时间之方向
宇宙形成之初奇点的存在使人们对造物时刻的空间、特别是时间的性质产生了疑问。此时给出对时间的清晰定义是有益的。每个人都熟悉时间是什么，以及事件是怎样按照先后顺序排列的，我们习惯于用因果关系来描述紧跟在某些事件后面的事件。但这些只是简单的概念，我们无法深入下去。那么对时间是什么的最佳论述则是：由钟表来测量的某种事物。
爱因斯坦的相对论有效地动摇了牛顿的绝对空间和绝对时间的概念基矗牛顿认为，空间是三维的，时间是一维的，它们是绝对的，不随粒子或实验者的运动而变化，相对论物理学把时空组合成一个四维的实体，叫做时－空。在许多情况下，这个理论中的时间和空间在数学上被认为是等价的：对相同的两个事件之间的时间间隔，不同的观测者往往会测出不同的结果，但是四维的时－空间隔总是相等的。
但是爱因斯坦理论上的突破性成功往往会掩盖来自日常经验的这样一个事实：时间和空间本质上不同。我们可以去南方或北方，东方或西方旅行，但在时间上我们只能走向未来，不可能后退到过去。伦敦和纽约在同一时刻处于不同的空间位置，对此我们没有什么疑问。但没有人会说在5001年仍和现在的情况一样。我们也会说，现在我们做的会引发未来的一些事件，但是不会考虑同时发生于两个不同地点的事件间的因果关系。空间和时间真是非常不同。
在宇宙学中，大爆炸很显然具有特定的方向。但是描述它的方程在时间上是对称的。我们的宇宙正在膨胀，而不是收缩，但它可能收缩并用相同的定律描述。我们观察到的时间的方向性是否可能是因宇宙的大尺度膨胀而凸现出来的呢？霍金等人思考过，如果我们生活在一个封闭的宇宙，它最终停止膨胀而开始收缩，在收缩的过程中时间可以有效地后退。事实上，如果这种情况发生，我们就无法判断时间倒退的收缩宇宙和时间前进的膨胀宇宙的区别了。霍金曾一度确信情况只能如此，但后来改变了想法。
爱因斯坦的四维理论引出了一个更抽象的问题：描绘一个粒子在时－空中运动的整个历史的完整“世界线”，可以通过理论计算得出。处于不同时刻的一个粒子与处于同一时刻、不同位置的两个粒子以同样方式存在。这与我们通常的想法是如此地不一致。难道我们未来已经存在了吗？所有事情都以这种方式注定了吗？
这些问题并不只限于相对论和宇宙学。许多物理理论在过去和未来之间是对称的，如同它们在不同空间位置中的对称。时间明显的非对称性怎样与这些理论调和的问题是一个艰深的哲学难题。至少还有两类物理理论提出了这个有时被称为时间之方向的问题。
一个理论是直接来自于一个看似全能的物理原理，叫做热力学第二定律。它规定了在一个封闭的系统中熵是不会减少的。熵是对系统的无序的度量，所以这个定律意味着一个系统的无序程度趋向于增加。我已经通过对我的办公室进行周期性观察试验性地对该定律进行了多次验证。第二定律是一种宏观的描述；它涉及蒸汽引擎那样的大问题，但却来源于物理理论对原子和能量状态的细致的微观描述。规定这些微观状态的定律在时间上是完全可逆的。那时间之方向性是怎么出现的？
类似于经典的热力学定律，对黑洞和引力场特性进行一般描述的一套定律也已建立。尽管与引力场相关的熵是很难定义的，这些定律似乎指出，甚至在一个收缩的宇宙，时间都是有方向性的。正是这个原因使霍金放弃了他的时间反转思想。
另一个时间之方向问题来自量子力学，它也是时间对称的，但当一个实验进行时，奇怪的现象如波函数的收缩出现了。波函数似乎只在一个时间方向上收缩，而在另一个方向上不收缩，正如上面所暗示的，这可能是解释量子力学时的一个概念性难题。
