值的差。由於"同時"的相對性，不同慣性系中測量的長度也不同。相對論證明，在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，這就是所謂的尺縮效應，當速度接近光速時，尺子縮成一個點。
由以上陳述可知，鐘慢和尺縮的原理就是時間進度有相對性。也就是說，時間進度與參考系有關。這就從根本上否定了牛頓的絕對時空觀，相對論認為，絕對時間是不存在的，然而時間仍是個客觀量。比如在下期將討論的雙生子理想實驗中，哥哥乘飛船回來後是15歲，弟弟可能已經是45歲了，說明時間是相對的，但哥哥的確是活了15年，弟弟也的確認為自己活了45年，這是與參考系無關的，時間又是"絕對的"。這說明，不論物體運動狀態如何，它本身所經歷的時間是一個客觀量，是絕對的，這稱為固有時。也就是說，無論你以什麼形式運動，你都認為你喝咖啡的速度很正常，你的生活規律都沒有被打亂，但別人可能看到你喝咖啡用了100年，而從放下杯子到壽終正寢只用了一秒鐘。
廣義相對
由於慣性系無法定義，愛因斯坦將相對性原理推廣到非慣性系。
提出了廣義相對論的第一個原理：廣義相對性原理。其內容是，所有參考系在描述自然定律時都是等效的。這與狹義相對性原理有很大區別。在不同參考系中，一切物理定律完全等價，沒有任何描述上的區別。
第二個原理是光速不變原理：光速在任意參考系內都是不變的。它等效於在四維時空中光的時空點是不動的。當時空是平直的，在三維空間中光以光速直線運動，當時空彎曲時，在三維空間中光沿著彎曲的空間運動。可以說引力可使光線偏折，但不可加速光子。
以上提到光速不變原理、當時空彎曲時，在三維空間中光沿著彎曲的空間運動。可以說引力可使光線偏折。那么既是說明光速是受到引力影響的、是否可以理解成當光速在脫離地球引力時光速的速更絕對更接近光速、所以光速不變原理也將演變成光速可變原理。
第三個原理是最著名的等效原理。質量有兩種，慣性質量是用來度量物體慣性大小的，起初由牛頓第二定律定義。引力質量度量物體引力荷的大小，起初由牛頓的萬有引力定律定義。
慣性質量聯繫著慣性力，引力質量與引力相聯繫。這樣，非慣性系與引力之間也建立了聯繫。那么在引力場中的任意一點都可以引入一個很小的自由降落參考系。伽利略曾認為勻速圓周運動才是慣性運動，勻速直線運動總會閉合為一個圓。這樣提出是為了解釋行星運動。他自然被牛頓力學批的體無完膚，然而相對論又將它復活了，行星做的的確是慣性運動，只是不是標準的勻速圓周而已。
黎曼幾何是一個龐大的幾何公理體系，專門用於研究彎曲空間的各種性質。球面幾何只是它極小的一個分支。它不僅可用於研究球面，橢圓面，雙曲面等二維曲面，還可用於高維彎曲空間的研究。就是說如果一種物質以超光速（300000000m/s一般光速為每秒鐘30萬千米）行駛的話，就可以實現穿越時空。
時鐘佯謬
相對論誕生後，曾經有一個令人極感興趣的疑難問題---雙生子佯謬。一對雙生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星際旅行，經過漫長歲月返回地球。愛因斯坦由相對論斷言，二人經歷的時間不同，重逢時B將比A年輕。許多人有疑問，認為A看B在運動，B看A也在運動，為什麼不能是A比B年輕呢?由於地球可近似為慣性系，B要經歷加速與減速過程，是變加速運動參考系，真正討論起來非常複雜，因此這個愛因斯坦早已討論清楚的問題被許多人誤認為相對論是自相矛盾的理論。如果用時空圖和世界線的概念討論此問題就簡便多了，只是要用到許多數學知識和公式。在此只是用語言來描述一種最簡單的情形。不過只用語言無法更詳細說明細節，有興趣的請參考一些相對論書籍。我們的結論是，無論在哪個參考系中，B都比A年輕。
為使問題簡化，只討論這種情形，火箭經過極短時間加速到亞光速，飛行一段時間後，用極短時間掉頭，又飛行一段時間，用極短時間減速與地球相遇。這樣處理的目的是略去加速和減速造成的影響。在地球參考系中很好討論，火箭始終是動鍾，重逢時B比A年輕。在火箭參考系內，地球在勻速過程中是動鍾，時間進程比火箭內慢，但最關鍵的地方是火箭掉頭的過程。在掉頭過程中，地球由火箭後方很遠的地方經過極短的時間划過半個圓周，到達火箭的前方很遠的地方。這是一個"超光速"過程。只是這種超光速與相對論並不矛盾，這種"超光速"並不能傳遞任何信息，不是真正意義上的超光速。如果沒有這個掉頭過程，火箭與地球就不能相遇，由於不同的參考系沒有統一的時間，因此無法比較他們的年齡，只有在他們相遇時才可以比較。火箭掉頭後，B不能直接接受A的信息，因為信息傳遞需要時間。B看到的實際過程是在掉頭過程中，地球的時間進度猛地加快了。在B看來，A現實比B年輕，接著在掉頭時迅速衰老，返航時，A又比自己衰老的慢了。重逢時，自己仍比A年輕。也就是說，相對論不存在邏輯上的矛盾。
