בתהליכים שאנו רואים בעולם שמסביבנו יש כיווניות ברורה ביחס לזמן, שנקראת בלשון הפיסיקה חץ הזמן. לדוגמא, נניח שמצלמים בסרט שחיין שקופץ ממקפצה גבוהה לבריכה, או אגרטל שנופל משולחן ומתנפץ לרסיסים, ואחר כך מקרינים את הסרט מהסוף להתחלה. מה שיראו הצופים – שחיין המזנק מהמים וניצב על המקפצה, או שברי אגרטל שמתחברים לאגרטל שלם – תהיה תופעה שכמובן אינה יכולה להתרחש במציאות.
הפרדוקס הקשור לחץ הזמן נובע מהעובדה שהוא מופיע רק במערכות מאקרוסקופיות כלומר במערכות המכילות מספר גדול של חלקיקים. מכיוון שחץ זמן אינו מופיע במשוואות היסודיות של המכניקה והחשמל, כל תהליך שמשוואות אלה מתארות יכול להתרחש גם בכיוון ההפוך. לכן תנועה של מולקולה בודדת והתנגשות בין שתי מולקולות, הם תהליכים שנראים טבעיים לחלוטין גם אם הופכים את כיוון הזמן, כלומר מקרינים אותם מהסוף להתחלה.
מכיוון שכל תהליך מאקרוסקופי מורכב מהרבה תהליכים מולקולריים, נשאלת השאלה כיצד יתכן שצירוף של תהליכים שאינם כפופים לחץ הזמן, מניב תהליך הכפוף לו? אם כל מולקולה בפני עצמה “אינה מכירה” את כיוון זרימת הזמן, איך זה שבצבר גדול של מולקולות נוצר חץ זמן המצביע מהעבר לעתיד? התשובה שהפיסיקה נותנת לפרדוקס הזה היא, שאת חץ הזמן שתיארנו יוצר החוק השני של התרמודינמיקה. החוק הזה קובע שבמערכת סגורה, האנטרופיה גדלה או נשארת קבועה, אבל לעולם אינה קטנה. החוק נובע בעצם מהעובדה שלפי הגדרת האנטרופיה, למצבים בעלי אנטרופיה גבוהה יש הסתברות גבוהה יותר להתרחש מאשר למצבים בעלי אנטרופיה נמוכה.
השאלה אם חץ הזמן התרמודינמי (הנובע מהחוק השני) הוא חץ הזמן היחיד בטבע, או שיש עקרון אחר, יסודי יותר, הקובע את כיוון הזמן, היא עדיין שאלה פתוחה. בשנים האחרונות התברר, כי יש התפרקויות נדירות של חלקיקים קצרי חיים שיש להן כיווניות ביחס לזמן (ראו חוקי שימור וסימטריה). הגילוי הצביע על כך שחץ הזמן אינו מתלווה בהכרח רק לצברים גדולים, ועשוי לשלוט גם על חלקיק בודד.
לקריאה ועיון נוסף באינטרנט: