在科学领域，不同的宇宙模型和支配宇宙的自然法则意味着时间旅行的不同可能性，因此，随着占据支配地位的宇宙学理论从牛顿的经典理论演化为现代相对论和量子理论，时间旅行理论也发生了根本变化。哲学家很敏锐地注意到，这种新型的物理学对形而上的古老问题产生了一些影响，例如时间的性质、因果关系和个人同一性。围绕这个话题，科学家和哲学家一直进行着富有成效的思想交流，力图在各自的领域解决时间旅行所面临的令人困惑的悖论。
在2 0世纪，时间旅行一直是科幻小说的重要主题，好的科幻故事往往尊重当代科技的基本知识。因此，我们看到H.G.威尔斯典型的时间旅行故事总是放在牛顿宇宙观的环境之中：三维的欧几里得空间流形沿着无情的时间之箭变化。在2 0世纪早期至中期，时间旅行的故事发生了变化，加入了爱因斯坦宇宙观的特征：一个可以弯曲的四维时空连续体，其中的时间具有空间维度的特点（即可以有区域变化或扭曲）。再晚一些，时间旅行的故事又增添了量子理论的特色，比如叠加、纠缠之类的现象暗示着平行宇宙、多宇宙、多心灵或多历史的可能性。量子理论的那些似乎反直觉的原则和效应给时间旅行的故事带来了活力，像负能量密度（卡西米尔效应）之类的离奇现象使得本来已经很离奇的时间旅行故事更为奇异。
在这里，我们对时间旅行进行如下区分：有些时间旅行按照已知物理定律的标准可能实现，有些时间旅行超出了这些定律的范围。我们把前者称为自然的时间旅行，因为它利用了时空区域的特征或自然拓扑，比如说《星际穿越》。自然的时间旅行倾向于严格控制时间旅行者的活动，蕴含着巨大的科技难题。后者则被称为威尔斯的时间旅行，时间旅行者享有更大的自由，科技难题也被简单化，但是与已知的物理学相去甚远。例如，在威尔斯的故事中，时间旅行者建造了一台机器，可以带他穿越时间。在他的故事中，时间旅行者的旅程发生在某种非零的持续时间里，同时经过这个世界的另一段不同的非零持续时间，正是这后一个条件使得自然的时间旅行与威尔斯的时间旅行不同。依照我们的物理定律，现实中非零持续时间的旅行是不成立的，威尔斯的时间旅行基于我们的希望或假设，在现今的科学知识范围之外，还有更多的基本定律有待发现。自然的时间旅行故事可以使用已知的物理理论分析其一致性，而威尔斯的时间旅行可以使用逻辑分析其一致性。而且，时间旅行故事发生在常见的哲学问题之中，比如时间、因果关系和个人同一性。
什么是时间旅行？大卫·刘易斯给出了一个标准的定义：当且仅当一个物体在其周围世界测得的出发和到达时间不等于其旅程的持续时间，就发生了时间旅行。这个定义既适用于自然的时间旅行，也适用于威尔斯的时间旅行。比如说，简乘坐飞船出行，飞船上的时钟测得她飞行了1小时，但是她家中的时钟测得她飞行了2小时。假定两个时钟的功能均正常，那么她就经历了时间旅行。在这里，时间旅行者体验到的时间与周围世界所经历的时间不同。
可是，这里所说的“时间”是什么意思？时间旅行中的“旅行”又指什么？虽然有关时间旅行的哲学分析大多关注“时间”这个难题，但是“旅行”的意思是不是也有点含糊呢？我们使用“旅行”这个词，就意味着有两个地点：起点和终点。“我要去摩洛哥”的意思是“我从这儿的起点出发，打算最终到达摩洛哥”。可是当我们说起时间旅行，时间旅行者到底要去哪儿？起点的时间显而易见，可是时间旅行者要到达“哪里”？使用“旅行”这个词是不是为了含糊其辞，把什么时间变成什么地方？我们是怎样构想“什么时间”这个概念的？是当作一个地点、一个场所，还是一个区域？科学本体不同，因之产生的时间旅行观念也就不同；时间的形而上概念不同，对时间旅行的认识也就不同。那么，我们现在就把目标转向哲学中的时间问题。
