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时光隧道和虫洞。这些不可避免地误导了对穿透三维空间的时间虫洞的解释。在a图中，虫洞连接了两个不相接的宇宙，然而在b和c图中，它们在同一个宇宙中相连接了。虫洞的“手柄”和两个洞口的外部距离相比既不太长也不太短。
图片文字4：《易经》（I Ching）的六十四个六角线展示了一个圆和一个方形的传统排列。古代的先知认为具有这种形式的时光穿越，它通过对平行世界的一个二维解释能预测即将到来的事件或者允许使用者改变未来。
图片文字5：1969年，在佛罗里达州（Florida）的基韦斯特（Key West）附近，一个巨大的气旋龙卷风被美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的航空器捕捉到。漩涡的出现很好地解释了三维的媒质是如何突然变成了横跨两个不同的时间和空间维度的一维漩涡丝。
以上出自马里？B。金的《量子真空零点能》
第二章
相对论与时空曲率：从熵到时间的反演不变性以及更多在科学领域里，人们往往会已每个人都能理解的方式被告知一些事情——这些事情以前没有一个人知道。而在诗歌中恰恰相反。
——保罗？狄拉克（Paul Dirac）
数学家就像法国人：不管你说什么，他们总会翻译成自己的语言，而且这些语言有特殊的意义。
——歌德（Goethe）
对于机械的时间旅行设备的渴望，带领我们进入了相对论和时空曲率的领域。在《星际迷航》中，美国海军想要达到一种“经编”速度，因为拥有能量全满的水晶球，实现光速旅行，他们希望尽可能到达更远的目的地。
然而，在乔治？卢卡斯（Gorge Lucas）导演的《星球大战》（Star Wars）系列中，飞船是通过快速的跳跃从一个太阳系到达另一个太阳系。他们是跳跃穿过超空间，而不是用高速奔跑。它不是比光速还快，而是另一个存在。它是通过跳跃从一个维度达到另一个维度，而且在同一时间超越了时间和空间。没有任何方法能计算出到底有多远。它能够一瞬间抵达任何地方，这也是一种时间旅行。为了征服超空间，我们渴求一种关于相对论与时空曲率的更深远的知识。
从熵到时间掌控
熵是一种科学序列，指的是体系的混乱程度，在物理科学中，熵主要是用来描述热力学、心转移性质、分子、热力发动机甚至是作为一个整体的宇宙。在社会和生活科学中，它也作为一种媒介理论运用于不同的领域。
1865年，德国物理学家鲁道夫？克劳修斯（Rudolf Clausius）在萨迪？卡诺（Sandi Carnot）和开尔文男爵（Lord Kelvin）早期实验的基础上，首次提出了熵的概念。克劳修斯发现，即使在“完美的”或者是“完全可逆转的”物质系统内转换热能量也无法避免有效能量的缺失。他称这种缺失为熵的增加，并且把这种熵增加定义为在这个过程中绝对温度下热能量的转化。因为只有极少过程是真正可逆转的。真实的熵增加甚至比这个量还要大。这个原理是基本自然规律之一，被称作是热力学第二定律。
热力学第一定律是说能量是守恒的。能量在转化过程中产生的能量不会超过其本身的能量，或者说有效能量不会超过100％。第二定律更具有限制性，它是说能量在转化过程中由于废热导致不可避免的熵增加，从而使得能量少于100％。例如，大的煤电站不可避免地浪费了煤总能量的67％。其他热力发动机，比如说汽车发动引擎和人类的身体效率甚至更低，浪费了80％的可用能量。假想的永动发电机为了追求效率公然藐视自然规律。在这样一个机器中，其产出的能量来自于本身，在操作过程中有100％的有效能量都被保存了下来。因为有摩擦，所以这是不可能发生的，因为摩擦会把一部分能量转化为废热。
时间之箭
熵的另一个表现是系统的趋势是随着时间的流逝变得更加混论和无序。自然状态下，物质会变得平衡和均一而失去其有序的状态。例如，一块方糖在咖啡里溶解后不会再重新聚合成一块方糖，空气中的香水分子不会再重新聚合到香水瓶里。同样地，化学反应是自然地存在于包含了更多无序状态（熵）而不是反应物的物质当中。另一个例子是普通燃料的燃烧。这样的反应不会自发地转化自身能量，它会趋向于无序的自然状态——我们称之为“时间之箭”。
