1.顛倒因果
所謂「因果關係」(因果律)是指：A與B共變(也就是A增減、B也增減)；而A發生在B之前，也就是「前因」、「後果」；且A與B之間的關係具有理論上的連結，並不是偽關係。理論上，因果是恆持而不變的，但是，隨著理論的發展及科技日新月異，我們則必須考慮到所有的「例外」。「顛倒因果」簡單來說，就是人類考慮到因果不變性的一種例外，這種例外會使得因果瓦解，而「時間旅行」便將導致因果律的瓦解。
2.香蕉皮機制
假設時間旅行者回到過去正要前去阻止父母相識時，不小心踩到一塊香蕉皮摔傷住進醫院，從而錯過了時機，這樣的手法被一些物理學家戲稱為「香蕉皮機制」。在這種機制下，時間旅行者看似能夠自由行事，但每當其行為將要導致因果佯謬時，總會受某些看似偶然的因素干擾，致使行動失敗。因此，香蕉皮機制呈現出時間旅行的限制性。「失去一根鐵釘，丟了一個馬蹄鐵；
丟了一個馬蹄鐡，跌了一匹戰馬；
跌了一匹戰馬，損了一位國王；
損了一位國王，輸了一場戰爭；
輸了一場戰爭，亡了一個帝國。」
3.命定悖論
「命定悖論」顧名思義，也就是「命中注定」的意思，基本上是說，現在對過去的改動，正好導致了現在的一切。總之，時間旅行與否，現狀都是無法改變的。
假設自己返回過去，將自己的祖父殺死，那麼自己的父母就會不曾出現過，隨之而言就連自己的存在也消失，把自己從（本平行宇宙分支的）時間洪流中「消除」。命定悖論是其中一個去解釋「為何歷史事實不被時間旅行中所作出的改變而受影響」的方法，就是改變歷史的做法，不論企圖與否，最終都會引致歷史所「命定」的結果，而並非作出之外的改變。
另一個有關命定悖論的經典例子如下：A君回到過去調查一場有名火災事故的起因，本來火災不會發生，不過A君回到該段時間，在未發生火災時的現場碰跌了一個火水燈，導致火災──意即A君回到過去調查一場有名火災事故，卻成為火災的起因。
再舉例來說，某人得知了自己未來的命運-死於心臟病，因此他下定決心健身來避免這樣的命運，然而也因為如此而讓他過勞，最終仍然躲不過致命的心臟病而死。在這些例子中，顛覆了因果關係，而周邊事件都是造成和互相影響的原因，這就是矛盾之處。
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※導引悖論：
現在對過去的某種改動，其實是命中注定要在過去進行的，並且正因為過去已經進行了這種改動，所以現在才會以時間旅行的方式到過去去進行這種改動。導引悖論相近於命定悖論，但導引悖論主張某種事件或事物沒有特定的因果，而並非否認改變過去的可能性。其中一個非同步導引悖論的命定悖論例子是:1850年，鮑伯騎的馬受到不明驚嚇衝往懸崖但在緊要關頭被不明人士阻止了下來而保住性命，這個事件後來建立起一個陌生人的雕像做為紀念；兩百年後，鮑伯回到過去觀光並且看到某人騎的馬即將衝下懸崖，他衝過去幫忙而救了那個人的性命……
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4.祖父悖論
「祖父悖論」與命定悖論相反，卻也是時間旅行論中最經典的悖論。即：假設你回到過去，在父親出生前把自己的祖父母殺死；因為你祖父母死了，就不會有你的父親；沒有了你的父親，你就不會出生；而你沒出生，就沒有人會把你祖父母殺死；但若是沒有人把你的祖父母殺死，你是否會存在並回到過去且把你的祖父母殺死？
