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（时长20分钟）

七月一个温暖的周日上午9点，我正朝着剑桥市中心的一家咖啡馆走去。大圣玛丽教堂的钟声响起，是熟悉的《剑桥钟声组曲》。如今常与伦敦大本钟钟声关联的这段旋律，其实1793年就诞生于此。这套因每15分钟奏响一次而得名的钟声，是人们感知时间流逝最鲜明的信号。

每口钟都能发出一个音符：那是带有特定频率的声波，穿越空气抵达我们耳畔。钟锤敲击钟体，钟身开始振动，带动空气分子来回运动。这些相互碰撞的分子传入耳中，我们便听到了乐音。随后钟体逐渐平息，耗尽能量，重归寂静。

在剑桥大学的研究，常常让我联想到钟声。我研究的并非声学物理，而是宇宙中一种极为相似的过程——另一种会“鸣响”的天体：黑洞。

我坐下点了杯咖啡，打开笔记本电脑，屏幕上显示着一道逐渐归于平直的波动信号。两个黑洞刚刚完成合并——一场狂暴的融合过程——留下的残黑洞发出了极为短暂的振动。

就像被敲击的钟一样，这个残黑洞正在经历“铃宕”（ringdown）过程，且我研究的每一次黑洞合并都会出现这一阶段。铃宕现象为物理学家检验引力理论提供了契机：爱因斯坦的理论真的无懈可击吗？正如走调的钟声可能暗示钟体存在设计缺陷，黑洞鸣响频率的异常，或许会成为我们现有引力认知体系的第一道裂缝。

这是研究铃宕现象的科学动因，但同样令我着迷的是鸣响之后的过程。黑洞鸣响一阵后，便归于沉寂。在这短短几毫秒间，合并过程的磅礴能量与剧烈动荡彻底消散。从外部观测，几乎所有相关历史信息都变得无法获取，只留下一个毫无特征的天体。黑洞最终成为一个由纯粹时空构成的简单、静谧的存在，丝毫看不出刚刚经历过的暴力剧变。从某种意义上说，黑洞“遗忘”了一切。

如此混乱的起源竟能催生如此简洁的结果，这似乎有违直觉。为什么黑洞会遗忘自己的狂暴过往？这些散布于宇宙中的奇特天体，与我们所知的任何事物都截然不同，但它们的“遗忘”并非独有的特性。正如它们的“鸣响”，背后的物理规律同样支配着我们的世界。正是这些规律将黑洞与人类的时间旅程联系起来，让我们的过往被冲刷、被遗忘。这一物理规律便是熵，它揭示的核心真相是：当我们跳出局部视角会发现，不仅黑洞会遗忘，我们周遭的世界也一样。

如今关于黑洞的热议多聚焦于其令人费解的量子行为，但我想讲述的是一种更古老的经典黑洞理论，它本身已足够奇特。这要追溯到第一次世界大战时期，当时在俄国前线服役的德国天文学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）找到了爱因斯坦引力场方程的一个解，描述了宇宙中最简单的黑洞类型。这种黑洞的核心特征是一个球形的单向界面，名为“事件视界”（event horizon）。物质可以穿过视界进入黑洞，但无论以多快的速度、多大的力量尝试，都绝无可能从中逃离。这意味着我们永远无法看到视界内部发生的一切。

不过，有时靠近视界的物体会扰动黑洞，这种扰动足以被我们探测到。1957年，图利奥·雷吉（Tullio Regge）与约翰·惠勒（John Wheeler）提出一个设想：如果史瓦西描述的完美黑洞受到扰动——比如有物质坠入，像钟被敲击一样——会发生什么？那时惠勒尚未普及“黑洞”一词，人类真正探测到黑洞“鸣响”更是近60年后的事。

雷吉和惠勒想知道，在充满物质的宇宙中，这样的天体能否稳定存在。

我们现在当然知道答案是肯定的，雷吉和惠勒当时也得出了相同结论：黑洞能抵御微小扰动保持稳定。但就像钟被敲击后会振动一样，这些扰动会让黑洞在一段短时间内以可预测的频率振荡，这就是铃宕现象。就此而言，黑洞遵循的物理规律，与我们身边教堂钟声这类寻常事物的规律并无二致。