自然连续的熵增加的结果可能最终减少了宇宙中所有有效的能量。物理学家认为宇宙最终会达到一个温度的平衡，这样一来就达到了无序的巅峰，有用的能源不再维持生命或者运动。这种“热寂说”唯有在宇宙被物理定律束缚，并且作为一个整体被地球上观测到的热力学定律支配时才有可能存在。
熵的概念在现代学科的信息理论中扮演着重要角色，它暗示了交流的趋势，由于噪音或者静电变得混乱。美国数学家克劳德？E。香农（Claude E Shannon）在1948年第一次使用了这个专业术语。信息论的例子是复印材料。像这样的材料被不断地复印再复印，它们的信息不断地被削弱直到变得模糊不清。类似的削弱也出现在电子通信和音乐录制上。为了减少这种熵增加，信息可能用成串的数字0和1编码，这样即使是在高“噪音”的层面也能识别出来，也就是说，在一般状态下是无用的信号。
对于一些观察者来说，地球上的生命和文明的开始和发展的过程是与第二定理的熵从不会减少理论相互冲突的。其他人回应说，地球不是一个封闭的系统，因为它从太阳那里获得有效的能量，然后第二定理允许局部的熵减少，只要这些熵能和其他的的熵相互抵消。例如，尽管熵在一个运行的冰箱里减少了，但是由冰箱排除的废热在厨房里引起了整个熵增加。地球上的生命可能在宇宙中出现一个局部的熵减少，但是宇宙整个的熵总是增加的。
比利时化学家利亚？普里高津（Ilya Prigogine）和其他人一起正致力于扩展传统热力学的研究范围使其包括生物有机体，甚至是社会系统。
时间或者说持续时间的实验在文学和哲学上获得了很大的关注。由于其主观因素，这种实验在个体中的变化可能是前后矛盾的。在科学工作中，数值度量会用来观测事件顺序。假如“现在”是一个有效的数值0，然后按照惯例把它分配给早期消极价值观和后期积极价值观。为了获得一个时间标度，一些以恒定速率重复出现的周期现象会被不断地细分和计算。
在20世纪以前，不用怀疑，一个单一的，通用的，统一的时间度量是存在的。对于两个在空间被大大地分隔开的事件而言，这种说法在定义同时性概念时是没有任何问题的——也就是说，假设，对一个观察者而言，事件同时出现，之后其他所有的观察者都会同意事件的确是同时的。但是在20世纪初期，阿尔伯特？爱因斯坦意识到，由于宇宙中光速的不变性，时间的测量取决于观察者的运动状态。
假如A和B在空间上被分隔开，对于一个观察者来说是同时出现的，而对于另个观察者而言，也就是相对于第一个观察者的运动状态，事件A可能出现在事件B之前也有可能是之后，这完全取决于这两个观察者之间相对运动状态的方向。也就是说，用现代的观点来看，时间不再是绝对的，而是取决于做时间测量的观察者的相对运动状态。根据相对论来看，时间是一个较为普通的四维时空的连续统一体中的一面。这样说来，事件是同时存在于宇宙中的。时间和空间是这个潜在的四维空间连续统一体的不同方面。通常，时间被描述为“第四维空间”。
时间标度
从远古时代起，人们利用地球自转（或者说是天空中太阳所处的明显位置）来建立一个统一的时间标度。为了指定一个日期，人们把太阳的运动当作一个时间标度，那么天数必须得从参考日期开始计算。此外，钟表常常用来衡量一天的一部分时间。
从天空中太阳的视位置衍生出来的时间被称作是视太阳时。因为地球绕太阳运行时的离心率和地球自转于轨道平面的斜角，所以视太阳时不是一个统一的时间标度。但是，这些影响又能被计算和更正后得到更加统一的时间标度，即平均太阳时。国际标准时间（UT0）即格林威治平均时。一个远恒星的视运动的观察结果可以用来得到另一个在天文学上的时间标度，也就是恒星时间。
国际标准时间的其他小规模的衍生可以追溯到其他影响，比如说，地球自转轴和地球自转的周期性波动，这些影响可以解释其他的小波动，形成更加完善的时间标度。（国际标准时间1和2，UT1和UT2）。
星历表时间是由地球绕太阳运动决定的，而非由地球自转波动造成的。天文学上的观察结果可以把星历表时间精确到大约0。05秒，平均值超过了一个九年周期。
石英晶体振荡器和原子钟的发明使得更加精准的时间测量成为可能。因此，除了天文学时间标度，还有一些其他的时间标度，比如说，原子时间（AT），基于在磁场中一定原子的微波共振。通过对电磁信号和铯原子在共振时的周期进行计算，精确度能达到几十亿分之一。