时间与存在是怎样关联的？对这个形而上的问题，哲学提供了三个基本答案：永恒、或然和当下存在。这些观点的名称标志了时间的本体地位。
永恒论者认为，如果理解正确，时间是第四维，它与空间一起构成现实。所有时间，包括过去、现在和未来，都是实际的时间，就像分布在空间里的所有点是空间中现实的点一样。我们既然不能认为空间的某一点比其他点“更加”真实，也不能认为时间维度的某一点比其他点“更加”真实。因此，宇宙是一个时空“块”，这个观点的哲学根源至少可以上溯到古希腊哲学家巴门尼德那里。一切即一，所有事物的生、灭、去、来并非真实，而是幻象，过去和未来的物与现在的物从本体地位而言是相同的。因此，目前已死的一只渡渡鸟和目前活着的一只麻雀同样存在，它们与将要孵出的小麻雀一样。从本体来说，已死的渡渡鸟和未生的小麻雀只不过不在我们当下的时空区域而已。在永恒论者眼中，宇宙中物的生命可以用图一说明。
图一
图一表示了物体通过时间在空间的运动（一维）。物理学家眼中的时间与存在的关系和永恒论者一样。在闵可夫斯基图里，对狭义相对论的物体时空世界线做了标准的描绘，占据主导地位的是时空的块观。许多威尔斯的时间旅行故事持永恒论立场，例如，在威尔斯的《时间机器》里，时间旅行者这样解释：“时间和空间三个维度中的任何一维都没有什么不同；要说区别，那就是我们的意识沿时间移动。”永恒论与时间旅行的形而上容易吻合。
第二个观点是或然论，也被称为“生长块”或“生长宇宙”观。或然论者认为，除了未来的状态之外，永恒论者的宇宙图都是正确的。过去和现在是固定现实，而未来只具有可能性。或者更精确地说，一个物体的未来有着许多不同的可能性，但只有其中之一会成为该物体的现实。如果说永恒论看上去有些过分确定，消除了不确定性和人的自由选择，那么或然论似乎保留了一些不确定性和自由选择，至少从未来的角度看是这样的。对或然论者来说，现在有着特殊的意义，而这一点是永恒论者所没有的。依据或然论，一个物体的生命可能是图二表示的那样。
图二
图三
这说明物体的世界线仍未固定或完成。应该指出的是，用起点和终点说明时间轴的必要性不应该理解为暗示时间本身有开始和终结。有些威尔斯的时间旅行故事利用或然论，像《回到过去》和《终结者》，暗示我们可以通过时间旅行改变这个世界的历史事件结局，包括自己和未来。
第三个观点是当下存在。当下存在论者认为，只有当下存在的物体才是真的，无论是什么存在，它都存在于当下。过去存在，但现在不再存在；未来将会存在，但是当下还不存在。物体散布于所有空间，但并不存在于所有时间。他们认为时间这个维度和空间的三维不是一回事，永恒论者的块宇宙观以及或然论者的中间论把时间的形而上弄错了。如果永恒论的哲学根源是巴门尼德，那么当下存在论的哲学根源就可以理解为赫拉克里特。唯有当下存在的东西才是现实，只有当下存在才是真的。每个“现在”都是独一无二的，“你不能两次踏入同一条河流，因为新鲜的水在不断地流向你”。依照当下存在论者的观点，物体的生命如图三所示。
许多当下存在论者借助现实世界当下的固有特性来解释时间的持续性，或者说一个时刻与下一个时刻的类时连接（比奇洛）。要想充分描述这个世界的某些固有特性，需要用过去和未来的时态取代这些特性。比如说，我们可以用普通语言说“乔治·华盛顿在福吉谷安营扎寨”。这句话暗示了一个永恒的真理，即5 0 0年前真有此事，当时发生时这是真的，现在来说这事是真的，而且到下个月这事也是真的。可是，按照当下存在论来看，只有当下存在的事物才是真的。因此，要想正确理解这个句子的真值，就得把它转换为更原始的形式，其中的时态由一个算子表示。这样一来，当下存在论者就可以把过去的事件和未来的事件作为真值替代当下。这是他们在因果关系和个人同一性等问题上解释时间持续性的基础。