彎曲時空
相對論問世，人們看到的結論就是：四維彎曲時空，有限無邊宇宙，引力波，引力透鏡，大爆炸宇宙學說，以及二十一世紀的主旋律--黑洞等等。
相對論套用的幾何學並不是普通的歐幾里得幾何，而是黎曼幾何。黎曼從更高的角度統一了三種幾何，三角形內角和不是180度，圓周率也不是3.14等等。當空間存在物質時，物質與時空相互作用，使時空發生了彎曲，這是就要用非歐幾何。
相對論預言了引力波的存在，發現了引力場與引力波都是以光速傳播的，否定了萬有引力定律的超距作用。當光線由恆星發出，遇到大質量天體，光線會重新匯聚，可以觀測到被天體擋住的恆星。
宇宙膨脹
不久哈勃發現著名的哈勃定律，提出了宇宙膨脹學說。物理學家們驚奇的發現，宇宙何止是在膨脹，簡直是在爆炸。極早期的宇宙分布在極小的尺度內，宇宙學家們需要研究粒子物理的內容來提出更全面的宇宙演化模型，而粒子物理學家需要宇宙學家們的觀測結果和理論來豐富和發展粒子物理。這樣，物理學中研究最大和最小的兩個目前最活躍的分支：粒子物理學和宇宙學竟這樣相互結合起來。
觀察者理論
此種理論認為，在時空旅行的過程中，你只能是一個觀察者，就像電視機前的觀眾無法和電視機中的演員和場景互動一樣，對於過去的人來說，你不存在，你雖然看的到他們，他們卻看不到你，而你也無法干涉他們。
或可發生
如果有一名時間旅行者乘坐時光機回到過去並在那裡阻止他/她的祖父母見面，那么在未來他自己還能出生嗎？
這就是十分著名的“外祖父悖論”，人們常常以此來證明時間旅行的不可能性，然而，有一些科學家卻有不同看法。
近日，一個科學家小組利用計算機模擬論證了進行時間旅行的光子行為，結果證明，在量子層面上說，外祖父悖論是可以被解決的。這項研究由澳大利亞昆士蘭大學的研究團隊進行，有關研究結果發表在《自然·通訊》雜誌上。
在這項研究中使用了光子——即光的單個粒子來模擬進行時間旅行的粒子行為。通過對光子行為的研究，科學家們揭開了現代物理中一些怪誕的方面。在模擬中，研究人員考察了進行時間旅行的光子的兩種可能結局。科學家們想知道這顆光子與更早之前的“自己”之間會發生什麼？
在實驗中，科學家們利用一種相互緊密關聯的、虛構的情景：即假設一顆光子穿越了正常的時空，並與被困在所謂閉合類時曲線(CTC)的蟲洞中的另一顆光子發生相互作用。通過對第二顆光子行為的模擬讓他們得以獲知第一顆光子的行為——結果顯示，只要對第二顆光子進行適當的準備，那么就有可能引導第一顆光子發生相應變化。要想在量子層面上進行操作，你必須儘量選用儘可能微小但卻能獨自存在的粒子，比如說光子。
然而，巨觀意義上的時空旅行卻會出現嚴重的悖論問題。在1991年，科學家首次提出這樣的想法，即認為時間旅行可以在量子層面上實現，因為量子粒子的行為是無法用經典物理來進行描述的。參與這項最新研究的主要科學家之一蒂莫西·拉爾夫(TimothyRalph)教授表示：“這種粒子的量子效應難以進行研究，因此這就給了它們足夠的空間來迴避可能出現的時間旅行悖論。”
這項實驗的結果同時也幫助科學家們獲得一個更加清晰的認識，即在物理學最大尺度以及最小尺度上分別適用的兩大理論體系是如何相互關聯的。昆士蘭大學的博士研究生馬丁·瑞鮑爾(MartinRingbauer)表示：“有關時間旅行的話題正好切中我們當下兩種最為成功卻相互不能兼容的物理學體系的交界面，那也就是愛因斯坦的相對論以及量子力學。”他說：“愛因斯坦的理論從很大的尺度上描述這個世界——恆星，還有星系。而量子力學則是對最微觀世界的絕好描述。愛因斯坦的理論暗示了回溯時間的可能性，理論上一名時間旅行者可以順著一個時空路徑回到同一空間中較早的一個時間點——即所謂閉合類時曲線(CTC)。
