然而，即便技术上的诸多难题都被克服了，“时间机器”的产生还会打开一个充满逻辑悖论的潘多拉盒子。
第一个悖论是一个时间旅行者进入过去，杀死了还是个婴儿的自己，那么他就会既存在，又不存在，因为他就无法长大再回来完成这个谋杀。第二个悖论更加微妙。时间旅行者跑到时间前面，在树上刻下了他的名字，而他在回到现在后，砍掉了那棵树，使它从未来消失了。在未来的某个时候，树既存在，又不存在。
时间旅行问题专家大卫·多伊奇则用量子物量学的一些定律来解答这些矛盾。在亚原子世界里，量子的不确定性占主导地位：一个电子撞击一个质子既可能转向左边也可能转向右边，其间并无规律可循。在多伊奇等一些物理学家看来，这种不确定性造成了宇宙的“多重性”，每次一个电子转向右边的时候就和一个转向左边的电子形成一个新的宇宙。
也就是说，世界不是只有一个，而是有许多平行的世界。你回到过去，但那不是你自己的世界，而是和你的历史相似的世界，如果你干预了历史，未来走向的将是一个与你来时世界不同的另一世界。
这种想法近乎疯狂，但除了多伊奇外还有许多著名物理学家相信有平行世界的存在。在《时间简史》里，霍金这样说：解决时间旅行的其他可能的方法是选择历史假想。其思想是，当时间旅行者回到过去，他就进入和历史记载不同的另外的一个历史中去。这样，他们可以自由地行动，不受和原先的历史相一致的约束。
