Die Relativitätstheorie bietet verschiedene Möglichkeiten für Zeitreisen.

Verlässt man mit einem fast lichtschnellen Raumschiff die Erde und kehrt nach einer gewissen Zeit wieder zurück, so ist auf der Erde eine größere Zeit verstrichen als an Bord des Raumschiffes. Die Ursache ist die Zeitdilatation, die nach der speziellen Relativitätstheorie bei derartig hohen Geschwindigkeiten auftritt. Der genaue Ablauf einer solchen Zeitreise ist unter Zwillingsparadoxon beschrieben. Bei hinreichend großer Reisegeschwindigkeit und Beschleunigung wäre dabei in dem Prinzip in beliebig kurzer Reisezeit eine beliebig ferne Zukunft erreichbar.

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist der Lauf der Zeit auch von den Gravitations- und Beschleunigungsbedingungen abhängig, denen ein System unterworfen ist. So vergeht die Zeit auf der Spitze eines Berges schneller und in einem Bergwerk langsamer als auf Meereshöhe. Dieses Phänomen ließe sich als Zeitreise in die Zukunft interpretieren, wobei nicht ca. eine raschere sondern auch eine gebremste Reise möglich ist. Der in diesem Sinne am weitesten "gereiste" Mensch ist ein russischer Kosmonaut, der 784 Tage an der Bord der Raumstation Mir verbrachte. Er "reiste" in dem Vergleich zu seinen erdgebundenen Mitmenschen etwa eine Fünfzigstelsekunde in die Zukunft.

Auf einem Neutronenstern können derartige Effekte erheblich sein. So könnte ein Bewohner eines Neutronensterns eine zeitaufwändige Aufgabe in einer Umlaufbahn um den Stern erledigen, um einen Termin auf der Sternoberfläche leichter einhalten zu können.

Inwieweit Reisen in die Vergangenheit grundsätzlich möglich sind, ist nicht abschließend geklärt. Folgende Möglichkeiten sind denkbar:

• Nach der allgemeinen Relativitätstheorie ist es denkbar, dass zwei verschiedene Bereiche der Raumzeit über so genannte 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. Allerdings zeigen Rechnungen, dass Wurmlöcher normalerweise nicht stabil sind und so schnell kollabieren, dass eine Passage nicht möglich ist. Hätte man hypothetische Materie mit negativer Energiedichte, so genannte exotische Materie , so könnte man damit ein Wurmloch stabilisieren.

• Eventuell wäre auf einer speziellen Flugbahn in der Umgebung eines hinreichend schnell rotierenden Schwarzen Loches eine Reise in die eigene Vergangenheit möglich. Man nimmt jedoch an, dass es keine derartig schnell rotierenden Schwarzen Löcher gibt.

• Eine Zeitreise in die Vergangenheit wäre auch in der Umgebung zweier kosmischer Strings möglich, die hinreichend schnell aneinander vorbei fliegen. Die Existenz solcher Strings ist jedoch umstritten.

• Zeitreisen in die Vergangenheit wären ferner möglich, wenn der gesamte Kosmos rotieren würde, was jedoch nicht der Fall ist.

Sollten Reisen in die Vergangenheit möglich sein, so würde sich die Frage stellen, wie die Paradoxien vermieden werden, die sich in diesem Zusammenhang ergeben können, wie beispielsweise das Großvater-Paradoxon. Als mögliche Antwort käme vor allem die everettsche Vielwelten-Theorie in Frage. Danach wäre die Vergangenheit, in die man reist, in einer Parallelwelt angesiedelt. Der ursprüngliche Ablauf der Dinge und ein durch einen Eingriff in die Vergangenheit modifizierter würden sich beide abspielen.

Gelegentlich werden, wenn von Reisen in die Vergangenheit die Rede ist, hypothetische überlichtschnelle Teilchen, so genannte Tachyonen, in das Spiel gebracht. Könnte sich ein Teilchen mit Überlichtgeschwindigkeit von A nach B bewegen, so ließe sich stets ein Beobachter finden, für den die Bewegung von B nach A stattfände. Da die Beobachter die zeitliche Reihenfolge der Ereignisse A und B unterschiedlich beurteilen, bewegt sich für alle Beteiligten das Tachyon von der Vergangenheit in die Zukunft. Aus einer hypothetischen überlichtschnellen Bewegung die Möglichkeit einer Reise in die Vergangenheit abzuleiten, ist nicht möglich.

Zeitreisen sind ein alter Menschheitstraum und werden daher in der Science-Fiction-Literatur häufig thematisiert. Meist erfolgt dort eine Zeitreise mittels einer Zeitmaschine, seltener mittels anderer Methoden (z.B. in Star Trek per Flug mit Warp-Geschwindigkeit um die Sonne oder in der "Outlander"-Serie von Diana Gabaldon per Gang durch einen Steinkreis).

Insbesondere sind die Probleme in Zusammenhang mit der Kausalität bei Zeitreisen in die Vergangenheit ein beliebtes Thema der Science-fiction-Literatur.

Eine Folge der nicht definierten zeitlichen Reihenfolge von Ereignissen bei Reisen in die Vergangenheit ist das grammatikalische Problem der Tempusbildung für Zeitreisende. Das Problem wird beispielsweise von Douglas Adams in seinem Roman Das Restaurant am Ende des Universums diskutiert und auch in der Star-Trek-Folge "Zeitschiff Relativity" erwähnt.

D. Deutsch, M. Lockwood: Die Quantenphysik der Zeitreise, Spektrum der Wissenschaft, November 1994, S. 50-57