因此矛盾出現了。物理學家認為，當某人回到過去殺你的祖父母時，此人殺的其實是另一個宇宙的人（或者你的這個舉動也可以創造一個新的平行宇宙），而此人的祖父或祖母的死只會使那個平行宇宙的此人不再存在，而這個平行宇宙的此人則平安無事。
根據愛因斯坦理論，太空船必定以小於光速的速度在時空中沿著一條「類時路徑」運動，因此，先前提到過的「封閉類時曲線」是否存在時空中，能夠一再回到自己起點？物理學家霍金便稱這樣的路徑為「時光迴圈」。基本上，全盤量子化的重力理論也許可以為時光迴圈的存在與否做解釋，也就是說，在重力極強、量子起伏極大的時空尺度下，有可能曾經發生過時光旅行。然而霍金認為，一旦背景時空逐漸彎曲到允許時光迴圈，對應的機率逐漸趨近於零；換句話說，時空彎曲到足以產生時光機的機率為零。
雖然歷史總和允許時光迴圈，但它們對應的機率卻極微小，霍金估計其可能性僅100000000……(共一兆兆兆兆兆個零)分之一的機率，亦即回到過去殺死祖父的成功率。
5.流浪漢謬論
從前有位孤兒名叫珍，不幸的在17歲時被一名流浪漢強暴，生下了一名嬰兒。但是在生產過程中，醫生發現她竟然是雙性人，而且由於子宮發育不良，所以在生產過後必須切除子宮。改名為詹姆士的珍心灰意冷，在把嬰兒拋棄到她出生的孤兒院後便開始到處流浪。
在流浪多年後，有一天他遇到一名自稱是「時光旅行會」會員的奇怪老人，老人跟他說他可以用時光機把他送回到她被強暴前，幫助他制止那名流浪漢。
回到過去後，隨著歷史中他被強暴的那天越來越近，他也越來越暴躁。終於到前一天晚上，詹姆士心情鬱悶喝了一大桶的酒，結果糊塗得將她自己給強暴了。他便大澈大悟到他無法改變既定的歷史，所以便憑藉著對未來股票市場的記憶大賺一筆，成立了「時光旅行會」。
多年之後，當詹姆士成為人人敬仰的老會員，且時光機也成功發明時，他便坐上時光機回到她被強暴的那一年，把嬰兒送回到她出生那年的孤兒院。然後在搭時光機來到遇到奇怪老人的那年，把那時的他送回過去。所以珍/詹姆士是自己的母親、父親、兒子、女兒─整個家族就是他一個人！這則故事，我們曾在第一章光錐的效應時提到相似版本，點出了時光旅行的弔詭性。
6.時光旅行的可行性
製造時光迴圈的時空彎曲將會一直延伸到無限遠的空間和無限遠之前的時間，因此這樣時空在建造之際，已經埋下時光旅行的種子。假設遙遠的過去並無時光迴圈，更精確說，這個過去是相對於「時空中名為S的曲面」(如圖所示)─於是問題變成：是否有曾有先進文明建造過時光機？也就是說，他們能否改造S上方的未來時空，好讓時光迴圈在一個有限區域出現？一個時空區域倘若允許時光旅行，其中就得有時光迴圈──一個低於光速的路徑，卻因時空彎曲，而能繞回出發的時間與地點(恰如封閉類時曲線)。由於我們假定遙遠之前並無時光迴圈，所以必定有個「時光旅行界限」劃分出有無時光迴圈的兩個區域。時光旅行界限相近於黑洞視界：形成黑洞視界的元素是剛好沒掉進黑洞的光線；而形成時光旅行界限的，則是剛好快要頭尾相接、繞成迴圈的光線。形成「有限生成界限」的光線皆源自某個有界區域，換而言之，這些光線並非來自無限遠處或奇異點，而是來自含有時光迴圈的有限區域─先進文明也許能建造該種區域。
