时间旅行或称时空旅行、时光旅行或穿越时空等，泛指人或者其它物体由某一时间点移动到另外一个时间点。事实上，所有的人都顺着时间一分一秒地自然前进，所以时间旅行单指违反这种自然时间变化的方式：要么是前往遥远未来，要么是回到过去。

时间旅行常常作为戏剧或者小说中，将人物放在不同时空中的手段。

根据爱因斯坦的相对论，在某些状况，例如不同的速度、重力下，两个物体之间时间流动的速度会不同。这在某种意义上，可以称得上是“天上方一日，人间已千年”的时间旅行。但是这类的方式，只能让你前往未来，而不能让你回到过去。这种单方向的时间旅行与传统上在科幻中的典型“时间旅行”并不相同。科幻中的时间旅行往往会有较多的自由（当然为了戏剧性，也会有所限制）。

根据狭义相对论，时间是可以伸展和收缩的，视观察者移动多快而决定。举例，假设A在纽约登机飞到里约热内卢，然后马上再飞回纽约，而B则一直在纽约肯尼迪机场里。这趟旅程所费的时间对于A和B并不相同，对A而言，实际上所花的时间会更少。在一九七一年时，物理学家乔·哈菲尔（Joe Hafele）和理查·基廷（Richard Keating）作出证明。他们将高度精确的原子钟放在飞机上绕着世界飞行，然后将读到的时间与留在地面上完全一模一样的时钟做比较。结果证实：在飞机上的时钟走得比实验室里的慢。然而霍金指出，借由这种方式，“人们所获得的比一秒还短得多的生命延长，远远不及劣质飞机餐对健康的残害。”物理学家将因运动而造成的时间减缓称为时间膨胀效应：当运动速度越快，时间变得越慢（这是指静止的观察者所看到的，在高速运动的人自己看来，没有什么不同，见相对性原理）。

以上对于运动跟时间的效应的说明，跟时间旅行有什么关系呢？以下引用双生子佯谬来做进一步的解释：莎莉和山姆是一对孪生子，他们决定测试爱因斯坦的理论，所以莎莉在2001年登上火箭，以99%光速飞向10光年之外的恒星，山姆则待在家里。当莎莉抵达目的地时，立即掉头，并以相同的速度返回地球。以山姆来看，这趟旅程的时间长短大约为地球上20年，但是莎莉所经历的时间却不同。对她来说，这趟旅程还不到3年，所以当她回到地球时，她发现时间已变为2021年，而山姆比她老了17岁，或者说莎莉已经被送到山姆17年后的未来。（目前地球上最快的太空船只能到达0.01%光速。）

速度只是扭曲时间的一种方法，重力则是另一种方法。爱因斯坦于1915年提出广义相对论，将重力场对时间与空间的影响包括在理论中。如将数字代入爱因斯坦的理论中，会发现地球本身的重力造成时钟每300年慢1微秒。1976年，罗伯特·维索特（Robert Vessot）和马丁·列文（Martin Levine）从西维吉尼亚州将一枚载有氢迈射时钟的火箭发射到太空，然后在地面上仔细监控。几个小时后，火箭坠落进大西洋，而上面的时钟比地球的时钟多出了约0.1微秒。如果可以神奇地将地球挤压到一半的大小（保留所有质量），地球表面的重力将变成2倍大，时间的扭曲也会变成2倍大。如继续挤压下去，当地球的半径变成0.9厘米时，时间将会“停止”，没有东西可以逃脱。详见黑洞、史瓦西半径。

在质量不变时，压缩其体积，会导致星体的表面的引力场强度增加。宇宙中会发生这种压缩，例如“中子星”。天文学家已确认在典型中子星表面上的时钟，会走得比地球表面上的慢30%。若能够在中子星表面望地球，将会看到地球上的事情加快速度，就像是快速放映录像带节目一样，不过中子星附近的时间，看起来还是以正常速度流动。

一般认为前往遥远的未来在物理上是可能的，只需坐上足够快的飞船，这种时空旅行的结果可由狭义相对论计算。利用万有引力也可以（坐在引力场极强的地方），这种计算涉及广义相对论。注意这里指的是已经发现的自然规律提供了这些方法，这并不是说从技术和资金上，人类已经可以完成这些事情。人类可以把微观粒子送往未来（可以用粒子的半衰期来检验），但把宏观物体送往（较大幅度的）未来尚未能实现。

没有物理定律明确表述回到过去（即使小幅度）是可能的。有一种说法是只要超过光速，就能回到过去，但这是科幻小说的假想和大众媒体中的误读：光速不可超越是相对论所设的前提条件，并且此限制体现在方程中，若光速被超越（姑且认为这是可能的），则相对论失效，不能作出任何预言。若承认相对论正确，则不可能通过超越光速（因为相对论指出光速不可被超越）的方式来完成回到过去的目标。（但这并没有否认用别的方式来完成的可能性）

