دانشمندان فکر نمی‌کنند که احتمال انجام این کار در دنیای واقعی وجود داشته باشد، اما هیچ‌گاه آن را دست‌کم نمی‌گیرند و کار کردن بر روی این موضوع را متوقف نمی‌کنند. در واقع، از نظر قوانین فیزیک ، شاید سفر در زمان امکان‌پذیر باشد، اما سخت‌ترین قسمت این موضوع، جزئیات آن است.

سفر در زمان و رفتن به آینده نزدیک آسان است: در حال حاضر شما با سرعت یک ثانیه در ثانیه مشغول انجام آن هستید، و فیزیکدانان می‌گویند که این سرعت می‌تواند تغییر کند. طبق نظریه نسبیت خاص انیشتین، جریان زمان به سرعت حرکت شما بستگی دارد. هر چه سریعتر حرکت کنید، ثانیه‌ها کندتر می‌گذرند. و طبق نظریه عام نسبیت اینشتین، گرانش بر ساعت‌ها نیز تأثیر می‌گذارد: هر چه گرانش بیشتر باشد، زمان کندتر می‌شود.

دیو گلدبرگ، کیهان‌شناس دانشگاه درکسل می‌گوید:«نزدیک بودن به اجسامی که جرم زیادی دارند(نزدیک سطح ستاره‌های نوترونی یا حتی در سطح زمین، با اینکه تاثیر آن بسیار کم است) باعث می‌شود تا زمان کندتر سپری شود.»

به گفته گلدبرگ اگر شخصی در نزدیکی لبه یک سیاهچاله که نیروی گرانش در آن بسیار زیاد است قرار گیرد، ممکن است زمانی که برای او سپری می‌شود تنها چند ساعت باشد، در حالی که برای افراد روی زمین، ۱۰۰۰ سال گذشته باشد. اگر شخصی که در نزدیکی این سیاهچاله است به زمین بازگردد، عملا به آینده سفر کرده است. این یک اثر واقعی و غیرقابل بحث است.»

با این حال، عقب رفتن در زمان سخت‌تر می شود (سخت‌تر از تکه تکه شدن در داخل یک سیاهچاله). دانشمندان دهه‌ها است که از پارادوکس‌های سفر در زمان در نسبیت عام آگاه بوده‌اند. فابیو کاستا، فیزیکدان موسسه نوردیک در فیزیک نظری، خاطرنشان می‌کند که راه حل سفر در زمان برای اولین بار با سناریویی که در دهه ۱۹۲۰ نوشته شده بود، آغاز شد.

راه‌حل آنها شامل یک استوانه بزرگ و بلند بود که به سرعت می‌چرخید، درست مانند کاهی در کف دستان شما و فضا-زمان(spacetime) نیز همراه با آن می‌چرخید. ایده اصلی این کار که چنین دستگاهی می‌تواند به عنوان یک ماشین زمان عمل کرده و به شخص اجازه بدهد تا به گذشته سفر کند، به دهه ۱۹۷۰، یعنی چند دهه پس از اینکه دانشمندان پدیده‌ای به نام «منحنی‌های زمان گونه بسته» را کشف کردند، باز می‌گردد.

کاستا می‌گوید: «یک منحنی زمان گونه بسته، مسیر یک ناظر فرضی را توصیف می‌کند که با وجودی که همیشه از نظر خودش در زمان به جلو سفر می‌کند، در نقطه‌ای خود را در همان مکان و زمانی می‌بیند که از آنجا شروع کرده‌ و یک حلقه ایجاد می‌کند. این در منطقه‌ای از فضا-زمان که توسط گرانش منحرف شده و به درون خود، حلقه می‌شود امکان‌پذیر است.»

او می‌افزاید: «اینشتین [درباره منحنی‌های زمان‌ گونه بسته] مطالعه کرد و از این ایده استقبال نکرد.» با این وجود این پدیده باعث شکل‌گیری تحقیقات بعدی شد.

علم در دهه ۱۹۸۰ امکان سفر در زمان را جدی گرفت. مثلا در سال ۱۹۹۰، ایگور نوویکوف، فیزیکدان روسی و کیپ تورن، فیزیکدان آمریکایی، در یک مقاله تحقیقاتی درباره «منحنی‌های زمان مانند بسته » با یکدیگر همکاری کردند. کاستا می‌گوید: «آنها در این کار نه تنها به مطالعه چگونگی ساخت یک ماشین زمان پرداختند، بلکه چگونگی کار آن را نیز بررسی کردند.»

کار بسیار مهم دیگری که آنها انجام دادند، بررسی مشکلات سفر در زمان بود. مثلا اینکه اگر یک توپ بیلیارد را داخل ماشین زمان بیاندازید، و این توپ به گذشته سفر کند و با گذشته خود روبرو شود و خود فعلی‌اش هرگز نتواند وارد ماشین زمان شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ کاستا می‌گوید:« به نظر می‌رسد که این یک پارادوکس است.»

