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主譯：畢逸飛

校對(duì)：清水明澄

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：蘇奕月

后臺(tái)：王啟儒

https://sorae.info/astronomy/20260607-black-hole-remnant.html

墜入黑洞的物體所攜帶的量子信息最終會(huì)去向何處？如果深挖這個(gè)問(wèn)題的話，便會(huì)觸及物理學(xué)界著名的未解難題——黑洞信息悖論（Black Hole Information Paradox）。這個(gè)問(wèn)題甚至可能動(dòng)搖因果律的根基，目前，科學(xué)家正在尋找解決這一問(wèn)題的方法。

斯洛伐克科學(xué)院研究人員、Richard Pin?ák 等人提出了一項(xiàng)全新假說(shuō)：若宇宙在極微觀尺度上存在帶撓率的七維 G?流形結(jié)構(gòu)，黑洞在蒸發(fā)過(guò)程中便不會(huì)徹底消亡，而是會(huì)留存一個(gè)永久存在的微型殘骸。依據(jù)該理論，黑洞吞噬的全部信息都不會(huì)消失，這些量子信息將永久儲(chǔ)存在扭曲的七維時(shí)空結(jié)構(gòu)當(dāng)中；該假說(shuō)還有望為基本粒子的質(zhì)量起源提供一套更自洽的解釋。

什么是黑洞信息悖論？

進(jìn)入正題之前，先解釋一下本研究的重要前提——“黑洞信息悖論”。已經(jīng)了解這一概念的讀者可以直接跳到下一部分。

宇宙中的一切物體（比如一顆蘋果）都承載著海量量子信息，包括形狀、色彩、位置、質(zhì)量、溫度等。即便我們能將蘋果拆解為細(xì)胞、分子、原子直至基本粒子，整合掉部分關(guān)聯(lián)信息，剩余無(wú)法歸并的獨(dú)立信息依舊無(wú)窮無(wú)盡。

這類量子信息不只依附于實(shí)體物質(zhì)，也存在于光這類日常認(rèn)知中不屬于 “實(shí)體” 的存在里。

物理學(xué)有一條核心基本準(zhǔn)則：信息只會(huì)改變形態(tài)，絕不會(huì)徹底消失。人類之所以能夠推演過(guò)去、預(yù)測(cè)未來(lái)，本質(zhì)是因?yàn)槿f(wàn)物演化遵循因果規(guī)律，而因果律的成立，完全依托于 “信息守恒” 這一特性。倘若信息可以憑空消失，那么 “過(guò)去與未來(lái)由因果關(guān)系聯(lián)結(jié)” 的物理學(xué)根基也將不復(fù)存在。

而宇宙中，黑洞似乎是唯一可能打破信息守恒的特殊存在。歷經(jīng)百余年觀測(cè)與研究，黑洞的存在已得到學(xué)界公認(rèn)。物理學(xué)界明確：黑洞僅具備三類可觀測(cè)物理量 —— 質(zhì)量、電荷與角動(dòng)量。

當(dāng)一個(gè)物體墜入黑洞后，它所攜帶的海量信息會(huì)去向何方？物體的質(zhì)量、電荷、角動(dòng)量會(huì)并入黑洞自身的物理參量，但除此之外的所有信息，都會(huì)因黑洞不具備對(duì)應(yīng)屬性而看似徹底消失。物理學(xué)中將黑洞 “抹去物體全部附加特征” 的特性命名為黑洞無(wú)毛定理（物體攜帶的各類附加信息被形象稱作 “毛發(fā)”）。

“信息守恒定律” 與 “黑洞看似吞噬一切信息” 形成的尖銳矛盾，便是黑洞信息悖論，它也是現(xiàn)代物理學(xué)最棘手的未解難題之一。

黑洞信息悖論問(wèn)世初期，學(xué)界曾提出一種治標(biāo)不治本的解釋：由于任何信息都無(wú)法從黑洞內(nèi)部逃逸，黑洞內(nèi)部與外部宇宙徹底切斷了因果聯(lián)系，因此信息消失的問(wèn)題不會(huì)影響外部宇宙。

但后續(xù)研究推翻了這一觀點(diǎn)：黑洞并非完全封閉，它會(huì)從事件視界（黑洞表面）向外釋放熱輻射，這一現(xiàn)象就是霍金輻射（Hawking Radiation）。這一發(fā)現(xiàn)讓謎題變得愈發(fā)復(fù)雜：霍金輻射屬于無(wú)序熱輻射，即便其中夾雜著黑洞三類參量之外的信息，這些信息也會(huì)呈現(xiàn)完全隨機(jī)的狀態(tài)，無(wú)法被還原解讀，這和 “信息徹底消失” 并無(wú)本質(zhì)差別，因果律依舊岌岌可危。

同時(shí)，霍金輻射的能量源自黑洞本身的質(zhì)量，這會(huì)讓黑洞持續(xù)損耗、不斷收縮。理論上，若霍金輻射永不停止，黑洞終將耗盡全部質(zhì)量，徹底蒸發(fā)消亡。最終，墜入黑洞的信息雖會(huì)以輻射形式重回宇宙，卻依舊會(huì)造成因果律失效。這也是該現(xiàn)象被稱作 “悖論” 的核心原因。

