時空有7個維度：當黑洞寂滅，會留下信息的「舍利子」

新理論認為，黑洞不會完全蒸發，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。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入其中的信息，量子力學的基本原理也會面臨挑戰。

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

以斯洛伐克科學院實驗物理研究所理查德·平恰克（Richard Pin?ák）為首的一個科研團隊，近日在《廣義相對論和引力（General Relativity and Gravitation）》雜志上刊文認為，黑洞其實并不會完全蒸發，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維結構，而當這3個隱藏的額外維度發生折疊和扭曲，就會產生一種斥力，使得黑洞無法完全蒸發。

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，指的是霍金認為，當黑洞完全蒸發時，進入黑洞的所有信息也會隨之丟失——而這與量子力學認為信息在一個封閉的量子系統內，其總量永遠不會減少，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。量子力學認為，信息實際上只是被擾亂了，但并沒有丟失。

而霍金認為，一旦黑洞完全蒸發，它所包含的所有信息都會丟失。

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

幾十年來，物理學家一直在努力解決這一悖論。現在，新的研究結果認為，答案可能與時空的隱秘結構有關。

根據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構排列。它們的排列方式，被稱為G?幾何（G? geometry）。這是一種數學框架，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。決定折紙最終形態的，是紙的折疊方式。

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

研究顯示，當黑洞生命接近尾聲時，“撓率”會在極其微小的尺度上產生一種重要的斥力。隨著黑洞繼續蒸發，這種力最終會阻止它進一步縮小。

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

關鍵的一點是，這個殘余物內儲存了所有曾經落入黑洞的信息。它的存在，使得黑洞的蒸發不再違反量子力學的信息守恒原理。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部數據的載體。

該模型還在粒子物理學中揭示了一個意想不到的聯系——這3個隱藏的維度，以及“撓率”的存在，產生了“希格斯機制（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一發生破缺的能量值聯系了起來。

但該模型仍然面臨重大挑戰。對黑洞蒸發的標準解釋，依賴“半經典近似（semiclassical approximation）”。這種方法在“普朗克質量（Planck mass）”——約10??克——的極端微小尺度上可能會失效。而這一質量尺度，正是量子引力效應逐漸變強，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——所有的常規物理學規律將失效，必須由更加基礎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，但是它為黑洞蒸發最終階段的新物理學涌現提供了一個具體機制。在那一刻，黑洞的殘余質量并不會完全消失，某種新的物理學效應會出現，使得整個結構保持穩定。

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遠超出當前最強粒子加速器的能力。但它還是給出了明確的預測，因此原則上還是可以被檢驗的。

該理論預言，假想中與額外維度有關的“卡魯扎-克萊因（Kaluza-Klein）”粒子，其質量大約為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個數量級。如果未來人們在加速器實驗中發現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” 蒸發的最終階段進行觀測有關。未來的伽馬射線望遠鏡，或引力波天文臺，可能會為這些穩定的殘余物提供間接觀測證據。

研究人員稱，最重要的一點是，這些預言都是實打實的——模型有可能是錯的，而“可證偽”正是其科學性的體現。

研究人員還打算將他們的理論與“M理論”等基礎理論更直接地聯系起來，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，乃至宇宙基本結構的理解都有可能發生革命性進步。

“撓率穩定黑洞殘余物”示意圖。在普朗克密度下，幾何撓率會產生斥力（彩色箭頭），阻止霍金蒸發在其最后的階段繼續，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