不同的是，钟向空气中传递声波，而黑洞向时空本身传递名为“引力波”的涟漪。部分引力波会坠入黑洞，被禁锢在事件视界内；其余则以光速向宇宙深处传播，最终抵达地球并被我们探测到。

哪怕曾有一整颗地球般的行星坠入，黑洞也不会留下任何痕迹

人类首次捕捉到的引力波于2015年9月抵达地球，由两台LIGO（激光干涉引力波天文台）设备探测到——一台位于华盛顿州汉福德，另一台位于路易斯安那州利文斯顿。这束引力波源自13亿光年外的一次黑洞碰撞合并事件。两个黑洞在彼此引力作用下相互绕转、逐渐靠近，最终融合为一体。残黑洞短暂鸣响几毫秒后，便归于沉寂。

碰撞的结果是一个完美光滑但略微扁平的椭球体。它继承了原黑洞的部分角动量，因此赤道部位向外凸起。从这个角度看，它比雷吉和惠勒最初研究的史瓦西黑洞略复杂一些，被称为“克尔黑洞”（Kerr black hole），得名于找到其场方程解的罗伊·克尔（Roy Kerr）。

尽管如此，这类黑洞依然极为简单。从外部观测，我们只能获知它的两个固有属性：质量大小与旋转速度。（理论上还有第三个属性——电荷，但自然界会快速中和出现的电荷，因此我们完全可以忽略它。）

这种“无论过往如何，所有黑洞都仅能用质量、自旋、电荷这三个量完全描述”的特性，被称为“无毛定理”（no-hair theorem），这个说法出自惠勒。为什么叫“无毛”？因为从外部看，黑洞没有任何能区分彼此的独特特征或“毛发”。

这与我们对日常事物的认知截然不同。当剑桥的钟声响起时，我看着面前的咖啡，可以说出一大堆信息：杯子的样式、咖啡的温度、浓度、用了哪种牛奶等等。杯子承载着大量关于自身历史和当前状态的信息，哪怕杯柄磕出缺口、咖啡被兑水稀释，这些信息也不会消失，杯子会记录下发生在它身上的一切。

通过铃宕现象，我们可以推算出合并后黑洞的大小，因为这一参数与黑洞的质量和自旋相关

黑洞的历史同样复杂，甚至可能远超寻常事物，但它几乎不会透露任何过往信息。无论是由哪种恒星坍缩形成、是否曾拥有行星或生命、经历过一次还是上百次合并，这些都无从知晓。哪怕曾有一整颗地球般的行星坠入，黑洞也不会留下任何痕迹。

为什么会这样？用鸣响的钟类比铃宕现象固然生动，也贴近背后的物理本质，但只能解释到这一步。归根结底，无毛定理及其伴随的信息丢失，只能用黑洞自身的独特属性来解释。

我们回到黑洞合并后的瞬间。尽管碰撞过程中会有部分质量以引力波形式损失，但合并后的黑洞质量总是更大。更准确地说，事件视界的表面积只会保持不变或增大。这一点的重要性远超表面看起来的那样。

早在人类探测到真实的黑洞合并事件之前，这一特性就已被证实，如今它已成为可通过引力波验证的预言。通过铃宕现象，我们可以推算出合并后黑洞的大小，因为这一参数与黑洞的质量和自旋相关。观测结果也印证了“新生黑洞质量更大”的预言。

早在20世纪70年代，黑洞的这一特性就引起了物理学家的注意，它为黑洞的演化引入了无可否认的不可逆性：黑洞的视界面积只会增大，绝不会缩小。黑洞似乎在暗示着什么——我们的世界与黑洞之间存在另一种联系，这种联系的核心就是“熵”。

要理解这种联系，我们先暂时放下黑洞，回到地球。我们需要先弄清楚熵是什么，以及它与不可逆性的关系。起初，这种联系可能显得十分遥远，但我会通过一个简单的思想实验，带大家从微观世界出发，重新理解黑洞的大小、无毛定理，最终明白黑洞为何会“遗忘”。

