Святой Августин сказал, что знает, чем считалось время до того, как он стал о нем размышлять, а дальше начались его затруднения. Хотя временной процесс фундаментален для научной мысли, ученые также находятся в немалом замешательстве по поводу природы времени.
Если бы кто–то заснял на пленку столкновение бильярдных шаров, этот фильм имел бы одинаковый смысл, показали бы его в правильном порядке или в обратном. Процесс такого рода называется «обратимым во времени», у него нет внутренне определяемого «до» или «после». С другой стороны, фильм о большом количестве бильярдных шаров на качающейся поверхности, кончающийся на том, что все шары останавливаются, образуя совершенно правильный прямоугольник, такой фильм, разумеется, прокручен в обратную сторону, поскольку он показывает переход от беспорядка к упорядоченности, что противоположно нашему опыту. А наш опыт говорит нам, что скорее порядок уступает место беспорядку, чем наоборот. Это ощущение — выражение второго закона термодинамики, который гласит, что в изолированной системе энтропия не уменьшается. (Условие, что система должна быть изолированной, разумеется, обладает первостепенной важностью, поскольку с помощью постороннего вмешательства можно было бы, к примеру, без труда организовать шары в правильную фигуру.) Несмотря на обратимость во времени индивидуальных столкновений, система, состоящая из большого количества шаров, демонстрирует свойство необратимости, иначе говоря, она имеет естественно определенные «до» и «после». Не то что бы это было бы абсолютно невозможно, чтобы шары сами организовались в правильную фигуру, но это очень маловероятно, поскольку для этого необходимо, чтобы движения отдельных шаров были бы очень точно координированы. Иначе говоря, существует очень много способов достижения неупорядоченности и очень мало способов достижения упорядоченности. Беспорядок всегда доминирует благодаря этому огромному «численному преимуществу».
Этот пример с бильярдными шарами применим к физическому миру в целом. Кроме одного небольшого исключения (важного для молодой вселенной, но незначительного теперь), фундаментальные законы физики обратимы во времени. Необратимость появляется как свойство больших комплексных систем. Она связана с термодинамической тенденцией к повышению энтропии.
Переход от «до» к «после» определяет направление того, что может быть названо «стрелой времени». На самом деле есть множество четких определений отдельных стрел.
Термодинамическая стрела. Она указывает в направлении увеличения энтропии. (Техническое замечание. В отношении применения термодинамики к целой вселенной существуют некоторые затруднения и спорные вопросы. Они возникают потому, что не вполне понятно, в каком точно смысле можно говорить, что вселенная — изолированная система, а также при учете некоторых термодинамических тонкостей, свойственных крупномасштабным гравитационным системам.)
Стрела усложнения (комплексификации). Она направлена от практически не структурированной молодой вселенной в сторону высоко структурированного современного мира. Наше предшествующее обсуждение диссипативных систем показывает, что нет никакого неразрешимого противоречия между появлением локальной структуры и вторым законом термодинамики.