(四)時間箭矢與其他時間效應
1.時間箭矢的概念
物理學在微觀的層次幾乎完全是時間對稱的，這意味著物理學定律在時間流易的方向倒轉之後仍然保持為真。但是在宏觀層次卻顯得並不是那麼回事：時間存在著明顯的方向。「時間箭矢」就是用於描述這種不對稱的現象。所謂「在微觀的層次幾乎完全是時間對稱的」，通俗地說意指：隨著尺度的減小，事件逆向發生的機率逐漸趨近於正向發生的機率。當尺度非常小時，我們認為兩者是近似相等的。主要分類有熱力學箭矢、宇宙學箭矢、輻射學箭矢、因果箭矢、弱力箭矢、量子箭矢、心理學箭矢。
「憑著日規上潛私的陰影，你也能知道時間在偷偷地走向亙古。」
──威廉‧莎士比亞
2.熱力學箭矢
熱力學時間箭頭來自熱力學第二定律，這一定律認為一個孤立系統的熵只能隨著時間流易不斷增加，而不會減少。熵被認為是無序的量度，因此第二定律隱含著一種由孤立系統的有序度變化所指定的時間方向（也就是說，隨著時間流逝，系統總是越來越無序）。這種不對稱性可用於區分過去和未來。換句話說，孤立系統在未來將越來越無序。
儘管任何孤立系統隨時間流易越來越無序，系統的各部分卻存在著關聯。一個簡單的例子是玻璃杯被打碎的過程：最終狀態（碎了的杯子）比初始狀態（完整的杯子）更無序，但在杯子的各部分之間存在關聯——兩塊相鄰碎片的邊緣可以準確吻合。於是，一個孤立系統在過去是有序的且其各部分是無關的，而將來則是無序的但各部分是相關的。
3.宇宙學箭矢
指向宇宙膨脹的方向、一個自由能耗盡後宇宙熱寂或者高寒的結局。一種另類的觀點是，也許這個箭頭會在重力的作用下逆轉成大擠壓，並在反覆的膨脹-擠壓中進化到適合人類的出現。
一種另類的觀點是，也許這個箭矢會在重力的作用下逆轉成大擠壓，並在反覆的膨脹-擠壓中進化到適合人類的出現。如果這個箭矢與其他時間箭矢有關，那麼未來的方向取決於整個宇宙是否越來越大。也就是說，宇宙正在膨脹而不是收縮，這只是一個定義的問題。
4.輻射學箭矢
波，包括無線電波以及聲波或甚至扔到水中的石頭激發的水波，都從它們的源頭處向四周擴散，儘管波動方程式除了這種形式的擴散波之外，也允許從四周聚攏到中間的收斂波。在很仔細地調整實驗條件後，可以扭轉這個時間箭頭產生收斂波，因此這個時間箭頭可能源於熱力學箭頭，因為要產生收斂波，需要比產生擴散波更有序地排列波源。
因此，自發產生一個收斂波的可能性要比產生一個擴散波小得多。由於一個擴散波的傳播往往會增加熵，而收斂波則會減少熵，因此通過波的傳播收斂方向來判定時間方向也是熱力學第二定律的應用。因此輻射時間箭頭也是熱力學時間箭頭的一個等效。
5.弱力箭矢
已經證實某些由於弱核力引起的亞原子反應違反了宇稱對稱性，但這種情況很少發生。根據CPT定理(詳見第33頁)，這意味著它們同時是時間不可逆的，由此產生一個時間箭頭。這類過程可能是質子在早期宇宙產生的原因。尚沒有任何理論說明這個箭頭和其他箭頭有關，如果它反向的話，使我們的宇宙有所區別的就只是那個世界充滿了反質子而不是質子。更準確地說，對質子和反質子的定義將剛好相反。宇稱的破壞是非常輕微的，這個箭頭只是勉勉強強地指向某一方向。這將它與其他很容易觀察到的時間箭頭區分開來。
6.量子箭矢
量子演化由薛丁格方程式和波函數塌縮描述，前者是時間對稱的，而後者卻否。波函數塌縮的具體機制還不清楚，儘管在微觀層次，塌縮似乎不會增加或者減少熵，有人相信其中有一種與熱力學箭頭有關的宏觀原理在起作用。根據量子去相干的理論，如果假定波函數塌縮只是表面現象，量子力學箭頭就是熱力學箭頭的一個自然結果(詳見第八章/第十章)。
7.因果箭矢
原因一般被認為發生在結果之前。我們可以控制未來，但無法控制過去。這種判別時間方向的方式被一些人認為是因果時間箭頭。本質上，因果時間箭頭仰賴人的經驗，以判定什麼是原因，而什麼是結果。而人這種經驗是在長期觀察熱力學第二定律的現象中總結而來的。如果熱力學箭頭扭轉，那麼人類會先觀察到地上的碎瓷片而後觀察到跳進我們手掌的盤子。長期進行這樣的觀察會讓我們覺得地上的碎瓷片是原因，而跳進我們手掌的盤子是結果了，所以因果時間箭頭會因熱力學時間箭頭的扭轉而被扭轉。事實上，根據第二定律，初始狀態（更有序而更少自相關）比最終狀態總是要簡單些，因此把開始的情況看成兩件事情中的原因部分總是容易些。所以因果時間箭頭本質上是一種人類對時間方向的經驗，這種經驗來自於對熱力學現象的總結。心理學時間箭頭也與因果時間箭頭有關，因為我們總是記得過去同時能夠影響將來（而不是相反），因此我們把過去看成是將來的原因。