想象一间空房间。当然，它并非完全空无一物，里面充斥着数十亿个空气分子，它们四处碰撞、移动，要准确统计每个分子的状态，需要耗费难以想象的耐心和时间。

幸好，我们无需关注单个空气分子的位置和速度，只需考量它们的整体行为，也就是温度、压强这类宏观量。比如，我们知道温度从微观层面看，其实就是空气分子撞击皮肤产生的运动。在微观层面，不存在我们通常理解的“温度”，只有一群不断运动、将能量传递给我们体内分子的粒子。只有当我们跳出微观视角，才会将这些分子的集体行为视为一个单一的宏观量。

现在，我们在房间门口喷一点香水。起初，房间里的人能清楚地闻到香水味来自门口，气味集中在那一小块区域。但随着时间推移，香水分子会与空气分子逐渐混合，最终香味均匀弥漫整个房间。未来某个时刻，门口的香水浓度会和房间其他地方完全一致。

我们看不到粒子，只能感知宏观现象，比如房间的温度、钟的鸣响

香水会这样扩散似乎是理所当然的，但深究下去会发现其中的奇特之处：它揭示了时间的流逝方向。香水总是会扩散到整个房间，绝不会重新聚集到某个角落，也不会一直停留在门口。时间有着明确的流向，能清晰区分过去与未来。

原因在于，香水分子和空气分子一样，可以到达房间的任何位置。在任意时刻，它们的排列方式都有无数种，但绝大多数排列方式都对应着香水均匀分布在房间里的状态，只有极少数情况是香水仍集中在门口附近。因此，虽然物理规律并不禁止香水重新回到瓶子里，但这种情况发生的概率极低——低到哪怕你愿意等待远超宇宙年龄的时间，也未必能亲眼目睹。我劝你还是不要尝试。

我们看不到粒子，只能感知宏观现象，比如房间的温度、钟的鸣响。我们能观测到的，是香水味从一个点不可逆地扩散到整个房间，这就是熵增加的一个例子。

我们常把熵与“无序”联系起来，我有时更愿意将它理解为“我们未知的信息”。当香水刚喷在门口时，我们可以指着那个角落说“香水是从这里喷出来的”；但一段时间后，我们就无法再确定这一点了。关于香水起源的信息，消失在了数万亿个不断碰撞的空气分子的运动中。我们只能看到房间的宏观状态，从这个角度看，房间“遗忘”了香水的起源。

这就是熵的增加，许多物理学家认为这正是时间单向流动的根源。尽管微观物理定律在时间上是可逆的，但概率决定了孤立系统的熵总是从低到高变化。这一规律适用于所有场景：无论是喷了香水的房间，还是整个宇宙。

现在我们回到黑洞。惠勒的学生雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）知道熵总是会增加，但他发现了一个悖论：如果将一团充满熵的热气体——分子处于无序运动状态，就像扩散的香水——扔进黑洞，它的熵似乎就凭空消失了。混乱的状态变成了简单的状态，这似乎违背了“宇宙熵只会增加”的基本定律。不过，贝肯斯坦意识到黑洞的视界面积总是在增加，这与熵的特性一致。他由此得出结论：熵与黑洞大小之间必然存在某种联系。

如此看来，黑洞或许并没有那么简单。如果黑洞与熵相关，那它一定和我们刚才描述的房间有着相似之处。如果贝肯斯坦的理论正确，那意味着在我们无法观测的事件视界之外，存在一个充满抽象状态的世界，就像房间里空气分子的位置一样。这些状态的具体性质——如何排列、位于何处、究竟是什么——目前仍存在争议，它们的微观本质需要量子理论来解释。但无论最终真相如何，这些状态都让我们一无所知。

黑洞无数可能的过往都已消失：恒星坍缩、物质坠入、剧烈合并……这些细节都无法体现在黑洞最终的外部特征中。贝肯斯坦这样理解无毛定理：黑洞之所以变得简单，是因为熵带走了我们曾经能知晓的信息。对于房间，我们失去了香水起源的信息；对于黑洞，我们失去了除质量和自旋之外的一切。从我们的视角看，黑洞“遗忘”了一切。

这或许会让你感到困扰：信息是真的消失了，还是仅仅因为现实限制而无法获取？或许这两者的区别并无意义——毕竟，无法突破的限制和基本物理定律又有什么不同？但答案其实十分微妙，也正是在这一点上，黑洞和房间分道扬镳。

