黑洞可能不會完全消失，而是留下微小的殘余物，將信息困在持久的振動之中。

斯蒂芬·霍金在20世紀70年代指出，黑洞并非完全"黑"。它們會緩慢輻射能量，隨時間逐漸縮小，最終消失。然而，這一解釋存在一個問題：如果一個黑洞完全蒸發(fā)掉，它所吞噬的物質(zhì)的所有信息會怎樣？量子物理學認為信息永遠不會被摧毀，但黑洞似乎恰恰做到了這一點。這一矛盾就是著名的"黑洞信息悖論"。

研究作者指出："黑洞信息悖論是現(xiàn)代理論物理學中最重大的挑戰(zhàn)之一，它引發(fā)了關(guān)于量子力學與廣義相對論是否相容的深刻問題。"

如今，一項新研究為這一難題提供了可能的出路。該研究提出，黑洞永遠不會徹底消失。相反，它們會留下微小而穩(wěn)定的殘余物，這些殘余物儲存著信息——而且令人驚訝的是，同樣的想法或許還能解釋基本粒子如何獲得質(zhì)量。

扭曲的時空與阻止黑洞終結(jié)的力量

為了解開這一悖論，研究人員超越了常規(guī)的引力圖像。在標準廣義相對論中，時空可以在質(zhì)量和能量的影響下彎曲。然而，本研究采用的理論——愛因斯坦-嘉當理論——允許時空不僅彎曲，還可以扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)被稱為"撓率"，在極小的尺度和極高的密度下變得至關(guān)重要。

研究團隊在七維宇宙中探索了這一想法，而不是我們所體驗的四維時空。他們使用了一種名為"帶撓率的G2流形"的特殊數(shù)學結(jié)構(gòu)，為描述這些額外維度的行為提供了一致的方法。雖然這聽起來抽象，但其物理結(jié)果卻異常清晰。

當物質(zhì)在黑洞內(nèi)部坍縮、密度向普朗克尺度攀升時，時空的撓率開始產(chǎn)生一種排斥效應。這種力向外推，抵消了向內(nèi)的引力拉拽。研究作者表示："普朗克密度下的排斥力動態(tài)地阻止了霍金蒸發(fā)的最終階段。"

黑洞不會無限坍縮或通過霍金輻射完全蒸發(fā)，而是達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。研究作者補充道："這導致了一個穩(wěn)定殘余物的形成，其預測質(zhì)量約為 9×10?419×10?41 千克。"

這徹底改變了黑洞的命運。如果它們不會消失，那么它們所包含的信息也就不必消失。

藏在黑洞殘余物中的七維記憶

下一個問題是信息究竟存儲在哪里。根據(jù)這項研究，信息通過物理學家所說的"準正則模"被編碼在殘余物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。這些是物體自然的振動模式，類似于敲擊后的鐘聲。

在這個模型中，這些振動發(fā)生在殘余物幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部的撓率場中。每種振動模式都可以攜帶量子信息，有效地將殘余物變成一個存儲系統(tǒng)。其核心思想是：所有落入原始黑洞的信息都被困在這些持久的振蕩中，并被編碼其中。

這種存儲的規(guī)模也極其巨大。例如，一個由太陽質(zhì)量的黑洞形成的殘余物可以存儲大約 1.515×10771.515×1077 量子比特的信息。研究作者表示，這正好與保存所有原本會在蒸發(fā)過程中丟失的信息所需的信息量相匹配，"從而防止黑洞完全消失，進而解決了悖論，且不違反任何物理基本定律"。

這些發(fā)現(xiàn)令人大開眼界，因為它們將黑洞物理學與粒子物理學聯(lián)系了起來。當研究人員將他們的七維模型降維到我們觀測到的四維宇宙時，他們發(fā)現(xiàn)同樣的撓率場自然產(chǎn)生了一個約 246 GeV 的能量標度。這正是與希格斯場相關(guān)的能量標度，而希格斯場負責賦予基本粒子質(zhì)量。簡而言之，阻止黑洞消失的同一個幾何特性，也解釋了粒子為何具有質(zhì)量。

超越當前實驗的理論——但并非遙不可及

額外維度尚未被觀測到的原因之一是，探測它們所需的能量遠超當前技術(shù)水平。例如，該研究預測，與這些維度相關(guān)的粒子的質(zhì)量約為 8.6×10158.6×1015 GeV，比大型強子對撞機所能達到的能量高出數(shù)百萬倍。因此，直接探測目前是不可能的。

然而，該理論并非無法檢驗。它所描述的微小黑洞殘余物的引力效應或許可以通過天體物理觀測被探測到。未來的工作很可能集中在完善模型和尋找這些信號上。

目前，這項研究提供了一個令人信服的可能性：黑洞或許并非信息的終結(jié)之地。相反，它們可能是自然界最迷人的存儲裝置，秘密地保存著所有曾落入其中的事物的歷史。

該研究發(fā)表于《廣義相對論與引力》期刊。

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