大约从1960年起，全世界大量的实验共同对照出原子时间标度，得到各种原子时间标度的加权平均，这个就是现在大众熟知的通用协调时间（UTC）。为了使通用协调时间和一天的时间长度保持一致，秒（一个闰秒）偶尔会从原子时间标度上被增加或者删除。根据国际协议，通用协调时间和领航员的时间标度（UT1）的误差在0。7秒内。
对时间的精准测量导致了秒的重新定义。在1956年之前，一秒被定义为平均太阳时的1/86400。从1956年到1967年，秒成了星历秒，被定义为1899年12月31日0时0分0秒这个回归年的1/31556925。9747。秒目前被定义为铯133原子振动9192631770次所用的时间。
相对论
阿尔伯特？爱因斯坦的相对论在20世纪的物理学和天文学领域掀起了巨大的革命。它向科学引进了“相对论”的概念——这个概念说的是在宇宙中，没有什么事物是处于绝对的运动状态的，只有相对的运动状态——取代了艾萨克？牛顿两百年来的机械理论。爱因斯坦说明了我们并不是居住在一个平坦的，欧几里得空间和统一绝对的时间里，而是居住在另外一个时空弯曲的环境中。这个理论预先在物理学中占据了重要地位，它带着潜在的利弊，宣告了原子时代的到来。这使得人们能够理解基础粒子和它们相互作用的微波世界。它也改变了人们对宇宙的看法，比如对大爆炸、中子星、黑洞、重力波这些奇异的天文现象的预测。
相对论是一个单一的，包含了所有时空、重力和机械学的理论。然而它通常被看做是两个独立的理论部分——狭义相对论和广义相对论。这样分类的一个原因是爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，而广义相对论直到1916年才在最终版中被提出来。另一个原因是，这个理论的两个部分适用于不同的领域：狭义相对论适用于微观物理须领域，而广义相对论适用于天体物理学和宇宙学领域。
第三个原因是，物理学家到了20世纪20年代才能接受和理解狭义相对论的概念。狭义相对论很快成为了那个时候迅速发展的原子物理学以及量子力学领域中的理论家和实验家的一个工作道具。然而，广泛的接受并不是广义相对论出现的原因。这个理论似乎并没有和狭义理论有直接的联系。大部分的应用还是用于天文学的标度上。广义相对论很明显地受制于添加了极小修正后的牛顿万有引力理论。此外，其数学理论被认为是极其难以理解的。英国的天文学家爱丁顿爵士（Sir Arthur Eddington）是第一个能全面理解这个理论的人，曾经有人问及，是否在这个世界上只有三个人能理解广义相对论。据说他的回答是：“谁是那第三个人？”
这种情形持续了大约四十年。广义相对论不仅对物理学家，而且对于纯粹的数学家和哲学家而言都是一门可敬的学科。然而，大概在1960年，人们对广义相对论的兴趣再次复苏，使其成为物理学和天文学里的一个重要分支。这次复苏有其根源。首先，在大约1960年初，新的数学工具在广义相对论上的运用，使得计算大大得到了简化，这让物理上的重要概念能同数学上的复杂性分别开来；第二，广义相对论在发现外来天象上起着重要作用，其中包括类星体（1963），3开氏度微波背景辐射（1965），脉冲星（1967）和发现黑洞的可能（1971）。此外，在20世纪60和70年代，随着科技的进步，新的高精密工具在实验中得到运用，能测试出广义相对论是否是正确的重力理论。
狭义相对论和广义相对论中弯曲的时空之间的最大区别是程度上的不同。狭义相对论通常是接近于弯曲的时空，这个弯曲的时空在足够小的时空区域里是有效的，就如一个苹果的整个表面如果取极小的一段来看也接近于平面一样。针对在原子或者原子核物理中的大量应用，这种接近值非常精准，精准到相对作用能被假定为是正确的，换句话说，重力被假定为是完全不存在的。从这点看来，狭义相对论和它所有的推论都有可能来自于一个简单的假设。但是在重力条件下，狭义相对论近似其自然本性，对等原则决定了物质是如何回应弯曲时空的。最后，广义相对论是为了了解时空在物质存在下，能够弯曲到何种程度。
狭义相对论
