艺术家描绘的黑洞周围时空图。最新理论研究表明，宇宙中三个隐藏的维度可能阻止黑洞真正消失。

斯蒂芬·霍金的黑洞蒸发理论与量子力学定律相悖。一篇新论文提出了一种解决这一悖论的方法，前提是宇宙具有七个维度。

一项新的理论研究表明，黑洞可能永远不会完全蒸发，这与臭名昭著的斯蒂芬·霍金理论相矛盾，后者似乎违反了量子力学的基本定律。该研究表明，黑洞可能会留下微小的、稳定的残余物，这些残余物存储着它们曾经吞噬的所有信息。

但其中还有个转折——字面意义上的转折。要使这个理论成立，宇宙必须存在三个人类无法感知的额外隐藏维度，从而使时空成为七维空间。随着这些隐藏维度的折叠和扭曲，它们会产生一种斥力，阻止黑洞完全蒸发。

这项研究虽然很难直接检验，但它将黑洞与额外维度的几何联系起来，为物理学中最深奥的谜题之一提供了一种新的方法。

一个挑战物理学基础的悖论

人们通常认为黑洞是宇宙陷阱，任何物质都无法逃脱。然而，自20世纪70年代以来，物理学家们就已发现这些宇宙巨兽并非完全漆黑。著名理论物理学家斯蒂芬·霍金提出，黑洞会辐射能量，并随着时间的推移缓慢蒸发，这导致了一个令人困惑的矛盾，即信息丢失悖论。

“想象一下，你把一本书扔进火里，”该研究的合著者、斯洛伐克科学院实验物理研究所高级研究员理查德·平恰克通过电子邮件告诉Live Science，“书被毁了，但原则上你可以从烟雾、灰烬和高温中重建每一个字——信息只是被打乱了，并没有丢失。”

但是，当黑洞完全蒸发时，所有落入其中的物质的信息似乎都会消失，这违反了量子力学的核心原理。

几十年来，物理学家们一直努力解决这个悖论。现在，3月19日发表在《广义相对论与引力》杂志上的这项新研究表明，答案可能就隐藏在时空本身的结构之中。

额外的维度和时空的隐藏结构

图示为一个 7 维扭结，据推测，它可以产生排斥力，从而阻止黑洞蒸发。（图片来源：斯洛伐克科学院实验物理研究所）

这项新研究探索了一个维度远超我们熟知的四维宇宙。在这个框架下，宇宙包含七个维度，其中三个维度非常紧凑，在日常尺度上是不可见的。

“我们体验到的是三维空间和一维时间——总共四个维度，”平恰克说。“我们的模型提出，宇宙实际上有七个维度：我们已知的四个维度，加上三个微小的额外维度，它们紧密地卷曲在一起，以至于我们无法直接感知它们。”

这些额外的维度排列成一种高度对称的结构，称为G₂几何。这种数学框架（通常在弦理论的一个分支——M理论中得到探讨）决定了隐藏维度的“折叠”方式。

“你可以把它想象成折纸，”平恰克说。“你折叠纸张的方式决定了最终形状的功能。”

在新模型中，这种几何结构产生了一种称为扭转的物理效应，可以将其理解为时空的扭曲。事实证明，这种扭转场在黑洞物理学中起着至关重要的作用。

扭率与稳定黑洞残余的诞生

研究表明，扭转会产生一种排斥力，这种力在极小的尺度上变得至关重要，尤其是在黑洞生命末期。随着黑洞通过霍金辐射收缩，这种力最终会阻止其进一步坍缩。

“这种排斥力起到刹车的作用，阻止了黑洞完全消失前的蒸发，”平恰克说。

黑洞不会消失，而是会稳定下来，变成一个微小的残余物。根据该模型，这个残余物的质量约为 9 × 10⁻⁴¹ 千克——比电子小约 100 亿倍。

至关重要的是，这块残余物能够存储落入黑洞的信息，从而避免违反量子力学定律。这些信息被编码在被称为准正规模的微妙振荡中，这些准正规模充当了丢失数据的载体。

图示为扭转稳定黑洞残骸。几何扭转在普朗克密度下产生排斥力（彩色箭头），阻止霍金蒸发的最后阶段，从而形成微观残骸。右上角插图显示了有效势 Veff(M)，其最小值位于残骸质量处。右下角插图展示了其对应的 G2 流形几何结构。（图片来源：斯洛伐克科学院实验物理研究所）

该模型还揭示了与粒子物理学的一个意想不到的联系：三个隐藏维度的存在，加上扭转的存在，产生了粒子相互作用的模式，这种模式导致了希格斯机制，这种现象赋予了电子和夸克等基本粒子质量。

“同样的扭场……产生了势能景观，其形式与赋予 W 和 Z 玻色子（弱核力的载体）质量的势能景观完全相同，”Pinčák 说。

这种联系将黑洞的行为与电弱尺度联系起来，电弱尺度是粒子物理学中一个众所周知的能量尺度。

新理论的局限性

尽管该模型颇具吸引力，但仍面临着诸多挑战。黑洞蒸发的标准描述依赖于半经典近似，而这种近似预计会在接近普朗克质量（约10⁻⁵克）的极小尺度上失效。在这个质量尺度上，量子引力效应变得显著且不可忽略。

“随着黑洞缩小到普朗克尺度，所有现有的模型——包括我们的模型——最终都必须面对向深量子引力机制的过渡，”Pinčák 指出。

在这种状态下，需要一套完整的量子引力理论，但这样的理论目前仍不完善。这项新研究并非旨在彻底解决这个问题，而是为在蒸发的最后阶段如何涌现新的物理学提供了一种具体的机制。

“我们方法的独特之处在于，我们并不认为半经典蒸发过程会一直持续到残余物质，”平恰克说。“在残余物质达到临界点时，一种新的物理效应……会接管并稳定这种结构。”

直接检验这一理论将极其困难；相关的能量尺度远远超出了现有粒子加速器的探测范围。然而，该模型做出了明确的预测，原则上是可以检验的。

例如，该模型预测，与额外维度相关的假想卡鲁扎-克莱因粒子的质量约为10¹⁶吉电子伏特——比已知质量最大的基本粒子顶夸克重约14个数量级。如果利用现有或未来的加速器探测到这些粒子的更轻版本，则该模型将被推翻。

另一种可能性是观测黑洞蒸发的最后阶段，特别是对于原始黑洞而言。未来的伽马射线望远镜或引力波探测器或许能够提供稳定残骸存在的间接证据。

“关键在于预测是具体的——模型可能会出错，而这正是它具有科学性的地方，”平恰克说。

展望未来，研究人员计划将他们的框架与M理论等基础理论更直接地联系起来，并更好地理解信息是如何存储在黑洞残骸中的。如果得到证实，黑洞会留下微小的、富含信息的残骸这一观点，可能会重塑我们对引力、量子力学和宇宙基本结构的理解。