爱因斯坦发表了《相对论》之后，对人们的时间观发生了严重地冲击，使人们意识到时间的非线性，懂得时间可以压缩和延伸。天体物理学、物质结构学等领域的一系列重要发现，也推动着人类时间观念的变革。时间这个牢不可变的维度，竟然也会像速度、距离一样相对可变。自此，人们关于时间的遐想还是层出不穷，各种穿越时间的设想随之而出，与时间穿越有关的科幻小说、电影、电视剧得到蓬勃发展。
《相对论》的前提是光速不变原理，也就是说无论自己以什么样的速度运转，对自己来说，时间并没有变化，只是相对低速物质来说，自己的时间变慢了。当自己的速度达到光速的时候，时间就会相对停止。因此，理论上来讲，穿越到未来是可行的，只需要让自己以足够大的速度远离地球即可。电影《星际穿越》正是以此为理论基础，才有了电影最后，男主角见到了比自己年龄大很多的自己女儿。
穿越未来可以实现，那回到过去是否也能够实现呢？
从《相对论》来看，若我们能够超越光速，就可以实现时光倒流。可是，也是在《相对论》中，爱因斯坦将其否定。根据计算，只有没有质量的物质才能达到光速（例如光子），而有质量的物质只能无限接近光速，却达不到光速，更别说超越光速。
除过理论否定时光倒流之外，还有一个著名的“外祖母悖论”也否定了穿越时空的可能性。大体意思是说，假如可以实现穿越时空，那么你穿越到外祖母的年代杀掉外祖母。那么你的母亲就不会出生，自然也就没有你。那么你又怎么会穿越回去杀你的外祖母呢？这就出现了悖论，也就否定了时空穿越。
理论上的否定并未挡住科学家与科幻作家的想象力，大家大胆提出了穿越的可能性与解决外祖母悖论的假设，比较靠谱的有以下几种。
1 蝴蝶效应
“蝴蝶效应”说的是：一只南美洲亚马孙河边热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇几下翅膀，引起微弱气流变化，影响到四周空气或其他系统产生连锁变化，最后可能在美国得克萨斯的一场龙卷风。对应到时空穿越就是，穿越时空者所做之事会对历史造成不可逆转的影响，整个世界都会随其改变。
电影《蝴蝶效应》正是以此为基础，拍摄出了男主人公通过穿越时空改变一些历史事件，来改变目前世界的某些事情。但每次改变都会引起世界的整体变化，并不是男主人公想要的细微变化。
2 观察者效应
观察者效应有两种解释。
一是认为人是可以实现时间穿梭的，至于为什么没有对现在的生活产生影响，是因为穿越之后的记忆只在当时有作用，而回到现实之后记忆会消失。
如动画片《你的名字》便是以此理论编排的剧情，故事中男主人公因某种力量每隔一天与三年前的女主人公交换身体，可当他们换回自己身体时，对前一天所做之事便记不清楚，甚至不知道对方的名字叫什么。这样的生活持续了好多个月，可到了最后，男女主人公却记不起对方。
3 循环因果
“循环因果”解释时空穿越比较容易被人接受。那就是，即使实现了时间穿梭回到古代，也不能改变历史。有时甚至是由于自己的出现才导致历史的发展。通俗来说，你企图回到过去拯救一个人的命，却发现那人仍是无可避免的死了，总会有一些外来力量干扰你的拯救行动。甚至更糟的是，你回到过去的此一行为正是导致他死亡的原因。
如电影《终结者Ⅰ》，未来巨型电脑“天网”（Skynet）派机器人来现代，为的是杀死人类义军领袖的母亲，同时该领袖也派了部下来拯救母亲，没想到该部下与他母亲发生关系，怀孕了他。
假如天网不派机器人刺杀领袖母亲，领袖也不会派人保护自己母亲，那么，领袖便不会出生。天网的举动实际上导致了人类领袖的诞生，“穿越”并未改变历史，反而缔造了历史。类似的应用还有动画片《哆啦A梦》，电视剧《寻秦记》。
总体来说，现实已经确定，任何穿越到过去的行为只会改变结果到来的过程，而不能改变结果。
4 平行宇宙
平行宇宙理论又称多宇宙理论。它解释宇宙并不止一个，而是由多个一模一样的宇宙朝多个方向发展。这些宇宙包括了一切存在和可能存在的事物：所有的空间、时间、物质、能量以及描述它们的物理法则和物理常数。然而它们的差别仅是，有些宇宙时间快，而有些宇宙时间慢。
换句话说，时空中还有和我们一样的宇宙，有的比我们时间早几天、几小时或者几秒钟，有的比我们慢几年、几百年或者几秒钟。但这些宇宙却是有联系的，甚至可能是由一个宇宙分解而来。因此，在另一个宇宙中同样存在地球，甚至有个和你一模一样的自己。电影《另一个地球》正式一次理论为基础拍摄的科幻片。
平行宇宙理论可以解释很多事情。
例如时间穿梭，是由于自己通过量子纠缠（量子纠缠原理是量子通讯的理论基础，我国前段时间发射的量子卫星正是利用此原理。具体请自行百度）感知到了另一个宇宙中的“自己”，而这个宇宙比自己所在的宇宙快或者慢一段时间。自然也不存在“外祖母悖论”，因为本身就有多个自己，即使另一个宇宙中的“外祖母”被杀，也不会影响到自己所在的宇宙。
例如有人去一陌生地方有“似曾相识”的感觉，是由于比自己时间快的宇宙中的“自己”通过量子纠缠，让对方的记忆影响到了自己。那么自然会对即将到来的某一陌生环境产生“似曾相识”的感觉。
例如虫洞，则是连接两个平行宇宙的通道。因为虫洞不是每时每刻都存在，那么，我们这种“似曾相识”的记忆也不是时时都有。
穿越时间目前为止至还没有显露其现实可能性，可提出这些观念的人仍然非常了不起。人类虽然还缺乏穿越时间的实践，但已经在幻想中畅游时间的长河，由此而产生的科幻作品就其内容而言是丰富多彩的。当然，从幻想到现实到底能不能够实现，还需要更多科学研究成果。人们是否能够克服难题使自己获得超时间旅行的自由，历史的发展终将给出答案。