Thuyết động học phân tử đã thành công nhưng lại đứng trước một vấn đề chưa được giải quyết: xây dựng cơ sở lí thuyết cho nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học.
Thuyết động học phân tử đã chứng tỏ rằng nhiệt là chuyển động cơ học của các nguyên tử và phân tử. Nhưng tính không thuận nghịch, tính một chiều của các quá trình thực trong nhiệt động lực học lại là điều không hiển nhiên, trái với các quan điểm của cơ học. Nguyên lí thứ hai được các nhà khoa học công nhận, và được áp dụng có hiều quả cho các hệ cô lập, nhưng việc mở rộng nó ra cho toàn thể vũ trụ dẫn đến cái chết nhiệt của vũ trụ đã gây nhiều tranh luận.
Boltzmann đã công bố một công trình nhằm giải thích nguyên lí thứ hai trên cơ sở thuyết động học phân tử. Vài năm sau, Clausius cũng đi theo một con đường tương tự, nhưng với một giả thuyết ít giả tạo hơn ông cũng rút ra được nguyên lí thứ hai.
Lập luận của Boltzmann, Clausius và một số nhà vật lí khác cho phép chứng minh nguyên lí thứ hai với điều kiện phải thừa nhận những giả định ít nhiều giả tạo. Nhưng chúng cũng chỉ áp dụng được cho các quá trình thuận nghịch. Để chứng minh cho các quá trình không thuận nghịch, phải thừa nhận thêm những giả định quá giả tạo, khó chấp nhận hoặc phải vận dụng thêm lí thuyết xác suất. Cho tới những năm 80 đã xuất hiện những công trình trong đó nói rằng không thể xây dựng cơ sở cơ học cho nguyên lí thứ hai và muốn thành công thì phải vận dụng lí thuyết xác suất. Như vậy, quá trình đi tìm cơ sở cơ học cho nguyên lí thứ hai đã dẫn đến vật lí thống kê.
Người đầu tiên đi theo con đường này là Maxwell. Ông đã thành lập được công thức về sự phân bố vận tốc của các phân tử chất khí. Công thức đó đã gây ra những cuộc tranh luận kéo dài, mãi tới khi sự phát minh ra các bơm phân tử cho phép kiểm tra công thức đó bằng thực nghiệm và khẳng định tính đúng đắn của nó.
Việc đưa ra những định luật thống kê có ý nghĩa rất to lớn và tạo ra một cách suy nghĩ mới cho các nhà khoa học. Maxwell và Boltzmann đã nêu lên rằng nguyên lí thứ hai của nhiệt động lực học phải được coi không phải như một định luật chính xác, chắc chắn của tự nhiên mà là một định luật thống kê có xác suất cao. Trạng thái của một hệ nhiệt động lực học phù hợp với nguyên lí thứ hai là trạng thái có xác suất cao nhất (có thể coi xác suất bằng 1). Một hệ nhiệt động lực học cô lập bao giờ cũng có xu hướng chuyển trạng thái có xác suất cao nhất. Đó là ý nghĩa thống kê của nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học.
Clausius, Boltzmann, Einsten, Gibbs (Gipxơ) tiếp tục xây dựng và hoàn chỉnh vật lí thống kê. Vật lí thống kê đã nêu lên được những lập luận khoa học nhằm bác bỏ thuyết chết nhiệt. Vật lí thống kê quan niệm nguyên lí thứ hai là một định luật thống kê có xác suất rất cao. Nhưng nói như thế có nghĩa là tại một nơi nào đó trong vũ trụ, vào một thời điểm nào đó, có thể xảy ra những quá trình có xác suất thấp. Hiện tượng một bộ phận nhỏ nhoi của một hệ nhiệt động lực học chuyển sang một trạng thái khác biệt với trạng thái chung được gọi là sự thăng giáng. Giả thuyết nói trên sau này được Boltzmann phát triển một cách đầy đủ hơn và gọi là giả thuyết thăng giáng. Giả thuyết thăng giáng là lí thuyết đầu tiên mang tính khoa học thuần khiết và cụ thể, không pha trộn các quan điểm triết học và giáo lí, nó bác bỏ thuyết chết nhiệt.
Cho đến nay vẫn chưa giải quyết xong việc tìm ra những chứng minh khoa học đủ sức thuyết phục được mọi người công nhận để bác bỏ thuyết chết nhiệt của vũ trụ.