物理学有一个让人觉得反常的事实，除去热力学第二定律，绝大多数基础方程，不会区分过去与未来。牛顿公式F=ma，把时间t替换成-t，方程依旧成立。小球滚上坡再滚落，倒放的画面完全符合力学规律。麦克斯韦方程组、相对论、薛定谔方程，全部不关心时间正向还是反向流动。微观层面，正向发生的物理过程，反向推演同样成立。电子和正电子碰撞湮灭生成光子，反过来光子也能转化成电子与正电子对。原子吸收光子跃迁到高能级，反过来也可以释放光子回落低能级。基础物理定律本身，不会偏向任意一个时间方向。
那为什么我们能感知时间存在方向？杯子摔落在地碎裂，碎片不会自动拼合回到桌面；我们能记住昨天发生的事，却没办法预知明天。这个问题困扰物理学家一百多年，答案并不藏在微观定律之中，而是属于统计层面的现象。
热力学第二定律表述，孤立系统的熵不会减少。熵可以理解成混乱程度，或是同一个宏观状态，能够对应的微观状态数量。一套整齐拼图只有一种排列方式，打散之后存在无数种组合，所以打散的概率远高于保持完整。杯子完好时，内部原子按特定晶格排布，对应的微观状态数量很少；杯子碎裂之后，碎片位置、朝向存在无数组合。从少量状态转向大量状态是自然趋势，反向过程不是绝对不可能，只是概率低到，等待的时间远超宇宙年龄。
这里存在一处陷阱。热力学第二定律属于统计规律，描述的是几乎一定发生，而不是绝对必然。足够漫长的时间尺度下，熵减涨落有机会出现。玻尔兹曼提出过思想实验，如果宇宙存续时间足够久，随机涨落会生成低熵状态，碎片自发拼接成完整杯子。只是这个时间量级达到10的10的几十次方年，远远超过可观测宇宙年龄。过去和未来的差异，在物理学里不是绝对划分，而是统计层面的区别。过去对应熵更低的状态，未来对应熵更高的状态，时间之箭指向熵增加的方向。
相对论给时间增添另一层复杂属性。狭义相对论中，不同惯性系的观察者，没法对同时这件事达成统一结论。一名观察者判定两件事同时发生，另一个高速运动的观察者，会认为两件事存在先后。现在这个概念是局域的，不存在全宇宙统一的此刻。地球上的现在，和比邻星附近的现在，在另一个高速参考系下，时间差能达到数年。过去、现在、未来，不像一条匀速流淌的长河，更像一块可以用不同方式切片的橡皮泥。
广义相对论里，时间甚至能够弯曲、变慢。强引力场附近时间流逝速度更慢，GPS卫星原子钟，每天比地面快大约38微秒，需要持续校正，保障导航准确。黑洞周边时间几乎停滞，远处观察者视角下，落入黑洞的物体永久停留在视界表面，慢慢变红变暗。这说明时间不是固定不变的背景，和空间一样，会被物质、能量影响。
块宇宙的设想，会带来更强的冲击。广义相对论数学框架里，四维时空整体看作已经存在的实体，过去、现在、未来，都是四维块上不同切片。我们感受时间流逝，类似沿着一条已经铺好的道路行走，道路本身一直存在。这个设想和热力学第二定律并不冲突，它将时间之箭归结为观察者的局限。记忆形成需要消耗能量、提升熵，我们只能记住熵更低的方向。
量子力学带来另一重疑问。量子测量时，系统测量前处于多种可能性叠加状态，测量之后坍缩成确定结果。这个过程看上去带有时间方向，但量子力学基础方程本身不含坍缩，坍缩只是额外增加的假设。退相干理论尝试解释宏观世界存在确定历史，微观世界没有的原因：系统和环境发生纠缠，不同可能性的干涉效应消失，只留下一条经典轨迹。但这套解释本身，依旧无法给出时间方向，只能说明我们观测到的时间是有序的。
综合来看物理学当前结论，微观定律大多具备时间对称性，宏观不可逆现象来自统计效应。相对论将时间变成可弯曲维度，量子力学关于时间本质的讨论还没有定论。目前没有理论完整解释，为什么时间只会单向流动。时间之箭属于涌现现象，由大量粒子集体行为产生，并不是底层基础定律自带的属性。过去和未来的差别，在物理学家眼中，本质是信息和概率问题，不是基础物理规律带来的区别。