假设我们拥有上帝视角，能完全掌握房间里所有粒子的位置和速度。法国学者皮埃尔-西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）在1814年的《概率论的哲学随笔》中提出过类似的设想：存在一种“智慧生物”，它能“洞悉自然的一切力量，以及构成自然的所有事物的相对位置”，换句话说，它知晓物理世界的一切信息。

回到那个房间，我们统计每一个空气分子和香水分子的状态，精准掌握它们的运动轨迹。借助这些信息，我们可以让时间倒流，利用物理定律追溯每一滴香水的运动轨迹，回到它最初的起点。就像按下视频的回放键，我们会看到空气分子四处移动，物理定律的运行和正向时间中毫无二致，甚至会让人误以为时间仍在向前流逝。但香水分子会揭穿这个假象：它们会从遍布整个房间的状态，逐渐汇聚到一个点——门口的香水瓶。

在微观层面，宇宙的时间流向是可逆的。当然，我们无法在现实中完成这样的逆转，大自然不会让这件事变得容易，但没有任何物理定律禁止它。我们几乎可以留住“记忆”：事物会随时间变得模糊，但永远不会彻底消失。

我们永远无法知晓黑洞的起源，它的过往变得完全不可触及。黑洞遗忘了一切

但黑洞的情况截然不同。事件视界将黑洞与宇宙中的其他一切彻底分隔开——无论是字面意义还是象征意义。事件视界意味着进入黑洞是一趟单程旅行。哪怕你拥有全知的视角进入黑洞，或许能让时间倒流，看到它的过往（也可能做不到，没人知道答案），但无论如何，你都无法将信息传递给外界，这在大多数情况下和一无所知没什么区别。你和你的信息会被黑洞深处的引力拖拽，最终融入它漫长的历史中。

另一方面，在事件视界之外，我们永远无法获取黑洞内部的状态信息，也没有机会像观察房间那样，通过放大视角追溯它的过往。我们只能看到宏观的整体，所有细节都被隐藏在事件视界之后。无数微观状态最终只汇聚成几个数值，就像房间的温度或香水的气味——只不过对于黑洞，这些数值是它的质量和自旋。

这正是无毛定理的两层含义：第一层和房间的例子类似，当我们跳出微观视角，所有细节都会被浓缩为几个数值，历史被掩埋在无数种可能之中；但黑洞还多了一层特殊性——宏观视角是我们唯一能拥有的视角，所有细节都消失在事件视界之后。我们永远无法知晓黑洞的起源，它的过往变得完全不可触及。黑洞遗忘了一切。

不过，用“遗忘”来形容或许过于简单。在房间里，过往只是被冲刷淡化，并非永久消失，只是热力学规律让找回信息的代价极高。而且我们并非生活在粒子的世界里，永远不会成为拉普拉斯设想的那种拥有上帝视角的智慧生物（况且我们也未必想成为那样的存在）。我们听到钟声、闻到香水味、感受到房间的温暖，却不会感知到无数空气分子的碰撞。在宇宙逐渐走向一片广阔、无特征的混沌的过程中，我们拥有的只是这些转瞬即逝的体验。这是大自然做出的妥协：美好事物终将消逝。

黑洞也不例外。它们用“鸣响”告别自己的历史，从混沌走向沉寂。它们几乎遗忘了一切，就像世间万物最终都会遗忘一样，只不过它们永远无法再透露任何过往信息。或许在事件视界之内，它们仍保留着某些关于自身历史的印记，只是这些印记的形式让我们几乎不可能找回。你可以把它称为“记忆”，但要触及它，唯一的方式可能就是坠入黑洞，成为它历史的一部分。我同样劝你不要尝试。

剑桥咖啡馆的时钟指向上午10点，钟声再次响起，随后渐渐平息。声音很快消散，只剩下楼下街道隐约的喧嚣。我坐在桌前，咖啡已经变凉，这才意识到距离我坐下已经过去了一个小时。这就是我们身处的世界：时间不断向前，熵持续增加。有存在，就必然有失去。此刻在宇宙的某个角落，也有一个黑洞正从鸣响归于沉寂。空间、时间，还有我周遭的空气都在遗忘，我也一样。但我依然庆幸，自己曾听到过那一声鸣响。