一個「有限生成界限」包含一道頭尾相接、會繞回原點的光線，隨著這道光線一繞再繞，其藍移也愈來愈大，影像將愈來愈藍。而根據這道光線本身的時間，所繞一圈的週期將愈短。事實上，即使這些光子在有線區域一再繞圈圈，並無撞到曲率奇異點，但根據它們自己的時間，它們的歷史卻是有限的。乍看之下，光子在有限時間內走完本身歷史或許沒什麼，不過有些物體的路徑所對應之速度雖然低於光速，但它們的歷史仍有限，困在界線前某個有限區域內的觀測者就能擁有上述歷史，他們會以越來越快的速率繞圈子，最終達到超光速。所以，假若飛碟內走出一位美麗的外星人，邀請你進入時光機，可千萬小心！你可能會陷入那些有限然而一再自我重複的歷史。
也許，我們會認為先進文明能利用有限長度的宇宙弦圈圈，並讓各處能量密度為正，以建造一座有限大的時光機。令人失望的是，因為光用正能量密度是行不通的，所以，若要建造一座有限大的時光機，必須用到負能量。顯然在古典理論中，能量密度恆正，有限大的時光機是不可行的；但若是半古典理論，情形便有所不同。由於我們讓物質遵循量子理論，根據量子的測不準定理，各種場總是上下起伏，因而具有無限大的正密度，因此我們必須減去一個無限大的量，才能得到有限的能量密度。即使在平坦空間中，我們也能找到一些特殊量子態，其中的能量密度局部為負、但總能量仍為正的，這些負值也許能令時空適當彎曲，好讓我們製造有限大的時光機。
以下將對微觀時空與巨觀時空的可行性做分述──
(1)微觀尺度下的時光旅行
每個宇宙歷史皆是內含物質場的彎曲時空，由於我們應該總和所有可能歷史，而非只滿足某些方程式的歷史；因此在此總和中，必須包括那些彎曲到足以容許回到過去的時空。所以，時光旅行的確存在於微觀尺度上，只是我們難以觀測。在費因曼的歷史總和之中，必須包含以超光速逆時前進的粒子所對應的歷史、甚至包括在時空中形成封閉迴圈的歷史(如下圖示)。利用粒子偵測器，無法觀測到這種迴圈歷史；然而在實驗中，我們卻可以測量到其間接效應。
既然在平坦空間中，粒子照樣能擁有迴圈歷史，那麼這種歷史與時空彎曲有關係嗎？我們可以說是粒子在固定背景中繞著迴圈走，也可以說粒子固定不動、而是周圍空間在起伏。因此，量子理論似乎允許微觀尺度的時光旅行，然而，我們卻無法保證巨觀下時間旅行的可能性。
※量子尺度下的時光旅行：
澳大利亞科學家首次使用兩個光子模擬了量子粒子在時間中的旅行，在實驗中，他們對一個進行時間旅行的光子可能產生的兩種結果進行了考察。第一種結果是：「1號光子」會通過蟲洞進入過去並同以前的自己相互作用。第二種結果是：「2號光子」會在正常的時空內行進，但會通過蟲洞同一顆卡在封閉類時曲線（亦即會返回起點）內的光子相互作用。模擬「2號光子」的行為使「1號光子」的行為也能被研究，結果表明，時間旅行在量子尺度上可以實現。
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(2)巨觀尺度下的時光旅行
由於愛因斯坦宇宙不會擴張，因此不能代表我們置身的宇宙，在討論時光旅行時卻也有其方便性，我們只需考慮物質通通繞著某個軸在轉動的情形。假設你展在一個軸上，便能保持固定不動，如同站在旋轉木馬的中心；但倘若你不站在這軸上，你便會繞著軸轉圈圈，一旦你離軸心愈遠，便會運動的愈快。由於愛因斯坦宇宙在空間上是有限的，因此我們可以定出一個臨界轉速，使這個宇宙的任何部份都不會超過光速。
