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時間旅行或稱時空旅行、時光旅行或穿越時空等，泛指人或物體由某一時間點移至另一時間點，類似在空間中的移動。所有事物都順着時間一分一秒地自然前進，因此這裡的時間旅行單指違反這種自然時間變化的方式：前往未來，或是回到過去。這在哲學和虛構作品中是廣為人知的概念。時間旅行通常借着存在於假想中的時間機器進行，這概念因1895年H·G·威爾斯的小說《時間機器》而普及起來。根據目前的物理學，無法確定是否可能進行回溯時間旅行（回到過去）；而在狹義相對論和廣義相對論的架構下，朝向未來的時間旅行已被透徹了解，且是經過大量觀測的現象。然而，現今的科技無法讓一物相對於另一物的時間超越或延遲超過幾毫秒。至於回溯的時間旅行，找到允許這件事的廣義相對論解不是不可能，但符合該解的條件可能在物理上無法達成。理論物理學對時空旅行的支持非常有限，通常只牽涉到量子力學或蟲洞。

概念的歷史

一些古老的神話描繪了跳躍至未來的人物。印度神話中，梵文史詩《摩訶婆羅多》提到卡卡德米國王的故事。故事中的國王前往天堂與創造神梵天會面，回到地球後發現已經過了許多年。佛教的《巴利三藏》提到時間的相對性，其中《弊宿經》講述佛陀一位主要門徒摩訶迦葉解釋天堂的時間流逝和地球不同。《日本書紀》首次描述的日本故事〈浦島太郎〉講述一位名浦島太郎的年輕漁夫造訪了海底的宮殿，三天後回家時發現外界已經過了300年。《後漢書·郡國志》中記載了〈爛柯山〉的故事：有個人上山砍柴，看到兩個人在下棋，便於一旁觀棋。他才觀棋不久，手上斧頭的握柄已經爛掉了，回家後更發現世間已過了百年。

科幻

早期的科幻故事的特點為讓角色沉睡多年，醒後發現身處改變了的社會，或被超自然現象送至過去。路易·薩巴斯欽·梅西耶所著的《2440年，一個似有若無的夢》（1770）、華盛頓·歐文所著的《李伯大夢》（1819）和愛德華·貝拉米所著的《回顧》（1888）等作品，就是用這樣的手法來進行時間旅行。

物理學中的時間旅行

根據狹義相對論和廣義相對論等，恰當的時空幾何或空間中特定的移動方式可能可以容許進行朝向過去或未來的時間旅行（如果能實現那樣的幾何和移動）:499。物理學家在技術論文中探討了封閉類時曲線（閉時曲線）的可能性。閉時曲線是世界線在時空中形成的閉環，容許物體回到自身的過去。廣相中有描述時空的方程，已知有些方程的解包含閉時曲線，如哥德爾時空。不過那些解物理上的可信性仍不確定。

時間膨脹

大量可觀察的證據支持狹義相對論的時間膨脹和廣義相對論的重力時間膨脹，如著名且易於重現的大氣μ子衰變觀測。相對論表明，光速對於所有參考系的觀察者都是不變的，永遠都一樣。時間膨脹則是光速不變的直接結果。時間膨脹在某種意義上可視為「進入未來的時間旅行」：一個人可利用時間膨脹使自己的時間流逝得比其他地方慢；也就是自己經過較少時間，而其他地方流逝的時間較多。這可以藉由以相對論性速度行進或藉重力的效應實現

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