Die Relativitätstheorie Albert Einsteins bietet verschiedene Möglichkeiten für Zeitreisen.
Reisen in die Zukunft: Verlässt man mit einem fast lichtschnellen Raumschiff die Erde und kehrt nach Ablauf einer bestimmten Reisedauer wieder zurück, ist auf der Erde ein längerer Zeitraum verstrichen als an Bord des Raumschiffes. Die Ursache dafür ist die Zeitdilatation1, die nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein bei derartig hohen Geschwindigkeiten auftritt. Der genaue Ablauf einer solchen Zeitreise ist unter Zwillingsparadoxon2 beschrieben. Ein praktisches Experiment hierzu ist das Hafele-Keating-Experiment mit Atomuhren an Bord eines kommerziellen Linienflugzeugs. Joseph C. Hafele und Richard E. Keating brachten 1971 vier Cäsium-Atomuhren an Bord eines kommerziellen Linienflugzeugs, flogen zweimal rund um die Erde, zuerst ostwärts, dann westwärts, und verglichen die Uhren mit denen des United States Naval Observatory. Gemäß der speziellen Relativitätstheorie läuft die Borduhr langsamer als die Bodenuhr, verliert also an Zeit. Hingegen hat die Borduhr, die sich westwärts und damit entgegen der Erdrotation bewegt, eine geringere Geschwindigkeit als die Bodenuhr, gewinnt also an Zeit. Bei hinreichend großer Reisegeschwindigkeit und Beschleunigung wäre dabei im Prinzip in beliebig kurzer Reisedauer für den Reisenden eine beliebig ferne Zukunft auf der Erde erreichbar. Beispiel: Ein Raumschiff startet von der Erde und fliegt mit einer anfänglichen Beschleunigung von 1 g (entspricht irdischen Gravitationsverhältnissen) zu einem 28 Lichtjahre entfernten Stern. Auf halber Strecke ändert das Raumschiff das Vorzeichen der Beschleunigung und verzögert ebenso stark. Nach einem sechsmonatigen Aufenthalt kehrt das Raumschiff auf gleiche Weise, also bei gleichen Beschleunigungs- und Verzögerungsphasen zur Erde zurück. Für die Astronauten an Bord des Raumschiffs sind 13 Jahre, 9 Monate und 16 Tage verstrichen (Messung mit an Bord befindlicher Uhr). Auf der Erde sind bei der Rückkehr des Raumschiffs dagegen 60 Jahre, 3 Monate und 5 Stunden vergangen. Bei einer Reise zur Andromedagalaxie, die etwa 2 Millionen Lichtjahre entfernt ist, erhält man bei gleichen Bedingungen, weitaus größere Zeitunterschiede. Für die Erde vergehen etwa 4 Millionen Jahre, während für den Reisenden nur ungefähr 56 Jahre vergangen sind. Bei geringeren Geschwindigkeiten wirkt sich die Zeitdilatation praktisch nicht aus. Je höher jedoch die Geschwindigkeit, desto größer ist auch die Zeitdilatation. Die Lichtgeschwindigkeit (299 792,458 Kilometern pro Sekunde), ist dabei die absolute Höchstgeschwindigkeit. Je länger das Raumschiff beschleunigt, desto näher kommt es zwar an die Lichtgeschwindigkeit heran, es kann diese aber niemals erreichen, geschweige denn überschreiten. Dies ist dem Phänomen der relativistischen Massenzunahme gemäß dem von Einstein entdeckten und in seiner Formel E=mc² formulierten Naturgesetz geschuldet. Je schneller das Objekt, desto größer wird seine Masse und damit der Widerstand, den es weiterer Beschleunigung entgegensetzt. Um ein Objekt ganz auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wäre rechnerisch eine unendlich große Kraft erforderlich. Kein Objekt, so stark man es auch beschleunigt, kann deshalb je die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Reisen in die Zukunft sind aber zumindest theoretisch möglich.