او می‌گوید از دهه ۱۹۹۰ علاقه زیادی به این موضوع ایجاد شده، اما پیشرفت بزرگی حاصل نشده است. اما در حال حاضر روی این موضوع زیاد کار نمی‌شود، زیرا تمام مدل‌های پیشنهادی ماشین زمان دارای مشکلاتی هستند. گاوراو خانا از دانشگاه رود آیلند می‌گوید: «این کار جذابیت‌هایی دارد و پتانسیل احتمالی برای این کار وجود دارد، اما وقتی یکنفر شروع به کشف جزئیات کار می‌کند، با موانع زیادی مواجه می‌شود.»

برای مثال، بیشتر مدل‌های سفر در زمان به جرم منفی و در نتیجه انرژی منفی نیاز دارند، زیرا همانطور که آلبرت انیشتین هنگام کشف فرمول E = mc2 نشان داد، جرم و انرژی یکی هستند. حداقل در تئوری، همانطور که یک بار الکتریکی می‌تواند مثبت یا منفی باشد، جرم نیز می‌تواند همین خصوصیت را داشته باشد؛(اگرچه تاکنون هیچکس نمونه‌ای از جرم منفی را پیدا نکرده است!). چرا سفر در زمان به چنین موضوع عجیب و غریبی بستگی دارد؟ در بسیاری از موارد، برای باز نگه داشتن یک کرم چاله(تونلی در فضا-زمان) که توسط نسبیت عام پیش‌بینی می‌شود، لازم است که یک نقطه از کیهان به نقطه دیگر وصل شود.

بدون جرم منفی، گرانش باعث فروپاشی این تونل خواهد شد. گلدبرگ می‌گوید: «می‌توانید آن را به عنوان خنثی کننده جرم یا انرژی مثبتی که می‌خواهد از کرم‌چاله عبور کند، در نظر بگیرید.»

خانا و گلدبرگ هر دو بر این موضوع اتفاق نظر دارند که بعید است ماده‌ای با جرم منفی وجود داشته باشد؛ با این حال خانا خاطرنشان می‌کند که برخی از پدیده‌های کوانتومی، وجود انرژی منفی در مقیاس‌های بسیار کوچک را نوید می‌دهند. او می‌گوید، اما این مقدار حتی نزدیک به مقدار انرژی که ما برای یک ماشین زمان واقعی نیاز داریم، نیست.

به خاطر همین چالش‌ها بود که خانا ابتدا کارولین مالاری و سپس دانشجوی فارغ‌التحصیلش در دانشگاه داتموث ماساچوست را از انجام پروژه سفر در زمان منصرف کرد. بهرحال مالاری و خانا کار را ادامه دادند و ماشین زمان نظری را ارائه کردند که نیاز به جرم منفی نداشت. به زبان ساده، ایده مالاری این بود که اگر دو اتومبیل موازی که هر کدام از مواد معمولی ساخته شده‌اند داشته باشید و یکی را پارک کرده و دیگر را با شتاب بسیار بالا به حرکت دربیاورید، یک منحنی بسته زمانی بین آنها شکل می‌گیرد.

ساده به نظر می‌رسد. اما با وجود اینکه مدل طراحی شده توسط مالاری نیاز به ماده منفی را از بین می‌برد، اما مانع دیگری ایجاد می‌شود: در داخل ماشین‌ها به چگالی بی‌نهایتی نیاز است تا فضا-زمان را طوری تحت تاثیر قرار دهد که برای سفر در زمان مفید باشد. این حجم از چگالی نامحدود را می‌توان در داخل سیاهچاله‌ها یافت، جایی که گرانش آنقدر قدرتمند است که ماده را به یک فضای کوچک شگفت‌انگیز به نام تکینگی می‌برد. در این مدل، هر یک از خودروها باید دارای چنین تکینگی باشند. مالاری می‌گوید:«یکی از دلایلی که تحقیقات زیادی در مورد این مسائل انجام نشده است، همین محدودیت‌هاست.»

سایر محققان مدل‌هایی از سفر در زمان را ساخته‌اند که شامل یک کرم چاله یا یک تونل در فضا-زمان، از یک نقطه در کیهان به نقطه دیگر است. گلدبرگ می‌گوید:«این یک نوع میانبر در جهان هستی است.» تصور کنید که یک سر کرم‌چاله را با سرعت نور شتاب دهید و سپس آن را به جایی که از آن آمده است بازگردانید. او می‌گوید:« دیگر دو سر این کرم‌چاله با هم هماهنگ نیستند، یکی در گذشته است و یکی در آینده». اگر بین آنها قدم بزنید، یعنی در حال سفر در زمان هستید.

شما می‌توانید مشابه این کار را با حرکت دادن یک سر کرم چاله در نزدیکی یک میدان گرانشی بزرگ (مانند سیاهچاله)انجام دهید، در حالی که انتهای دیگر را نزدیک یک نیروی گرانشی کوچکتر نگه داشته‌اید. به این ترتیب، زمان در سمت گرانش بزرگ کند می‌شود، و اساساً به یک ذره یا تکه‌ای دیگر از جرم اجازه می‌دهد تا نسبت به طرف دیگر کرم‌چاله، در گذشته بماند.