同理可知，在轉速低的時候，就固定能量而言，有許多路徑可供粒子選擇，因此在此背景中，倘若總和所有粒子歷史，將會得到很大波幅。這就代表在所有彎曲時空的歷史總和中，對應這個背景的機率會很高，亦即它是較可能的歷史之一。然而，隨著愛因斯坦宇宙轉速逐漸接近臨界值，邊緣接近光速，於是邊緣僅剩下一個符合古典理論的粒子路徑，也就是以光速運動的路徑。這就代表粒子歷史的總和會很小，因此在所有彎曲時空的歷史總和，對應這些背景的機率會很低，亦即它們是最不可能的歷史。
就數學而言，他和另一個允許時光迴圈的背景時空是等價的。而這另一個背景時空，對應於兩個空間為度上擴張的宇宙。這個宇宙的第三個空間維度並不擴張，而是循環的。也就是假如你沿這個方向走一段距離，就會回到原出發點。然而，你在第三維度上每循環一次，再第一和第二維度上就會加速一次。假如上述的加速度不大，就不會有時光迴圈出現。而考慮加速度愈來愈大的這類背景時空，在某個臨界加速上，就會出現時光迴圈。
由於數學上而言，在這兩類背景時空中作歷史總和計算是等價的，因此我們可以斷言：隨著這一系列背景時空逐漸彎曲到允許時光迴圈，對應的機率逐漸趨近於零。換句話說，時光彎曲到足以產生時光機的機率是零。這也就證實了方才祖父悖論的難行性。
8.跨越時光旅行界限之際
量子起伏會使得空空如也的空間中充滿虛粒子對─它們一同出現、分開後又回到一起並互相毀滅，虛粒子對其中之一具有正能量、另一個則有負能量。如果附近有黑洞，負能量的那方就可能掉進去，而正能量那個就會飛到無限遠。就如同黑洞發出輻射，帶走一些正能量，掉進去的負能量粒子則會導致黑洞損失質量、慢慢蒸發，視界也就逐漸縮小。
具有正能量密度的普通物質，所造成的重力效應是吸引力，而彎曲時空的方式是使光線彼此靠近。這就暗示黑洞視界面積只隨時間增加、永不收縮，除非視界上的能量密度是負值，其彎曲時空的方式便是使光線發散。黑洞的蒸發，顯示量子層次上的能量密度可為負值，能夠將時空朝製造時光機的方向彎曲，因此我們可想像，極為發達的文明能設法讓負能量密度足夠大，以製造出如同太空船般的巨觀時光機。
然而在黑洞事件視界(由剛好逃離的光線組成)與時光機界限(包含所有一再重繞的封閉光線)的邊界上，存在一個重大差異。沿著上述封閉路徑運動的虛粒子，會將其基態能量一再帶回原點。因此我們會認為，那座時光機(即允許你回到過去的區域)的邊界上，也就是時光旅行的界限上，能量密度會是無窮大。這意味著無論是太空人或太空船，倘若試圖穿越那界限進入時光機，就會被一道強力輻射摧毀，便如同上圖所示。
9.蟲洞時間機器的可行性
假如發達文明試圖將蟲洞成為時間機器時，蟲洞是否會自行毀滅？我再次以我和我的科學夥伴作為假設：我的夥伴正帶著飛船上的洞口飛回地球，我帶著另一洞口坐在家裡，當飛船離地球10光年以內時，輻射(電磁波)突然能用蟲洞做時間旅行─任何一點離開我家以光速像飛船接近的隨機輻射，10年後到達飛船，進入那兒的洞口，在10年內及時返回(從地球上看)；當它從地球上的洞口出現時，原先的它剛開始啟程。於是，它與自己碰頭了─且是在時間與空間裡─強度增加了1倍。另外，每個輻射量子(光子)在旅行中還會因洞口的相對運動而獲得能量提升。下一波輻射接著從屋裡出去，達到飛船，再從蟲洞回來，遇到剛要離開原先的它，透過都普勒效應增大能量。輻射源源不絕離去、又源源不斷回來，最後變得無限強大。(如附圖a)。
任何一點輻射經過如此過程後，都會產生一束能量無窮的輻射，在兩個洞口間往來。當輻射束通過蟲洞時，有可能產生無限的時空曲率，從而破壞蟲洞，使其無法成為時間機器。
