时间旅行，通常是指使用称为时间机器的假象设备来帮助人类穿实现越到过去或未来，时间旅行这一概念最早在一些古代神话中就有描述，印度梵文古诗集《毗湿奴往世书Vishnu Purana》提到了 Raivata Kakudmi 国王的故事，他前往天堂与造物主梵天会面，当他回到地球时，惊讶地发现已经过去了许多时代。佛教《帕亚西经Payasi Sutta》曾描述了佛陀的主要弟子之一库玛拉·卡萨帕（Kumara Kassapa），他向持怀疑态度的帕亚西解释说，天上的时间与地上的时间不同。佛教《Pāli Canon巴利语大藏经》也提到了时间的相对性。在犹太传统中，据说公元前1世纪的学者霍尼·哈·马格尔（Honi ha-M’agel）一睡就是七十年，当他醒来回到家中时，发现已经没有他认识的人，在伊斯兰教《古兰经》中讲述了七个沉睡者的故事，这是一群一神论的年轻人，他们为了逃避迫害而在山洞里寻求庇护。真主保护了他们沉睡了几个世纪，当他们醒来时已是一个改变的世界。
近代关于时间旅行的概念主要存在于科幻的文学及影视作品中，最早以机器进行时间旅行为特色的故事之一，是短篇小说作家爱德华·佩奇·米切尔（Edward Page Mitchell）1881年发表在《纽约太阳报》上的《倒退的时钟》（The Clock that Went Backward），描述了一种可以在上弦时倒退时间，并将附近的人带回过去的时钟。英国作家赫伯特·乔治·威尔斯于1895 年的出版的小说《时间机器》普及了时间旅行的想法。而现代关于时间旅行题材的最著名的影视作品当属1984年上映的电影《终结者》系列和1985年的《回到未来》系列，相关题材的流行科幻电影让时间旅行的概念在世界范围内普及，如果这些影视文学作品按具体的时间旅行主题分类的话，大致可以分为三类：不可变的时间线; 可变时间线;和交替历史.
不可变的时间线指的是，从未来回到过去的改变，产生的后续影响在回到过去之前和当时就已经存在，任何影响和改变在整个时间轴上都是连贯的，举一个最好的影视作品的例子，就是2020年由著名导演诺兰指导的电影《信条》，片中男主角在影片上半部中遇到的面具人并与之打斗，实际上这个戴面具的人，是之后通过时间机器回到过去的那个时间点的自己，表示整个故事时间线是统一并前后呼应的。可变时间线的表示回到过去做出的改变会产生不一样的未来，即使在刚回到过去的那个时间点，最好的例子就是《回到未来》第一部中，男主角有个胆小懦弱的父亲，男主通过时间机器回到过去，通过一系列的事情改变了父亲的性格，而他再次回到之前出发的那个时间节点后，他的父亲早已是一个开朗胆大的人，这种情况表示在事件发生变化的地方，时间旅行者被描述为创造了新的时间线，而交替历史的概念则较为复杂，牵扯到一个平行世界或者平行宇宙的概念，各个时间线互相穿插，在任何节点的时间改变都会造成不同或者多个未来，李连杰在2001年出演的好莱坞科幻动作片《宇宙追缉令》描述的就是这类概念
回到现实中，在物理学领域，关于时间的研究一直是一个热门话题，一些理论，尤其是狭义相对论和广义相对论认为，一些合适的时空几何形状或空间中特定类型的运动，可能允许时间旅行到过去和未来。在一些技术论文中，物理学家讨论了Closed timelike curve闭合类时间曲线的可能性，这些曲线是在时空中形成闭合循环的世界线，世界线的因果未来中的某个点也处于其因果过去，允许物体回到自己的过去，这种情况可以被描述为时间旅行。已知存在一些广义相对论方程的解，这些解描述了包含闭合类时曲线的时空，例如Gödel spacetime哥德尔时空，又称哥德尔度量，是德国逻辑学家库尔特·哥德尔 Kurt Gödel 于 1949 年发现的爱因斯坦场方程的精确解，其中应力-能量张量包含两个项：第一个表示旋转尘埃颗粒均匀分布的物质密度，第二个表示负宇宙学常数。该解决方案具有许多不寻常的特性，特别是存在闭合的类似时间的曲线，这些曲线将允许在解决方案描述的宇宙中进行时间旅行，但这些解的物理合理性尚不确定。
8.5.4 闭合时间曲线的定义(左)和哥德尔时空的解(右)
