在爱因斯坦的相对论诞生之后，科学家曾经提出过一个令人非常感兴趣的疑难问题——双生子佯谬。这个问题是说有一对双生子——我们暂且称呼他们为A和B。他们两个人出生之后生活的轨迹就截然不同。A一直生活在地球上，而B则在很年轻的时候就乘坐火箭进入太空去做星际旅行了。根据爱因斯坦的相对论，B经过漫长的时光和岁月旅行返回地球之后，一定会出现这样的情况：由于经历的时间不同，A与B这一对孪生子在重逢之后，经历星际旅行的B一定会比A要年轻很多。之所以会出现这样的情况，是因为B的旅行是一种穿越时空的旅行。
时空旅行是从一个空间通过某种途径转移到另一个时间段不同的空间，即我们所说的穿越到过去或者未来。时间旅行是科学界一直在探讨和研究的课题，关于时间旅行的可行性，也一直存在着两种不同的观点。持有质疑观念的一派，最著名的就是“外祖父悖论”：假设你通过时间旅行回到了过去，在你的母亲出生之前见到了你的外祖父，然后杀掉了他。那么，既然你的外祖父被你杀掉了，那也就不会有你的母亲，你自己也不会存在。既然如此，也就没有通过时间旅行回到过去的你的存在了。“外祖父悖论”常常被用来论证时间旅行是不可能存在的，但是也有一些科学家持有不同的意见，认为时间旅行是可以实现的，其中就包括英国著名物理学家斯蒂芬·霍金。
霍金认为，“时光旅行在理论上是可行的，人类可以打开回到过去和通向未来的捷径。”为了实现时间旅行，霍金认为，人类应该首先接受时间作为第四维这一观念。为了更好地解释第四维，他举了一个这样的例子：人们驾驶一辆汽车在陆地上行驶，汽车向前进和向后退属于第一维；向左转弯或者向右转弯属于第二维；如果遇到了山坡，向上爬行或者下坡属于第三维；而剩下的时间，则是第四维。而时间旅行就是依靠第四维的前进或者后退来实现的。
霍金研究了时间旅行的可行性，认为人类可以通过三种方法实现时间旅行。
第一种方法是通过虫洞。虫洞是在宇宙当中可能存在的，用来连接两个不同时空的一种狭窄的隧道。通过虫洞，可以将平行宇宙和婴儿宇宙相互连接起来，因此它提供了时间旅行的可能性。霍金认为，虫洞是穿越第四维的通道，虫洞就是第五维空间。世界有许许多多的缝隙和洞孔，这些洞孔和缝隙存在于我们生活的方方面面。而时间当中也存在着许许多多的裂缝和孔隙，只是这些裂缝和孔隙非常小。在物理学当中，这些比分子、原子还有小的时间孔隙被称为“量子泡沫”，而我们周围的虫洞就存在于这些“量子泡沫”当中。随着科技的发展和进步，以及人们对宇宙的不断认知，霍金认为，在未来的某一天，人类或许能够发现某一个虫洞，通过科技手段将它放大到能够让人类的飞船从中穿越而过，那么人类就会实现时间旅行。
第二种实现时间旅行的途径是通过黑洞。爱因斯坦提出，物质的质量会影响时间的快慢，物体越重，对时间的阻力就会越大，所以在高质量的物质周围，时间的流逝速度会明显低于低质量物质周围的时间流逝速度。而这一发现成为通向时间旅行的路径。根据爱因斯坦的这一理论，霍金认为，黑洞是时间旅行的天然“交通工具”。在银河系当中，有许多质量无限大的黑洞存在着，这些大质量的黑洞会对时间产生极大的影响，在它们周围，时间的流逝速度将会出奇地缓慢，这就使它们成为一台天然的“时间机器”。如果一艘宇宙飞船进入了一个这样大的黑洞，相对于地球上的时间，在黑洞内的时间将会减少一半，即以黑洞内的时间为参考，如果进入黑洞的宇宙飞船在黑洞内运行了一年的时间，那么相对于地球来说，则是过了两年时间。而对于利用黑洞来完成时间旅行，人们对黑洞的认知还是不够全面，而接近大质量的黑洞又太过于危险。
第三种实现时间旅行的方法是通过光速，光速是时间旅行的关键。光速是人类目前已知的宇宙中最快的速度，任何物体都无法达到光速。到目前为止，人类历史上速度最快的飞船是阿波罗10号，它的飞行速度能够达到2.5万英里每小时，相当于每小时能够飞行4万千米。但是要实现时间旅行，速度要达到阿波罗10号最快飞行速度的27000倍。霍金认为，如果人类能够建造出速度接近或者超过光速的宇宙飞船，那么太空船由于无法违背光速最大的这一法则，就会导致太空船的时间变慢。霍金的设想当中，高速太空飞船在太空中飞行数年之后，其飞行速度将会达到光速的99%，这也就意味着在太空船上待一天，地球上就已经过去了一年，船上的乘客也就去到了未来。
当然，霍金虽然提出了三种能够进行时间旅行的途径，但他也认为，在某种意义上，回到过去的旅行应该永远不会上演，时间机器只能带人们飞去未来，而不能回到过去。因为这涉及历史和很多的科学悖论，例如他提出的“疯狂科学家”悖论：一个科学家建造了一个虫洞，他通过虫洞穿越到了一分钟之前的过去，看到了一分钟前的自己，于是他开枪将一分钟前的自己给杀死了。那么问题来了，既然自己在过去已经死去了，那么又是谁开的枪呢？所以回到过去会违反基本的因果论。但是虽然如此，也并不意味着所有的时间旅行都不可能，霍金表示，他对时间旅行深信不疑，他也相信，在不久的将来，人们会实现通向未来的时间旅行。