Reisen in die Vergangenheit, hingegen werden von den meisten Wissenschaftlern bezweifelt und als reine Spekulation abgetan. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist es allerdings denkbar, dass zwei verschiedene Bereiche der Raumzeit über sogenannte Wurmlöcher miteinander verbunden sein könnten. Wenn die beiden Ausgänge eines solchen Wurmloches zwei Bereiche unterschiedlicher Zeit verbinden würden, wäre eine Zeitreise auch in die Vergangenheit möglich. Da Wurmlöcher aber normalerweise nicht sehr stabil sind und schnell zusammenbrechen, ist eine Passage nicht möglich. Möglicherweise könnte man ein Wurmloch mit sogenannter exotischer Materie3 zwar stabilisieren. Die Annahme der Existenz von exotischer Materie ist bisher auch nur spekulativ. Ein Erklärungsversuch geht von der Theorie aus, dass exotische Materie aus Quarks (subatomare Elementarteilchen, aus denen die Protonen und Neutronen aufgebaut sind), besteht. Quarks geben aber noch viele Rätsel auf. Überraschend war unter anderem die Beobachtung, dass Quarks weniger als zwei Prozent zur Protonen- beziehungsweise Neutronenmasse beitragen, obwohl sich die Masse eines Protons bzw. Neutrons eigentlich aus der Summe der Massen seiner Bestandteile ergeben müsste. Die Masse der Quarks wird gemäß dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik durch ihre Wechselwirkung, mit dem sogenannten Higgs-Teilchen, erzeugt. Doch unabhängig von jeder Theorie, Fakt ist, dass die für eine Stabilisierung von Wurmlöchern erforderliche Menge an exotischer Materie nach derzeitigem Wissensstand im gesamten derzeit bekannten Universum ohnehin nicht zur Verfügung steht. Eine weitere Möglichkeit von Zeitreisen bieten Tachyonen4, hypothetische Teilchen, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit und damit rückwärts in der Zeit bewegen. Tachyonen wurden experimentell bisher noch nicht nachgewiesen, sie existieren nur als mathematische Lösung einsteinscher Gleichungen. Die Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie erlauben mehrere mathematische Lösungsmöglichkeiten. Eine davon entspricht den Teilchen der normalen Materie (sogenannte Tardyonen), die sich mit Unterlichtgeschwindigkeit bewegen. Eine andere Lösung erlaubt Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum fortbewegen. Und eine dritte Möglichkeit erlaubt Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, eben die Tachyonen.
Wenn man von der theoretischen Möglichkeit ausgeht, dass Zeitreisen in die Vergangenheit irgendwann doch einmal möglich sein sollten, würde sich die grundsätzliche Frage stellen, wie das Paradoxon erklärt werden kann, das sich in diesem Zusammenhang aus der Verletzung der Kausalität ergibt, das sogenannte Großvaterparadoxon. Wenn ein Zeitreisender in der Zeit zurückreist, um seinen eigenen Großvater zu töten, ergeben sich zwangsläufig logische Widersprüche. Geschieht die Zeitreise nämlich vor dem Zusammentreffen des Großvaters mit der Großmutter des Zeitreisenden, würde der Zeitreisende mit der Tötung des Großvaters eine zwingende Ursache seiner eigenen Existenz auslöschen, wodurch wiederum weder Zeitreise noch Mord geschehen könnten. Eine Erklärung bietet vor allem die Mehrweltentheorie. Danach wäre die Vergangenheit, in die man reist, in einer Parallelwelt angesiedelt. Die Hypothese der Existenz von Parallelwelten wurde bereits in der Antike vertreten.
1) Dieser Effekt beschreibt in der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) das Phänomen, dass die Zeit in schnell bewegten Systemen langsamer verstreicht als in langsamer bewegten. Anders gesagt: Bewegte Uhren gehen langsamer. Dabei ist zu beachten, dass die Bewegung eines Systems relativ ist. Die Zeitdilatation ist umso stärker, je größer die Relativgeschwindigkeit ist. Der Maßstab ist die Lichtgeschwindigkeit.
2) Das Zwillingsparadoxon, ist ein Gedankenexperiment, das einen scheinbaren Widerspruch in der speziellen Relativitätstheorie beschreibt. Ein Zwilling fliegt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu einem fernen Stern, während der andere Zwilling auf der Erde zurückbleibt. Anschließend kehrt der reisende Zwilling mit derselben Geschwindigkeit wieder zurück. Nach der Rückkehr zur Erde stellt sich heraus, dass der dort zurückgebliebene Zwilling älter ist als der Gereiste. Dies ist eine Folge der Zeitdilatation. Die Höhe des Altersunterschieds zwischen den Zwillingen bei der Rückkehr wird durch die Geschwindigkeit der Reise und durch die zurückgelegte Entfernung bestimmt. Die Reisegeschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit bewirkt zusammen mit den astronomischen Entfernungen zum fernen Stern einen Altersunterschied von mitunter vielen Jahren.
3) Mit exotischer Materie sind im allgemeinen Teilchen gemeint, die nicht aus Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut sind, und im Speziellen auf hypothetische Materie mit negativer Energiedichte. Materie mit negativer Energiedichte kann theoretisch zur Erzeugung von Wurmlöchern oder der Realisierung eines Warp-Antriebs dienen. Es gibt allerdings keine Hinweise auf die Existenz solcher Materie. Insbesondere ist Antimaterie kein Beispiel für Materie mit negativer Masse, da auch Antimaterie Masse und damit eine positive Energiedichte hat.
4) Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Experimentell kann man Tachyonen mit elektrischer Ladung ausschließen, da sie durch Tscherenkow-Strahlung sehr leicht nachweisbar wären. Ebenso können Tachyonen mit Farbladung ausgeschlossen werden, die der starken Wechselwirkung unterliegen. Schwach wechselwirkende, nicht oder nur gravitativ oder durch hypothetische andere Kräfte wechselwirkende Tachyonen können jedoch vom experimentellen Standpunkt her nicht ausgeschlossen werden. Seit den 1980er Jahren befassen sich einige Physiker mit der These, dass Neutrinos Tachyonen sind.