難道蟲洞真的無法成為時間機器、真的會自行毀滅嗎？物理學家索恩認為：輻射束通過蟲洞時，蟲洞總會將它分離，分離的束從地球上的洞口出現時會在空間分散，只有少許輻射能進入飛船洞口然後從蟲洞回到地球來與自己「碰頭」，在來回往復過程中更會使得輻射量愈來愈小，最後輻射會很弱，故而不會破壞蟲洞。(如附圖b)。
縱然輻射束不會對蟲洞造成太大威脅，然而，「電磁真空漲落」(也就是虛粒子)卻又是另一大阻礙。假設我和我的夥伴是無限發達的文明，我的夥伴正帶著一個蟲洞口坐著飛船返回地球，我依然帶著另一洞口在地球上，而蟲洞即將成為時間機器。這時，我們就該擔心，電磁真空漲落有可能如同輻射束那樣穿越蟲洞、並與自己碰撞，最後變得無限強烈而破壞蟲洞。身為高等文明，當然希望電磁真空漲落能如同方才提到的輻射束一樣、被蟲洞本身所發散；然而，事實上並非如此。儘管蟲洞努力分散真空漲落，但它們似乎又會自動再聚集起來─漲落被洞口分散後，在地球的洞口打開，彷彿到不了飛船；接著，像受到某種神祕力量吸引似的，它們又自動聚向對方她的洞口，通過蟲洞返回地球，然後又在洞口散開，又再聚向飛船的洞口，如此反反覆覆，最終將形成一束強大的漲落能量。
根據論證表明，實際上在蟲洞往來的電磁真空漲落，只有在近乎為零的時間裡才可能無限強大，它們幾乎在第一次啟用蟲洞做時間旅行的瞬間(也就是蟲洞剛成為時間機器時)達到最高峰，然後立刻消失。
量子定律認為，在小於蒲郎克時間(10-43秒)的尺度下，時空曲率將使時間失去意義，亦即比這更短的時間間隔是不存在的。於是，在蟲洞間往來的電磁真空漲落一定會停止隨時間的演化，也就是說，在蟲洞成為時間機器的10-43秒之前停止增長，量子重力定律將中斷漲落生長，而使其在時間機器誕生的10-43秒後繼續生長。在這些時間之間，沒有時間、也沒有演化。(如右圖)
霍金同意，量子重力可能在時間機器產生前10-43秒、也就是在漲落變的無限大以前的10-43秒，中斷真空漲落的增長。不過，這極短的時間是在誰的參考系中？假定這個參考系是靜止在蟲洞內部超空間的某個人的，如果選一個不同的參考系(如漲落本身)、或者更精確地說─某個隨漲落一起運動的觀察者─他從地球到飛船，快速穿越蟲洞，看到地球與飛船距離從10光年收縮到10-33公尺。霍金猜想，從這個往來的觀測者看，量子重力只有在蟲洞成為時間機器前10-43秒才能決定和中斷漲落束的增長。從靜止在蟲洞的觀測者看，霍金的猜想意味著，量子重力中斷漲落增長應是發生在蟲洞成為時間機器的10-55秒前，而非10-43秒前─屆時，真空漲落束是足夠強大的，確實可能破壞蟲洞。總言之，量子重力似乎將蟲洞是否能成為時間機器的答案藏起來了，霍金更指出─自然定律不允許時間機器存在。
10.時序保護猜想
先前提到種種時間機器的建造、乃至時間旅行的可行性，但我們似乎仍不能保證時間旅行的可行機率。「時序保護猜想」便是由霍金提出關於時間旅行的猜想，認為自然定律不允許任何除亞微觀尺度外的時間旅行。霍金認為：似乎有一個時序保護機制，防止封閉類時曲線的生成，從歷史學家手上保護了宇宙的安全。也就是說，許多物理定律合力阻止巨觀物體進行時光旅行。
◎結論：時間旅行在微觀尺度下或許進行過，但任何物理定律不允許宏觀尺度下的時間旅行。縱然時間機器發明，最多也只能回到時光機被啟動的那一刻。
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