時空有7個維度：當(dāng)黑洞寂滅，會留下信息的「舍利子」

新理論認(rèn)為，黑洞不會完全蒸發(fā)，而是會留下一個包含豐富信息的殘余物——但這要求時空有3個額外的維度。

黑洞周圍的時空想象圖。新的理論研究結(jié)果表明，宇宙中可能存在3個隱藏的維度，它們可以阻止黑洞通過霍金輻射完全蒸發(fā)。Mark Garlick

一項新的理論研究成果表明，宇宙可能存在至少3個額外維度，否則黑洞就能毀掉所有進(jìn)入其中的信息，量子力學(xué)的基本原理也會面臨挑戰(zhàn)。

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）認(rèn)為，黑洞會通過一種特殊的輻射緩慢蒸發(fā)，且當(dāng)其完全蒸發(fā)后，進(jìn)入其中的所有信息都會丟失。但這一理論和量子力學(xué)的信息守恒原理是矛盾的。量子力學(xué)認(rèn)為，信息不滅。

以斯洛伐克科學(xué)院實驗物理研究所理查德·平恰克（Richard Pin?ák）為首的一個科研團(tuán)隊，近日在《廣義相對論和引力（General Relativity and Gravitation）》雜志上刊文認(rèn)為，黑洞其實并不會完全蒸發(fā)，而是會留下一個極其微小的殘余物，這個殘余物保留了被其吞噬的所有信息。

但這有一個前提——我們的宇宙必須擁有3個額外維度。這3個維度是人類所不能感知的，它們的存在使得時空成為7維結(jié)構(gòu)，而當(dāng)這3個隱藏的額外維度發(fā)生折疊和扭曲，就會產(chǎn)生一種斥力，使得黑洞無法完全蒸發(fā)。

如果真是這樣，那么黑洞的信息丟失悖論就得到了解決。所謂黑洞信息丟失悖論，指的是霍金認(rèn)為，當(dāng)黑洞完全蒸發(fā)時，進(jìn)入黑洞的所有信息也會隨之丟失——而這與量子力學(xué)認(rèn)為信息在一個封閉的量子系統(tǒng)內(nèi)，其總量永遠(yuǎn)不會減少，也不會憑空增加相矛盾。

想象將一本書擲入火中，盡管書會被燒毀，但理論上，我們依然可以通過分析煙霧、灰燼和熱量，來提取書中的每一個詞。量子力學(xué)認(rèn)為，信息實際上只是被擾亂了，但并沒有丟失。

而霍金認(rèn)為，一旦黑洞完全蒸發(fā)，它所包含的所有信息都會丟失。

“7維撓率結(jié)（7-dimensional torsion knot）”示意圖。它能產(chǎn)生一種斥力，阻止黑洞的蒸發(fā)。Institute of Experimental Physics of the Slovak Academy of Sciences

幾十年來，物理學(xué)家一直在努力解決這一悖論。現(xiàn)在，新的研究結(jié)果認(rèn)為，答案可能與時空的隱秘結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù)研究人員提供的理論框架，宇宙擁有7個維度——其中3個是被壓縮的，是我們在日常生活中體驗不到的。

這3個額外的維度，會以一種高度對稱的結(jié)構(gòu)排列。它們的排列方式，被稱為G?幾何（G? geometry）。這是一種數(shù)學(xué)框架，通常會在一些高級的理論——如弦理論的一個版本——M理論中被探討，而正是這些理論，在探討隱藏維度的“折疊”方式。

研究人員解釋說，維度的折疊有點像折紙。決定折紙最終形態(tài)的，是紙的折疊方式。

而在此次提出的新模型中，這種幾何結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一種被稱為“撓率（torsion）”的效應(yīng)。“撓率”可以理解為時空螺旋式扭曲的程度，而由這種“撓率”產(chǎn)生的“場”在黑洞物理學(xué)中扮演了關(guān)鍵角色。

研究顯示，當(dāng)黑洞生命接近尾聲時，“撓率”會在極其微小的尺度上產(chǎn)生一種重要的斥力。隨著黑洞繼續(xù)蒸發(fā)，這種力最終會阻止它進(jìn)一步縮小。