从理论上讲在某些广义相对论时空几何中，允许以超过光速的速度旅行，例如cosmic strings宇宙弦、Alcubierre阿库别瑞驱动器，和可穿越的虫洞，宇宙弦是假设的一维时空结构中的拓扑缺陷，可能是在早期宇宙的对称性破坏相变过程中形成的，宇宙弦的形成有点类似于凝固液体中晶粒之间形成的缺陷，或者水冻结成冰时形成的裂缝。理论物理学家汤姆·基布尔（Tom Kibble）在1970年代首次考虑了它们的存在，但目前还没有被真正发现，从理论上讲，宇宙弦可以创建一个完整的“封闭式”的类似时间的曲线，一些科学家建议使用“宇宙弦”来建造一台时间机器，通过操纵让两根宇宙弦靠得很近，进而实现时空跳跃。阿库别瑞驱动是一种推测性的曲速驱动思想，根据该思想，航天器可以通过收缩其前方的空间并扩大其后方的空间来实现明显的超光速旅行，经典美剧《星舰迷航》中的企业号宇宙飞船就是采用这种技术实现超光速飞行，虫洞是广义相对论爱因斯坦场方程所允许的假设扭曲时空，类似空间中的细管，这类细管被认为可以连接两个距离很远的空间，如银河系的一头和另一头，但细管中没有地理位置或时间上的差别，从虫洞的一头进入后可以瞬间达到相距很远的另外一头，从而实现跨时空效应，但根据目前关于虫洞性质的理论，建造一个可穿越的虫洞需要存在一种具有负能量的物质，通常被称为“奇异物质”， 但目前这种物质只是一种尚未遇到的假设粒子和物质状态，但如果发现存在，其性质将在主流物理学的范围内。
在物理学另一重要的领域，量子力学中，一些微观世界的特殊物理现象，如量子隐形传态、EPR悖论或量子纠缠，似乎可以帮助创造了一种允许超光速通信或时间旅行的机制，事实上，量子力学的一些解释，具备一些超时空效应，如玻姆解释，假定一些信息在粒子之间瞬时交换，以保持粒子之间的相关性，这种效应被爱因斯坦称为“远距离的幽灵般的行动”。然而，量子力学中保留因果关系的事实是现代量子场论的一个严格结果，因此现代理论不允许时间旅行或超光速通信。在声称超光速的任何特定情况下，更详细的分析已经证明，要获得信号，还必须使用某种形式的经典通信。无通信定理还给出了一个一般证明，即量子纠缠不能用于比经典信号更快地传输信息。
美国物理学家休·埃弗雷特（Hugh Everett）在 他1957 年的博士论文中提出了现在被称为量子力学的many-worlds interpretation多世界解释 （MWI），该悖论中涉及时间旅行者到达与他们来自的宇宙不同的宇宙，有人认为，由于旅行者到达了另一个宇宙的历史，而不是他们自己的历史，因此这不是“真正的”时间旅行。公认的多世界解释表明，所有可能的量子事件都可能发生在相互排斥的历史中。然而，一些变化允许不同的宇宙相互作用。这个概念最常用于科幻小说中，但一些物理学家，如大卫·多伊奇（David Deutsch）认为，时间旅行者最终应该进入与他开始的历史不同的历史。另一方面，斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）认为，即使多世界解释是正确的，我们也应该期望每个时间旅行者都经历一个单一的自洽历史，因此时间旅行者仍然留在自己的世界中，而不是前往另一个世界。物理学家艾伦·埃弗雷特（Allen Everett）认为，多伊奇的方法“涉及修改量子力学的基本原理;它当然不仅仅是简单地采用多世界解释“。埃弗雷特还认为，即使多伊奇的方法是正确的，这也意味着任何由多个粒子组成的宏观物体在通过虫洞回到过去时都会被分裂，不同的粒子出现在不同的世界中。
除了以上这些理论物理中的时空旅行概念，一些实验物理学家似乎通过一些实验证明来解释因果关系是颠倒过来，从而在逻辑上解释时间上的因果逻辑可以产生类似时间的旅行效果，例如利用量子力学中的一对纠缠光子，马兰·斯卡利Marlan Scully进行了The delayed-choice quantum eraser experiment延迟选择量子橡皮擦实验，将光子分为“signal photons信号光子”和“idler photons闲光子”，信号光子从两个位置之一出现，然后测量它们的位置，就像在双缝实验中一样。根据闲置光子的测量方式，实验者可以了解信号光子来自两个位置中的哪一个，或者“擦除”该信息。尽管在对闲置光子做出选择之前可以测量信号光子，但当人们将闲置光子的测量与相应的信号光子相关联时，这种选择似乎追溯性地决定了是否观察到干涉图案。然而，由于只有在测量闲置光子并且它们与信号光子相关之后才能观察到干涉，因此实验者无法仅通过观察信号光子来判断将提前做出什么选择，只能通过从整个系统中收集经典信息;因此因果关系得以保留 。