با این حال، ساخت کرم چاله به جرم و انرژی منفی نیاز دارد. کرم چاله‌ای که از جرم معمولی ایجاد می‌شود به دلیل گرانش فرو می‌ریزد. گلدبرگ می‌گوید: «بیشتر این طرح‌ها معمولاً قسمتهایی شبیه به هم دارند.» آنها از نظر تئوری امکان‌پذیر هستند، اما در حال حاضر هیچ راه عملی برای ساختن آنها وجود ندارد، مثل این است که بخواهیم یک پیتزای خوشمزه اما بدون کالری بپزیم! و این امکان‌پذیر نیست.

شاید مشکل این نیست که ما نمی‌دانیم چطور ماشین‌هایی برای سفر در زمان بسازیم. بلکه اساسا انجام این کار جز در مقیاس میکروسکوپی امکان‌پذیر نباشد؛ این نظریه فیزیک‌دان معاصر استیون هاوکینگ بود. او نظریه احتمال حفاظت گاه‌شماری(the chronology protection conjecture) را مطرح کرد: جهان اجازه سفر در زمان را به ما نمی‌دهد، زیرا اجازه تغییر در گذشته را نمی‌دهد. او در مقاله‌ای که در Physical Review D در سال ۱۹۹۲ منتشر شد نوشت:«به نظر می‌رسد که یک آژانس حفاظت از زمان‌شناسی وجود دارد که از ظهور منحنی‌های زمان‌گونه بسته، جلوگیری می‌کند و جهان را برای مورخان امن می‌سازد»

بخشی از استدلال او شامل پارادوکس‌هایی است که سفر در زمان ایجاد خواهد کرد. مثلا وضعیت توپ بیلیارد که در بالا ذکر شد و یا پارادوکس معروف «پدربزرگ»: اگر شما به گذشته برگردید و پدربزرگتان را قبل از بچه‌دار شدن بکشید، پس شما نمی‌توانستید متولد شوید، و نمی‌توانستید در زمان سفر کنید و نمی‌توانستید پدربزرگ خود را بکشید. اما با این وجود شما آنجا هستید.

با این حال، این پیچیدگی‌ها همان چیزی است که توجه آگوستین رایو، فیلسوف موسسه فناوری ماساچوست، را به خود جلب کرده است، زیرا پارادوکس‌ها فقط علیت و زمان‌شناسی را زیر سوال نمی‌برند. بلکه در مورد مبحث اختیار نیز تردیدهایی ایجاد می‌کند. اگر فیزیک می‌گوید می‌توانید به گذشته برگردید، پس چرا نمی‌توانید پدربزرگ خود را بکشید؟ "چه چیزی شما را متوقف می‌کند؟" مگر شما آزاد نیستید؟

«رایو» تردید دارد که سفر در زمان با اراده آزاد(اختیار) سازگار است. او می‌گوید: «گذشته‌ها، گذشته است. بنابراین، اگر در واقع، پدربزرگ من آنقدر زنده مانده که بچه دار شود، سفر در زمان و رفتن به گذشته تغییری در آن ایجاد نخواهد کرد. چرا اگر تلاش کنم شکست خواهم خورد؟ علت آن را نمی‌دانم زیرا اطلاعات کافی در مورد گذشته ندارم. چیزی که من می دانم این است که به نوعی شکست خواهم خورد.»

به عبارت دیگر، اگر شما به قصد کشتن پدربزرگتان به گذشته رفتید، ممکن است در مسیر، پایتان روی پوست موز برود و سر بخورید، یا اتوبوس را از دست بدهید. کاستا می‌گوید: «اینطور نیست که نیروی خاصی پیدا شود که شما را مجبور کند تا این کار را انجام ندهید. بلکه به دلایل کاملاً پیش پا افتاده در انجام آن شکست خواهید خورد.»

کاستا به همراه ژرمن توبار، دانشجوی دوره لیسانس خود در دانشگاه کوئینزلند استرالیا، در سال ۲۰۲۰ بر روی ریاضیاتی کار کردند که زیربنای ایده مشابهی بود: سفر در زمان بدون پارادوکس‌ها و با آزادی انتخاب امکان‌پذیر خواهد بود.

گلدبرگ به نوعی با آنها موافق است. او می‌گوید: «من قطعاً در دسته‌ای قرار می‌گیرم که فکر می‌کنم اگر سفر در زمان وجود داشته باشد، به گونه‌ای ساخته می‌شود که یک دیدگاه خودسازگار از تاریخ ایجاد کند. زیرا به نظر می‌رسد که بقیه قوانین فیزیکی ما اینگونه ساخته شده‌اند.»

هیچ کس نمی‌داند آینده «سفر در زمان به گذشته» چه خواهد بود. و تاکنون هیچ مسافر زمانی نیامده تا در این مورد به ما چیزی بگوید.