于是，黑洞不會完全消失，而是會穩(wěn)定下來，留下一個極其微小的殘余物。模型預(yù)言，其殘余物的質(zhì)量大約是9×10??1千克，是電子的大約百億分之一。

關(guān)鍵的一點是，這個殘余物內(nèi)儲存了所有曾經(jīng)落入黑洞的信息。它的存在，使得黑洞的蒸發(fā)不再違反量子力學(xué)的信息守恒原理。這些信息會被編碼在一種微小的振蕩中，而這些振蕩就是所有黑洞內(nèi)部數(shù)據(jù)的載體。

該模型還在粒子物理學(xué)中揭示了一個意想不到的聯(lián)系——這3個隱藏的維度，以及“撓率”的存在，產(chǎn)生了“希格斯機(jī)制（Higgs mechanism）”的粒子相互作用模式，賦予了電子、夸克等基本粒子以質(zhì)量。

這意味著黑洞行為，在此處與“電弱尺度（electroweak scale）”——自然界基本作用力中弱力和電磁力統(tǒng)一發(fā)生破缺的能量值聯(lián)系了起來。

但該模型仍然面臨重大挑戰(zhàn)。對黑洞蒸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)解釋，依賴“半經(jīng)典近似（semiclassical approximation）”。這種方法在“普朗克質(zhì)量（Planck mass）”——約10??克——的極端微小尺度上可能會失效。而這一質(zhì)量尺度，正是量子引力效應(yīng)逐漸變強(qiáng)，且開始變得不能忽視的臨界點。

研究人員稱，隨著黑洞逐漸縮小至普朗克尺度，所有理論都會遇到一個根本性的難題——所有的常規(guī)物理學(xué)規(guī)律將失效，必須由更加基礎(chǔ)的量子引力論來解釋。

但目前還沒有完備的量子引力論。

雖然新研究不能解決這一問題，但是它為黑洞蒸發(fā)最終階段的新物理學(xué)涌現(xiàn)提供了一個具體機(jī)制。在那一刻，黑洞的殘余質(zhì)量并不會完全消失，某種新的物理學(xué)效應(yīng)會出現(xiàn)，使得整個結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

這樣的理論檢驗起來自然極端困難。驗證它所需的能量尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)前最強(qiáng)粒子加速器的能力。但它還是給出了明確的預(yù)測，因此原則上還是可以被檢驗的。

該理論預(yù)言，假想中與額外維度有關(guān)的“卡魯扎-克萊因（Kaluza-Klein）”粒子，其質(zhì)量大約為101?吉電子伏，比目前已知最重的基本粒子——頂夸克，還要重大約14個數(shù)量級。如果未來人們在加速器實驗中發(fā)現(xiàn)這些粒子沒有那么重，那么該模型將被直接推翻。

另一種可能性與對黑洞，尤其是對所謂“原初黑洞” 蒸發(fā)的最終階段進(jìn)行觀測有關(guān)。未來的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，或引力波天文臺，可能會為這些穩(wěn)定的殘余物提供間接觀測證據(jù)。

研究人員稱，最重要的一點是，這些預(yù)言都是實打?qū)嵉摹Ｐ陀锌赡苁清e的，而“可證偽”正是其科學(xué)性的體現(xiàn)。

研究人員還打算將他們的理論與“M理論”等基礎(chǔ)理論更直接地聯(lián)系起來，以求更好地理解信息會如何儲存在黑洞的殘余物中。如果黑洞真的會留下這些微小但包含大量信息的殘余物，那么人類對引力、量子力學(xué)，乃至宇宙基本結(jié)構(gòu)的理解都有可能發(fā)生革命性進(jìn)步。

“撓率穩(wěn)定黑洞殘余物”示意圖。在普朗克密度下，幾何撓率會產(chǎn)生斥力（彩色箭頭），阻止霍金蒸發(fā)在其最后的階段繼續(xù)，并留下一個極小的殘余物。Institute of Experimental Physics of the Slovak Academy of Sciences

參考

Geometric origin of a stable black hole remnant from torsion in G?-manifold geometry

https://link.springer.com/article/10.1007/s10714-026-03528-z