另外，相对论声称不能使物体的速度超过光速，但没有禁止有“一直比光运动更快”的物质（快子）存在。如果有这种物质，且人类能用它来传递信息，则也能用它来向过去传递信息。

而在广义相对论中，有一种封闭类时曲线（closed timelike curve，CTC）可作为回到过去的时空旅行理论，根据数学家哥德尔的计算，这在理论上正确，目前仍由理论物理学家研究中。

物理上，也会以时间旅行作为思想实验的工具，来检验一些理论（如相对论、量子力学）可能产生的推论。现在人类还没有时间旅行（这里指的是回到过去，或前往遥远的未来）的能力，也没有任何成功的实验。但这并不能排除回到过去的可能性。

时间旅行的未知数

质疑时间旅行的人，多半会提到祖父悖论。简而言之就是“如果你回到过去并杀死你的祖父（在你父亲出生前），你还会存在吗？”，但关于这种说法，也有人提出了历史一致论（consistent histories）、命定悖论和多重宇宙理论来作为解答。否定时间旅行的人也指，如果未来的人能够回到过去，那么我们应该早就看到很多从未来回来的观光客了，对此，时间旅行的支持者多会用未来政府相关法令，或时间旅行者自知不能随意行动来回答，也有人会用无法改变过去来回答（即使妄图改变也是无用）。但这种并非由物理法则，而是由人类自己的规定的限制无法解决因违反因果律而引起的悖论。

不管如何，时间旅行者的能力一定是受到某种限制的。

就以祖父悖论如果真的可以成功回过去是会有何种结果？而且如果回过的时间愈久远会否引起历史改变的蝴蝶效应愈严重？但既然自然界时间是往未来前进，若有人能回到过去时空并改变历史，那就算同时改变了未来，也可能不会影响已经跑到过去时空位于过去时空的自己，因为他自己就位于这被改变的历史时间轴的最前端，而自然界时间是自动往未来前进，资讯可能也是自动往未来前进，想影响改变过去必须有人故意使用回到过去的时空旅行科技，自然界不会自己改变过去历史影响已经位在过去时空的时空旅行者，如此就没有祖父悖论的时空矛盾，而突然被改变历史的未来人类也可能不知道他们所知的历史是新版本历史，但也许会感觉到对某些人事时地物有似曾相识之感，旧版本历史已被改变并可能自动消失。

有些小说中的时间旅行还涉及对“热力学第二定律”的违背。简单来说你回到过去把一枚戒指送给了某人，而这个戒指正是他送你的。这样，那一枚戒指在相互赠送的过程中必须始终完好无损，否则即使是最轻微的划伤，也将导致违背定律。而且在这一过程，没有办法说明戒指的来源。有些文学作品（例如谷川流的《逃离学校》）中有这种情节。但既然宇宙时空是连续的，所谓过去现在未来是人类的区分与说法，哪一段时空包含多少物质与能量不得而知，或物质与能量总量应以全部的宇宙时空来看待不可分段，那可能就无热力学第二定律的问题。

虽然目前时间旅行还没有任何实质的科学证据，但同样地，目前的物理学也还无法排除（能回到过去的）时间旅行的可能性。

使用虫洞

广义相对论预言如果有可以通过的虫洞存在，则回到过去是可能的。从广义相对论知道，时空是可以被扭曲的，如果时空被扭曲的太厉害，就有可能回到过去。简单地说，就是指你驾驶一艘太空船钻进虫洞，再从另一端出来，就会抵达另一个时空。

虽然依照ER=EPR的公式（ER桥与EPR桥是同一种存在），人类已经可以自行制造虫洞并保持一段时间，但目前还无法制造可以用来让宏观物体通过的虫洞。

不过即使可以通过的虫洞存在，能否通过其到达未来也仍然是未知的。因为虽然依照ER=EPR广义相对论本身可以描述量子效应，但目前该公式仅在简化宇宙中得到证明，换而言之，在现实世界中能否利用其进行时间旅行尚未被证明。

有人用半经典的方法把量子效应融入广义相对论，然后得出虫洞会产生出正反馈摧毁虫洞。为了解决这一矛盾，只好假设任何进入虫洞的辐射都会散开，从而阻止任何向过去传递信息的企图。

世界中心论

在一些时间旅行的立论基础，常陷入必需假定地球为世界中心的前提。因为地球在自转，地球绕着太阳在公转，太阳系绕着银河系的中心转。因此在地表A点仅移动时间轴的时间旅行，难以在不同的时间的地表A点出现，因为绝对坐标与相对坐标早已出现明显的偏差。