假如有人把一段视频倒着播放，我们几乎一眼就能看出来。掉到地上的玻璃杯突然聚拢成完整杯子，随后从地板飞回桌面。滴进咖啡里的牛奶自己从褐色液体中分离出来，重新缩成一滴。燃尽的蜡烛吸收周围的烟气和热量，恢复成原来的样子。
奇怪的是，如果只看描述这些物体的很多基本物理方程，事情倒着发生似乎并没有那么荒唐。这就产生了现代物理学一个持续了一百多年的难题，为什么宇宙能够区分过去和未来？为什么我们可以记得昨天，却不能记得明天？
或者说，时间为什么似乎永远只能朝一个方向前进？
时间有方向这件事，在我们的日常世界里几乎不需要证明。鸡蛋打碎以后，不会自己回到蛋壳里。热咖啡放在桌上会逐渐变凉，却不会突然从空气中吸收热量变得越来越烫。香水喷到房间里会扩散开，也不会过一会儿重新聚集进瓶子。
物理学通常用热力学第二定律描述这种现象，对于一个孤立系统，熵不会自发减少。“熵”经常被简单理解成混乱程度，但更准确地说，它与一个宏观状态所对应的微观可能状态数量有关。
假设把所有空气分子都压缩在房间左半边，然后松开隔板，分子很快就会散布到整个房间。理论上，并没有哪条经典力学定律绝对禁止所有分子某一瞬间同时跑回左边。
但让数以亿亿计的分子恰好同时完成这种动作，概率小得无法想象。所以从宏观上看，我们就得到一个清晰方向，低熵状态走向高熵状态，过去走向未来。热量从高温物体流向低温物体、气体扩散、系统走向平衡，正是宏观世界中最醒目的时间不对称现象。
如果组成咖啡、玻璃杯和人体的基本粒子，遵循的许多微观动力学方程并没有明显要求时间只能朝一个方向运行，那么，宏观世界如此强烈的不可逆性究竟是从哪里冒出来的？
如果拍摄两颗理想小球发生弹性碰撞，再把录像倒放，仅仅从牛顿力学角度看，我们很难判断哪一段才是真实的时间方向。量子力学中孤立系统的薛定谔演化，同样具有高度可逆性。这也是时间之箭最让物理学家头疼的地方。
宏观世界说时间只能向前，但微观方程却会抛出“哪边是前？”的问题。
如果熵一直增加，那么把时间不断往过去推，宇宙过去的熵应该越来越低。最终我们不得不面对宇宙诞生时的特殊状态，为什么早期宇宙会拥有如此特殊的低熵条件？
宇宙之所以拥有今天这支时间之箭，是因为它在极早期处在一个极其特殊的低熵状态，此后大量可能过程才整体朝着熵增加的方向发展。
一个量子系统只要不断与周围环境相互作用，就很难一直保持理想的孤立状态。一个电子会与附近的光子、空气分子、探测器发生相互作用。它原本可以维持的量子叠加状态，会逐渐把信息扩散进周围大量自由度，这就是量子退相干讨论的核心。
空气分子、光子、实验仪器甚至周围环境本身，都能够与量子系统发生纠缠，并导致退相干。这也是为什么薛定谔那只著名的猫，在现实世界里几乎不可能长时间维持“既死又活”的宏观量子叠加。
不是因为猫有意识，而是因为一只猫根本无法与外界完美隔绝，它每时每刻都在和空气、热辐射、箱体以及无数环境自由度发生相互作用，量子信息迅速散入环境。从局部观察者的角度看，原本可以相互干涉的不同量子可能性很快失去可观测的相干关系。
几十年前，物理学家已经研究环境如何使量子系统表现出宏观不可逆性。美国物理学会1995年发表的一项研究就显示，当量子系统受到环境噪声或与环境耦合时，原本可逆的动力学会出现明显的时间箭头特征。
现实中的物体几乎从来不是完美孤立的，整个宇宙都在不断发生相互作用，量子系统不断纠缠，信息不断分散到越来越庞大的环境之中。从我们的局部视角来看，这个过程极难倒转。所以，时间方向就出现了。
也许早期宇宙最特殊的地方，在于它具有非常低的纠缠熵，宇宙最初各部分之间的量子纠缠程度可能很低。随着宇宙演化，各个子系统不断相互作用，纠缠关系逐渐扩展。对于局部子系统来说，它们会显得越来越混合，可用信息不断进入更庞大的环境。
因此，便出现一条从低纠缠走向高纠缠的方向。这条量子意义上的箭头，也许能够与我们后来看到的热力学时间箭头联系起来。
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