自從1949年美籍奧地利科特·哥德爾(KurtGödel)首次提出這一想法 以來便一直困擾著物理學家與哲學家們，因為從經典物理的角度來看毫無疑問這將構成一種悖論。其中就包括所謂的“外祖父悖論”，即認為一名時間旅行者可以回到過去並阻止他的祖父母結婚，從而讓時間旅行者自己的出生本身成為不可能。這樣一來，這名時間旅行者一開始進行時間旅行這件事也就不可能發生了。
然而此次這項最新研究卻認為，這樣的互動或許是真的可能發生的，儘管只能是在量子層面上。
相關事件
穿越時空，是很多人夢寐以求的一件事情。儘管很多人認為穿越時空根本不可能發生，但歷史上曾經發生過20件與穿越時空有關的奇異事件。
1、消失的旅館
一個被廣泛宣傳的時間旅行事件，1979十月，Simpsons和Gisbys，兩對英國夫婦駕車穿越法國去西班牙度假的路上，他們宣稱他們在一個古怪的老式旅館住了一晚上，在返程路上決定在同一家旅館休息一下時，卻找不到這家旅館了。
他們住店時拍攝的照片，甚至是洗出照片的底片也不見了。
2、維克多·戈達克爵士飛向未來
1935年，維克多·戈達克爵士，一位英國皇家空軍長官正駕乘飛機掠過愛丁堡德勒姆廢棄機場外的平原。
在返程經過德勒姆機場時，他往下俯視時被所見之事震驚：機場被完全整修過並投入使用，穿著藍色工裝的機械工四處走動並且四駕黃色飛機停泊在起飛跑到上。
四年之後，1939年，皇家空軍才開始將飛機粉刷成黃色，並且維修工人的制服才被更換成了藍色
3、集體離奇失蹤
1999年7月2日，哥倫比亞約有一百多名聖教徒，到阿爾里斯山的山頂去朝拜。誰知這伙教徒上山以後再沒有下來，就此失蹤了。
此事驚動了哥倫比亞，他們派出了大批警察在阿爾里斯山頂四周尋找，並出動了直升飛機。但找尋了近一個月，這一百多號人還是消失的無影無蹤！
4、回到古埃及目睹金字塔的建造
據說前蘇聯解體後流出了一些機密檔案，其中就說到一件事。那是在1971年8月的一天，前蘇聯飛行員亞歷山大斯諾夫駕駛米格21型飛機在做例行飛行時，無意中“闖入”了古埃及。
飛行員來到了一片荒漠中，他看到一座座金字塔巍然矗立，而另一些金字塔才剛剛打下地基或是建造了一半……如果這飛行員沒有說謊的話，那么他是不是時空穿梭了呢？
5、有去無回的神秘島
在肯亞北部有一個叫做Envaitenet的神秘小島，在當地土著人語言中意為有去無回。很多年前，這個小島上曾經居住過人類。他們依靠捕魚、打獵，以及與島外居民交換特產為生。
可是有一段時間，島上的居民全部都消失了，再也沒有出現過。那么島上居民都去哪裡了呢？有人認為這個小島是一個時空之門，人到這裡都被捲入了另一個時空。
6、中國陵墓中時間旅行的證據
2008年12月，中國考古學家們據稱在上思縣移動一個有400年歷史且完好的陵墓的棺材時，當他們清除棺材周圍的泥土，他們驚奇的發現了一小塊形狀像表的金屬，時間定格在10:06，背後印有“swiss”字樣
如果墓穴四百年來沒有被真正人為打攪過，又如何解釋這些現代人造製品的存在？唯一的可能就是一名健忘的時空旅行者。
7、費城實驗
費城實驗是一次海軍軍事行動，據稱由美國海軍執行，地點設在費城軍艦造船廠，時間在1943年10月28日左右
據宣稱，美國海軍護衛驅逐艦埃爾德里奇號被轉變躲避敵方設備的隱性狀態，並從維吉尼亞州傳送至賓夕法尼亞州。
某些報告宣稱戰艦在10秒後及時傳送回來，然後，流行文化更願意表述為巨大的時間跳躍。
8、消失的英軍土兵
1915年12月，一戰期間，英國與土耳其的戰爭中，英軍準備進攻土耳其的軍事重地加拉波利亞半島。那天英軍很英勇地一個一個爬上山崗，高舉旗幟歡呼著登上山頂。
突然間，空中降下了一片雲霧覆蓋了一百多米長的山頂，在陽光下呈現淡紅色，並射出耀眼的光芒，在山下用望遠鏡觀看的指揮官們對此景觀也很驚奇。過了片刻，雲霧慢慢向空中升起，隨即向北飄逝。指揮官們才驚奇地發現，山頂上的英軍土兵們全部消失了。
9、時髦的時間旅行
一張1941年期間南福克橋的照片在黃金橋重見天日，加拿大方面宣稱將公開一名時間旅行者。
聲稱他的衣著，體恤圖案，太陽眼鏡和一台便攜錄音機非常現代化，並且不是1940年代的潮流。
一年之內，他就成為眾所皆知的時間旅行潮流的代名詞。
10、來自過去的肇事逃逸的受害者
1950年六月中旬，在紐約時代廣場，一名叫魯道夫·芬茨的男子，穿著19世紀的衣服被車撞倒身亡，享年30歲。
由紐約警方展開的一系列調查顯示，這名男子已經在1876年無故消失，當時已經29歲。