8.心理學箭矢
這是人類的經驗中最顯著的箭頭：我們覺得自己似乎正從過去走向未來；我們覺察到並記得過去而不是將來。心理上的時間方向被認為是熱力學時間箭頭(尤其是第二定律)的各種形式被意識歸納總結獲得的經驗，因而人通過這種經驗判別記憶中事件發生的順序從而獲得時間的概念。為了記住事情，我們的頭腦會從一個無序狀態轉變到一個更有序的狀態，或者從一個有序狀態變成另一個同樣有序的狀態。為了確保新狀態的正確，必須消耗能量，因此便增加了宇宙其餘部分的無序程度。這個無序度上升的程度總是比我們頭腦的有序度增加的程度大，因此我們就從宇宙的失序度增加過程中記住了事情，事件也就總是在過去。假定計算機和人類有相同的箭頭是合理的；如果不是這樣，人們可能因為有一台記住明天價格的計算機而使股票交易所垮台！
9.再談熵─時間的方向
熱力學第二定律指明了時間的方向。熵是物理學中判定次序大小的量，再次強調：如果系統的熵值較高，則失序程度也較高；如果其值較低，失序程度也會相對減低。在生活中，我們從未見過違反第二定律(逆轉熵)的現象，就像已在清水中擴散的墨汁不會再自動聚集起來般，但是這定律卻似乎牴觸牛頓運動定律─例如我們將撞球碰撞過程拍攝起來後，把影片倒帶，卻無法看出任何不妥處，但是如果將墨汁擴散過程拍下，倒帶後任何人皆可見得那並非真實現象(如下圖)。無論如何，牛頓運動方程式在時間反轉下是不便的，但是熱力學第二定律卻指名了時間方向─宇宙的熵只會增加：因為，第一，宇宙起始狀態極為有序，第二，由於有序狀態的數目遠比無序狀態的數目要小，就機率而言，熵降低的可能性很小，因此宇宙才能由有序狀態演化成較無序的狀態。至於宇宙最初如何將熵減低那麼多，目前還沒有令人信服的答案。
10.重力對熵的效應
11.最後的問題
故事從2061年開始，兩個技術人員問了當時最強大的電腦多真空管(多聯域)，「如何才能使宇宙熵的淨值大量減少？」這相當於問：「熱力學第二定律（用來解釋故事裡宇宙熵值的增加）的運作可以扭轉嗎？」計算機的回答：「目前的數據不足以得到有意義的答案。」然後人類文明不斷發展，擴展到銀河、星系乃至全宇宙，計算機也先後發展成微真空管(微型域)、銀河AC、宇宙AC、超空間AC、AC。每一代人都向計算機提出了那個問題，每次計算機的回答都是「目前的數據不足以得到有意義的答案。」宇宙漸漸走向寂滅，人類已經進化成遍布宇宙的心靈，恆星一個一個消失，宇宙接近了熱寂。人類最後一次問AC最終的熵問題，AC仍然無法回答。之後「人類」和AC融合了。AC繼續思考這個問題，即使空間和時間不再存在。最後它發現了答案，但無法告訴任何人，於是，它以逆轉熵的方式顯示答案，AC說：「要有光！」-創造了新的宇宙。
(※此篇源自於1956年月刊艾薩．阿西莫夫最後的問題)
[*聖經‧創世紀：『神說、要有光、就有了光…………到第七日、神造物的工已經完畢、就在第七日歇了他一切的工、安息了。』]
【點此詳閱故事全文：最後的問題】
12.和時間奇遇 [實驗]
*如果你手中有一顆彈珠，你將它放入玻璃瓶子內，
不停搖了約1個小時後，彈珠會從瓶口跳出。
假如有個手工組合器，打造出一個和玻璃瓶同樣性質的小室，室1只有開口，室2有兩個開口，一個連接到室1、另一個連接到室3，並將彈珠先放入室1，利用機器搖動，則彈珠要從室3跳出來必須要花6小時。
照上述步驟，做出10個小室，則彈珠要花55小時才能離開組合。
繼續實驗，與9個是連結起來組合，若室與室之間由一個向前的連結口及兩個逆行單方向連結口相接，那麼該裝置可以代表1年多一點的時間，因為彈珠放在這裡並由機器震動需要1年多才掉得出來─這稱為系統C(9,2)。
同樣做出系統C(15,5)，則代表直立人出現時間(一百六十萬年)，也就是彈珠彈出所需時間。
再做出系統C(15,7)，又稱為黑瑞龍系統，因為那是二億三千萬年前出現的恐龍，也就是說，彈珠要花那麼多的時間才能跳出小室。
最後，請做出系統C(15,10)，這代表地球誕生至今的時間(46億年)，假若將彈珠置入其中，則必須震動數十億年，彈珠才能脫離系統。
──不過那是不可能的事。
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