黑洞可能留下極微小的信息殘骸

針對(duì)黑洞信息悖論，學(xué)界陸續(xù)提出了多種解決方案。其中一個(gè)主流思路是：黑洞蒸發(fā)后會(huì)留存殘骸，并由殘骸永久儲(chǔ)存信息。該悖論的核心矛盾，源于霍金輻射會(huì)讓黑洞徹底消亡；反之，若黑洞無(wú)法完全蒸發(fā)，信息守恒的難題便可迎刃而解。屆時(shí)黑洞會(huì)化為一個(gè)體積極小、信息儲(chǔ)量極大的致密實(shí)體。但長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家始終無(wú)法找到讓霍金輻射停止的物理機(jī)制。

Richard Pin?ák等人的研究團(tuán)隊(duì)提出了一套全新的解決方案。該研究并未以經(jīng)典廣義相對(duì)論為基礎(chǔ)，而是依托愛(ài)因斯坦 - 嘉當(dāng)理論展開(kāi)研究。廣義相對(duì)論僅描述了時(shí)空彎曲，而愛(ài)因斯坦 - 嘉當(dāng)理論在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步納入了時(shí)空撓率（時(shí)空扭轉(zhuǎn)） 效應(yīng)。

圖1：本研究思想的示意圖。當(dāng)黑洞收縮至微觀尺度，開(kāi)始受到時(shí)空內(nèi)嵌的帶撓率七維 G?流形結(jié)構(gòu)影響時(shí)，霍金輻射會(huì)逐步終止，黑洞最終形成不再繼續(xù)收縮的永久殘骸。

Pin?ák等人首先做出核心假設(shè)：宇宙時(shí)空在10?32 米的極微觀尺度下，呈現(xiàn)出帶撓率的七維 G?流形結(jié)構(gòu)。相較于廣義相對(duì)論描述的無(wú)撓率四維時(shí)空，該結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度大幅提升。這種七維時(shí)空結(jié)構(gòu)僅在 10?32 米尺度下顯現(xiàn)，以人類目前的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，短期?nèi)完全無(wú)法直接探測(cè)。

在這一假設(shè)前提下，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)關(guān)鍵物理現(xiàn)象：當(dāng)黑洞收縮至與該微觀時(shí)空尺度相當(dāng)時(shí)，霍金輻射會(huì)逐步衰減直至完全停止。黑洞就此化為永久存在的微型實(shí)體。根據(jù)計(jì)算，霍金輻射終止時(shí)，黑洞殘骸的質(zhì)量約為9×10??1 千克，僅為電子質(zhì)量的百億分之一。

盡管殘骸質(zhì)量微乎其微，但依托黑洞內(nèi)部的撓率時(shí)空結(jié)構(gòu)，它可以存儲(chǔ)海量量子信息。以一顆太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞為例，其最終形成的殘骸最大可存儲(chǔ)1.5×10??量子比特的信息，這一容量足以完整留存所有墜入黑洞的物質(zhì)信息。

這一結(jié)論可能影響其他物理現(xiàn)象

圖2：若該假說(shuō)成立，不僅可以破解黑洞信息悖論，還有望解答基本粒子質(zhì)量起源這一基礎(chǔ)物理難題。

值得一提的是，這套理論還能解答物理學(xué)領(lǐng)域的另一大難題。

自然界存在四種基本相互作用，其中電磁相互作用與弱相互作用，會(huì)在246GeV（約 1000 萬(wàn)億攝氏度）的能量尺度下統(tǒng)一為電弱相互作用，這一結(jié)論已得到理論證實(shí)。

而該能量尺度，恰好與賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯機(jī)制深度關(guān)聯(lián)，大眾熟知的希格斯粒子便誕生于這一機(jī)制。

目前，物理學(xué)界雖能推算出電弱統(tǒng)一能標(biāo)、希格斯粒子質(zhì)量等數(shù)值的大致范圍，卻始終無(wú)法解釋一個(gè)核心問(wèn)題：為何這些物理常數(shù)恰好是當(dāng)前數(shù)值，而非其他數(shù)值？

Pin?ák提出，若時(shí)空確實(shí)存在帶撓率的七維 G?流形結(jié)構(gòu)，上述所有物理常數(shù)都可以被自然推導(dǎo)得出。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，該理論有望直接解答 “物理常數(shù)為何取當(dāng)前數(shù)值” 的核心疑問(wèn)。

當(dāng)然，想要直接驗(yàn)證這套理論難度極大。作為理論核心的七維時(shí)空結(jié)構(gòu)存在于極致微觀的尺度下，人類若想直接觀測(cè)它，所需能量要遠(yuǎn)超全球最大粒子加速器大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）輸出能量的數(shù)千萬(wàn)倍。

不過(guò)這并不代表該理論完全無(wú)法驗(yàn)證。根據(jù)這項(xiàng)研究推論，宇宙中可能遍布這類極小質(zhì)量的黑洞殘骸，它們甚至有可能就是暗物質(zhì)（Dark Matter） 的真身。除此之外，宇宙極早期誕生的原初引力波中，或許也留存著黑洞殘骸留下的特征信號(hào)。這意味著，科學(xué)家可以通過(guò)這類間接觀測(cè)手段，對(duì)該理論開(kāi)展檢驗(yàn)。

責(zé)任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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