狭义相对论的两个基本概念是惯性框架和相对论准则。惯性框架可以指向任何领域，比如自由落体实验，即所有物体都作匀速直线运动。这个领域摆脱了重力原则，被称为伽利略系统。
自由落体是重力的基本表现。比如，一个下坠的物体，被扔入空气中，在它的运动轨道上的任意一点都是自由落下的。尽管被许多天体的重力场所干扰，物体也许不会真正的朝着地心落下。当一个在一个容器里面自由落下时也是自由落体，并且体现了失重的现象。重力对人和容器都有相同的影响，所有对于容器来说没有加速的感觉。
相对论准则是，假设所有的物理实验结果都在一个惯性坐标系的实验室中，那么这些结果相对于坐标系的匀速运动是独立的。换句话说，在任何惯性坐标系中物理规律都必须有相同的形式。那么可以得出一个推论，无论光来源的速度或者观察者的原因，光的速度在惯性框架中肯定是一样的。事实上，所有的规律和狭义相对论的结果都来源于这些概念。
第一个重要的结果就是同时性相对论。因为在不同区域里的同时事件的操作性定义包含了他们之间光信号的传递，所以，当一个坐标系相对于另一个坐标系进行移动时，在一个惯性坐标系内同时进行的两件事情将不会同时进行。这个结论将推翻牛顿一个著名的概念，即通用时间。在一些方面，狭义相对论最重要的结论是，当它与量子力学合并时，它引导了许多对实验结论的预测。
相对论的数学基准是1908年，由一位德国数学家赫尔曼？闵可夫斯基（Hermann Minkowski）发明的。他发展了“四维时空连续统”的概念，这个理论包含了时间及三个空间维度。
对等原则和时空曲率
狭义相对论的闵可夫斯基时空理论与重力存在不相容。当一个地球的粒子，在一个坐标系中具有惯性，但在一个重力场可以忽略不计的地方，那么这个粒子在地球附近将不会有惯性。然而，这两者的近似兼容的性质可以被一个著名的重力理论证实，这个理论被称为弱等效原理（WEP）：所有规模不大的物体，在所提供的外界重力领域内，无论其质量、成分或者结构如何，它们都有相同的加速度。这个原则的正确性已经被伽利略、牛顿、弗里德里希？贝塞尔（Friedrich Bessel）以及20世纪初的巴隆？罗兰？冯？伊洛特洛斯（Baron Roland von Eotvos）证实（此后这样的实验都是以为他的名字命名的）。如果一个观察者在重力环境下乘坐一部自由落下的电梯，因为他们都是以同一速率落下，那么电梯内所有物体最后都会沿直线匀速运动，如重力已经消失一样。相反的，在一个没有任何重力的空间里，一个加速运动的电梯内，物体会以相同的加速度落下（因为它们的惯性），就像处在重力领域中一样。
爱因斯坦的观点是，在无重力领域中，这种消失的重力的情况不仅仅适用于机械运动，还适用于所有的物理规律，如电磁理论。因此，在任何自由落体坐标系中，物理规律（至少是本地的）应该采纳狭义相对论的理论。这被称为爱因斯坦等效原理（EEP）。
EEP的其中一个理论就是重力红位移，在一个频率上的位移，f代表光线，这条光线在重力领域中穿过高度h，给出了一个公式（Δ f）/f=gh/c^2，g代表了重力加速度，c代表光的速率。（如果光线频率下降，它就是蓝移位。）EEP第二个推测就是空间时间是可以被弯曲的。即使这是一个高科技的事件，物理学家设想一个两个坐标系自由落体的例子，但是在地球相反的一面进行。根据爱因斯坦等价原理，闵可夫斯基时空原理在本地的每个坐标系中都是有效的。然而，因为坐标系在朝各自靠近时是加速运动的，两个闵可夫斯基时空在它们遇到并且契合成一个时，不能进行延展。在重力演示中，时空在局部是一个平面，但是在球体上是弯曲的。
任何包含了爱因斯坦等价原理的重力理论都被称为“量度”理论（来自于几何学，重力的弯曲时空观点）。因为等价原理是这个观点的关键基础，它需要被精确的测试。伊洛特洛斯试验的版本于1964年在普林斯顿以及1971年在莫斯科进行演示，这个实验把EEP精确到了10^（…12）。重力红位移测量用于：1965年在哈佛大学，一条伽马线穿过了一座塔；1965年太阳表面放射的光线1976年用于飞机和火箭的自动闹钟，这些都证实了EEP的推测要精准得多。
广义相对论
等价原理和它的试验都证明了，时空的扭曲是被一种事物牵连，但是它们还不能