目前无论是理论物理学还是实验物理学，也仅仅从最基础的理论上解释了一些潜在的实现时间旅行的可能，但人类离实现这种技术确实还很遥远，许多人认为，未来时间旅行者的缺席表明这种技术永远不会被开发出来，表明这是不可能的。这类似于Fermi paradox费米悖论，与缺乏外星生命的证据有关，由于没有外星访客并不能绝对证明他们不存在，因此时间旅行者的缺席并不能证明时间旅行在物理上是不可能的，只是从未被开发或谨慎使用。卡尔·萨根（Carl Sagan）曾经提出过这样一种可能性，即时间旅行者可能存在于当今，但正在伪装他们的存在，或者不被承认为时间旅行者。广义相对论的某些版本表明，时间旅行只可能在某种方式扭曲的时空区域中进行，因此时间旅行者将无法回到该区域存在之前的时空中早期区域。斯蒂芬霍金表示，这将解释为什么世界还没有被“来自未来的游客”所淹没。
已经进行了几项实验，试图吸引可能发明时间旅行技术的未来人类回到当代向现在的人们展示它。麻省理工学院的时间旅行者大会等活动大力宣传了未来时间旅行者见面的时间和地点。1982年，马里兰州巴尔的摩的一个团体，举办了一场此类活动，欢迎来自未来的游客。这些实验只有可能产生一个积极的结果，证明时间旅行的存在，但到目前为止都失败了，没有时间旅行者参加过这两个事件，很多学者曾在哲学角度讨论过时间旅行的可能性，许多哲学家认为，相对论意味着永恒主义，即过去和未来存在于真实意义上，而不仅仅是已经发生或将要发生的变化，时间是一个类似空间维度的新维度，未来事件“已经存在”，在相同的意义上，存在不同的地方，并且没有客观的时间流动，这就意味着在时间这一维度上是可以向前或先后移动的，但这一观点目前存在争议。现在主义是另一种哲学流派，认为未来和过去只是作为已经发生或将要发生到现在的变化而存在，它们没有自己的真实存在。在这种观点中，时间旅行是不可能的，因为没有未来或过去可以去旅行。
8.5.9 巴尔的摩的一个团体刊登的寻找未来人的广告
最著名的一个关于时间履行的哲学理论是祖父悖论The grandfather paradox，又称外祖母悖论，该理论设想了一个假想条件，悖论情形如下：假如你回到过去，在自己父亲出生前把自己的祖父母杀死，但此举动会产生一矛盾的情况：你回到过去杀了你年轻的祖母，祖母死了就没有父亲，没有父亲也不会有你，那么是谁杀了祖母呢？ 或者看作：你的存在表示，祖母没有因你而死，那你何以杀死祖母？对于祖父悖论，之前提到的多世界解释理论似乎可以解决这一矛盾，即存在无数个平行宇宙，当某人回到过去杀你的祖父母时，此人杀的其实是另一个宇宙的人，或者你的这个举动也可以创造一个新的平行宇宙，而此人的“祖父”或“祖母”的死只会使那个平行宇宙的此人不再存在，而这个平行宇宙的此人则平安无事。当然哲学领域涉及时间旅行的理论还有很多，如本体论悖论Ontological paradox，从一个更为复杂的逻辑结构中解释时间旅行的可行性，但无论那种理论，都只是纸面上的哲学讨论，离时间旅行的技术实现还相距甚远。
近代民间传过一些时间旅行的传说，一些流传的故事版本中称发现了时间旅行者或时间机器，但最后都被证实为谣言，误判或者伪造，例如一张 1941 年照片拍摄的不列颠哥伦比亚省金桥南福克大桥重新开放的群众照片，一个带现代款太阳镜和印花T恤的男子曾被认为是一名时空旅行者，但后来证实那款太阳镜和衣服在当时确有生产，只是不普及而已，类似的例子还有很多，例如一些老照片中人们拿着的便携式助听器被认为是回到过去的人带着的手机，还有一些在互联网流行自称是未来人发的预测网络帖文，目前来看全是杜撰，还有声称成功建造了时间观察器的大利本笃会修道士佩莱格里诺·埃尔内蒂（Pellegrino Ernetti），他称自己的设备可以在没有声音的情况下拍摄过去，甚至获得耶稣被钉十字架的照片，但照片中的耶稣被证实为是科勒瓦伦扎镇的Santuario dell’Amore Misericordioso明信片的反转图像，类似的关于时间旅行的事件或传言在近些年充示着各种媒体和网络，但最后基本都证实为虚假信息。
人类社会发展到今天，科学技术领域已经取得了辉煌的成就，很多领域的成果放在几百或者几千年前的古人眼里就如同神话故事一般，但这仅限于地球的发展史中，毕竟人类存在的时间还过于短暂，而放眼到浩瀚的宇宙当中，人类今天的成果又是如此的渺小，我们的文明甚至还没有登陆同一太阳系中的其他行星，更不必谈冲出太阳系，靠着化石燃料是无法实现这样的基本目标的，除非有物理技术上的大突破，但目前还远远没有达到，而对时间旅行这样更为深奥的领域，目前人类也只能在基础理论上进行探讨，距离实现还很遥远，但以目前的发展速度，人类再过几千年会发展到何种程度没人会给出准确的答案，在更远的未来实现技术上的突破从而进行时间旅行也说不定.