时空有7个维度：当黑洞寂灭，会留下信息的「舍利子」

新理论认为，黑洞不会完全蒸发，而是会留下一个包含丰富信息的残余物——但这要求时空有3个额外的维度。

黑洞周围的时空想象图。新的理论研究结果表明，宇宙中可能存在3个隐藏的维度，它们可以阻止黑洞通过霍金辐射完全蒸发。Mark Garlick

一项新的理论研究成果表明，宇宙可能存在至少3个额外维度，否则黑洞就能毁掉所有进入其中的信息，量子力学的基本原理也会面临挑战。

史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）认为，黑洞会通过一种特殊的辐射缓慢蒸发，且当其完全蒸发后，进入其中的所有信息都会丢失。但这一理论和量子力学的信息守恒原理是矛盾的。量子力学认为，信息不灭。

以斯洛伐克科学院实验物理研究所理查德·平恰克（Richard Pinčák）为首的一个科研团队，近日在《广义相对论和引力（General Relativity and Gravitation）》杂志上刊文认为，黑洞其实并不会完全蒸发，而是会留下一个极其微小的残余物，这个残余物保留了被其吞噬的所有信息。

但这有一个前提——我们的宇宙必须拥有3个额外维度。这3个维度是人类所不能感知的，它们的存在使得时空成为7维结构，而当这3个隐藏的额外维度发生折叠和扭曲，就会产生一种斥力，使得黑洞无法完全蒸发。

如果真是这样，那么黑洞的信息丢失悖论就得到了解决。所谓黑洞信息丢失悖论，指的是霍金认为，当黑洞完全蒸发时，进入黑洞的所有信息也会随之丢失——而这与量子力学认为信息在一个封闭的量子系统内，其总量永远不会减少，也不会凭空增加相矛盾。

想象将一本书掷入火中，尽管书会被烧毁，但理论上，我们依然可以通过分析烟雾、灰烬和热量，来提取书中的每一个词。量子力学认为，信息实际上只是被扰乱了，但并没有丢失。

而霍金认为，一旦黑洞完全蒸发，它所包含的所有信息都会丢失。

“7维挠率结（7-dimensional torsion knot）”示意图。它能产生一种斥力，阻止黑洞的蒸发。Institute of Experimental Physics of the Slovak Academy of Sciences

几十年来，物理学家一直在努力解决这一悖论。现在，新的研究结果认为，答案可能与时空的隐秘结构有关。

根据研究人员提供的理论框架，宇宙拥有7个维度——其中3个是被压缩的，是我们在日常生活中体验不到的。

这3个额外的维度，会以一种高度对称的结构排列。它们的排列方式，被称为G₂几何（G₂ geometry）。这是一种数学框架，通常会在一些高级的理论——如弦理论的一个版本——M理论中被探讨，而正是这些理论，在探讨隐藏维度的“折叠”方式。

研究人员解释说，维度的折叠有点像折纸。决定折纸最终形态的，是纸的折叠方式。

而在此次提出的新模型中，这种几何结构会产生一种被称为“挠率（torsion）”的效应。“挠率”可以理解为时空螺旋式扭曲的程度，而由这种“挠率”产生的“场”在黑洞物理学中扮演了关键角色。

研究显示，当黑洞生命接近尾声时，“挠率”会在极其微小的尺度上产生一种重要的斥力。随着黑洞继续蒸发，这种力最终会阻止它进一步缩小。

于是，黑洞不会完全消失，而是会稳定下来，留下一个极其微小的残余物。模型预言，其残余物的质量大约是9×10⁻⁴¹千克，是电子的大约百亿分之一。

关键的一点是，这个残余物内储存了所有曾经落入黑洞的信息。它的存在，使得黑洞的蒸发不再违反量子力学的信息守恒原理。这些信息会被编码在一种微小的振荡中，而这些振荡就是所有黑洞内部数据的载体。

该模型还在粒子物理学中揭示了一个意想不到的联系——这3个隐藏的维度，以及“挠率”的存在，产生了“希格斯机制（Higgs mechanism）”的粒子相互作用模式，赋予了电子、夸克等基本粒子以质量。

这意味着黑洞行为，在此处与“电弱尺度（electroweak scale）”——自然界基本作用力中弱力和电磁力统一发生破缺的能量值联系了起来。

但该模型仍然面临重大挑战。对黑洞蒸发的标准解释，依赖“半经典近似（semiclassical approximation）”。这种方法在“普朗克质量（Planck mass）”——约10⁻⁵克——的极端微小尺度上可能会失效。而这一质量尺度，正是量子引力效应逐渐变强，且开始变得不能忽视的临界点。

研究人员称，随着黑洞逐渐缩小至普朗克尺度，所有理论都会遇到一个根本性的难题——所有的常规物理学规律将失效，必须由更加基础的量子引力论来解释。

但目前还没有完备的量子引力论。

虽然新研究不能解决这一问题，但是它为黑洞蒸发最终阶段的新物理学涌现提供了一个具体机制。在那一刻，黑洞的残余质量并不会完全消失，某种新的物理学效应会出现，使得整个结构保持稳定。

这样的理论检验起来自然极端困难。验证它所需的能量尺度远远超出当前最强粒子加速器的能力。但它还是给出了明确的预测，因此原则上还是可以被检验的。

该理论预言，假想中与额外维度有关的“卡鲁扎-克莱因（Kaluza-Klein）”粒子，其质量大约为10¹⁶吉电子伏，比目前已知最重的基本粒子——顶夸克，还要重大约14个数量级。如果未来人们在加速器实验中发现这些粒子没有那么重，那么该模型将被直接推翻。

另一种可能性与对黑洞，尤其是对所谓“原初黑洞” 蒸发的最终阶段进行观测有关。未来的伽马射线望远镜，或引力波天文台，可能会为这些稳定的残余物提供间接观测证据。

研究人员称，最重要的一点是，这些预言都是实打实的——模型有可能是错的，而“可证伪”正是其科学性的体现。

研究人员还打算将他们的理论与“M理论”等基础理论更直接地联系起来，以求更好地理解信息会如何储存在黑洞的残余物中。如果黑洞真的会留下这些微小但包含大量信息的残余物，那么人类对引力、量子力学，乃至宇宙基本结构的理解都有可能发生革命性进步。

“挠率稳定黑洞残余物”示意图。在普朗克密度下，几何挠率会产生斥力（彩色箭头），阻止霍金蒸发在其最后的阶段继续，并留下一个极小的残余物。Institute of Experimental Physics of the Slovak Academy of Sciences

参考

Geometric origin of a stable black hole remnant from torsion in G₂-manifold geometry

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