他的財產清單包括：一杯啤酒的銅牌；一張飼養馬匹的賬單以及一箱的換洗衣服；一張1876年的信件；70美元和信用卡片；沒有任何時代特徵顯示這名男子是直接從1876年穿越到1950年的。
11、莫斯科捷運里的奇怪壁畫
壁畫描述的是1920年俄國革命，但是出現在列寧前面的那個人是在乾什麼？看上去像在使用手機。或許這只是一個普通的無線電裝置？
12、古埃及神廟挖出現代銀幣
1994年一個由法國考古學家組成的考古工作隊，來到尼羅河畔最早出現人類活動的地區進行科學考察。他們發現了一座太陽神廟廢墟，距今已有4000年的歷史。
當考古學家在對廢墟進行發掘時，在一塊巨大古老的石碑下，發現了一枚深埋在地下的銀幣。奇怪的是，這不是一枚古埃及銀幣，而是一枚25美分的美國現代銀幣。
更奇怪的是銀幣上寫著1997年，也就是說這本應該是美國1997年才會發行的！那么美國的現代銀幣，為何會“跑到”4000年前的古埃及神廟中呢？於是有人大膽猜測是現代人時空旅行到了4000年前！
13、19世紀初的光碟事件
一張來自1800年代的油畫展示了一名男子手拿一張看起來像是高級CD盒子的東西
一幅19世紀初的畫作展示了一個人手中拿著一本類似CD盒的書。
最早的膠片樣式CD直到1800年代中期才發明，並且顯然壓縮CD直到1980年代才開始使用。最初形式的塑膠直到19世紀中期才被發明出來，而光碟明顯直到20世紀80年代才開始套用。
14、1962年世界盃上的拍照手機
1962年世界盃在智利的決賽後，巴西王牌加林查舉起世界盃冠軍，而在他前面似乎有人在用智慧型手機拍照。
15、南極上空的“時間之門”
1995年1月27日，美國物理學家發現，南極洲上空出現不斷旋轉的灰白色煙霧。最初，他們認為這些只是普通的天氣現象，但研究人員還是發射了一個氣象氣球去探測。
令人奇怪的是當研究人員回收氣球後發現這個氣球的計時器顯示的時間是1965年1月27。後來的一段時間，研究人員又發射了幾次，但每次計時器的時間都會倒退30年。至今也沒人能解釋這是為什麼。
16、美國飛行員進入中世紀
1986年，一位美國飛行員駕駛SR71型高空偵察機飛越佛羅里達州中心城區時，突破遭遇時空屏障，來到了歐洲中世紀的上空。
這名飛行員後來報告說，飛機掠過樹梢，可以感受到一陣陣巨大熱浪，成堆的屍體令人觸目驚心，原來是在燒屍體！專家們調查後指出：這位空軍飛行員看到的是歐洲歷史上發生著名的黑死病的情景。
17、20分鐘去哪兒了
1994年初，一架義大利客機在非洲東海岸上空突然從雷達上消失了。20多分鐘後才從回雷達，但到達機場時，每個乘客的手錶都慢了20分鐘！
18、埃及古墓時刻上的直升機和潛水艇
1848年，一名考古探險家在埃及古城阿比杜斯的塞蒂神廟入口，發現了一些奇怪的圖像，當時沒有人知道那些象形圖畫描繪的是什麼東西。
直到150多年後，考古學家才震驚地發現，那些3000年前的古埃圖像，竟然是直升機和潛水艇的模型！這究竟是巧合還是早有預知呢？
邏輯疑問
十多年前，霍金曾經問過這樣一個問題：假如時間旅行是可能的，為什麼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？這個問題的潛台詞是：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，霍金並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，並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年之後的年代，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，就像美國物理學家格林(BrianGreene)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後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。
對於這個問題，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，遠大於我們目前可操控的能量）。因此，時間旅行者即使真的存在，也並不一定會主動接觸現代人。
