时光机是科幻作品中常见的装置设定，通常被描述为一台能让人回到过去或跃入未来的机器。拆开来看，它牵涉几个独立的物理问题：时间有没有方向，不同参考系中时间如何流逝，时空能否弯成回路，以及回到过去是否会破坏因果次序。以下按层次做对照。
时间箭头：熵增给出的方向
物理学的基本方程大多在时间反演下保持形式不变，把时间换成负号，方程照样成立。但日常经验里，破碎的杯子不会自动拼合，热量总从高温流向低温，这种不对称来自热力学第二定律：孤立系统的熵不会自发减少。爱丁顿在1927年前后提出「时间箭头」一词，用来指称这种方向性。
科幻里的时光机常假定时间是一条可来回走动的通道，这在叙事上方便，却绕开了时间箭头的来源。宇宙学中另有一个讨论：宇宙早期处于熵极低的状态，此后熵持续增加，这一初始条件与热力学箭头的关系至今仍是研究课题，没有定论。
相对论：时间膨胀与参考系差异
狭义相对论指出，时间流逝与观察者的运动状态有关，速度越快，相对于静止观察者其时钟走得越慢，这被称为时间膨胀。1971年的哈费尔—基廷实验把铯原子钟放上飞机绕地球飞行，再与地面钟比对，结果与相对论预言在误差范围内相符。这说明「去往未来」在某种意义上有物理依据：高速旅行者返回时，会比地面的人年轻一点。
广义相对论把引力解释为时空弯曲，处在不同引力势中的时钟速率也不同，全球定位系统的卫星钟就需按相对论效应修正。但这些效应微小且单向，能让人略微提前进入他人的未来，却无法把人送回自己的过去。科幻中一键往返的机器，与相对论描述的时间效应不是同一件事。
虫洞与负能量：理论图景中的位置
广义相对论的解中确实存在被称为虫洞的时空几何结构，像连接两处遥远区域的捷径。1935年爱因斯坦与罗森讨论过这类解，后来惠勒等人称之为虫洞。但理论解存在不等于可以通行：要让虫洞稳定张开，通常需要负能量密度的物质支撑，而这类物质在已知物理中的存在条件极为苛刻。
量子场论中的卡西米尔效应显示，真空涨落可产生等效的负能量密度，实验上已被测量到，但量级极小，且局限于微距条件，把它放大到支撑一个可通过的虫洞，目前没有可行方案。索恩等人在1980年代后期曾以虫洞为模型讨论时间旅行的可能，其结论同样建立在假设性的负能量分布之上。
因果次序：构想难以回避的门槛
若时空存在闭合类时曲线，即一条能回到自身过去的路径，就会出现结果先于原因的问题。霍金在1992年提出时序保护猜想，认为物理定律可能阻止闭合类时曲线的形成，但这一猜想并未被证明。科幻作品常以平行时间线或历史自洽来化解矛盾，这属于叙事层面的处理。
把时光机当作思想实验来看，它像一面镜子：热力学给出时间的方向，相对论给出时间的可塑性，广义相对论给出时空的几何想象，因果律则划出讨论边界。这些内容都有公开教材与实验记录可以核对，而机器本身仍停留在设想层面。