掉进黑洞的信息究竟去了哪里？

坠入黑洞的物体所携带的量子信息最终会去向何处？如果深挖这个问题的话，便会触及物理学界著名的未解难题——黑洞信息悖论（Black Hole Information Paradox）。这个问题甚至可能动摇因果律的根基，目前，科学家正在寻找解决这一问题的方法。

斯洛伐克科学院研究人员、Richard Pinčák 等人提出了一项全新假说：若宇宙在极微观尺度上存在带挠率的七维 G₂流形结构，黑洞在蒸发过程中便不会彻底消亡，而是会留存一个永久存在的微型残骸。依据该理论，黑洞吞噬的全部信息都不会消失，这些量子信息将永久储存在扭曲的七维时空结构当中；该假说还有望为基本粒子的质量起源提供一套更自洽的解释。

什么是黑洞信息悖论？

进入正题之前，先解释一下本研究的重要前提——“黑洞信息悖论”。已经了解这一概念的读者可以直接跳到下一部分。

宇宙中的一切物体（比如一颗苹果）都承载着海量量子信息，包括形状、色彩、位置、质量、温度等。即便我们能将苹果拆解为细胞、分子、原子直至基本粒子，整合掉部分关联信息，剩余无法归并的独立信息依旧无穷无尽。

这类量子信息不只依附于实体物质，也存在于光这类日常认知中不属于 “实体” 的存在里。

物理学有一条核心基本准则：信息只会改变形态，绝不会彻底消失。人类之所以能够推演过去、预测未来，本质是因为万物演化遵循因果规律，而因果律的成立，完全依托于 “信息守恒” 这一特性。倘若信息可以凭空消失，那么 “过去与未来由因果关系联结” 的物理学根基也将不复存在。

而宇宙中，黑洞似乎是唯一可能打破信息守恒的特殊存在。历经百余年观测与研究，黑洞的存在已得到学界公认。物理学界明确：黑洞仅具备三类可观测物理量 —— 质量、电荷与角动量。

当一个物体坠入黑洞后，它所携带的海量信息会去向何方？物体的质量、电荷、角动量会并入黑洞自身的物理参量，但除此之外的所有信息，都会因黑洞不具备对应属性而看似彻底消失。物理学中将黑洞 “抹去物体全部附加特征” 的特性命名为黑洞无毛定理（物体携带的各类附加信息被形象称作 “毛发”）。

“信息守恒定律” 与 “黑洞看似吞噬一切信息” 形成的尖锐矛盾，便是黑洞信息悖论，它也是现代物理学最棘手的未解难题之一。

黑洞信息悖论问世初期，学界曾提出一种治标不治本的解释：由于任何信息都无法从黑洞内部逃逸，黑洞内部与外部宇宙彻底切断了因果联系，因此信息消失的问题不会影响外部宇宙。

但后续研究推翻了这一观点：黑洞并非完全封闭，它会从事件视界（黑洞表面）向外释放热辐射，这一现象就是霍金辐射（Hawking Radiation）。这一发现让谜题变得愈发复杂：霍金辐射属于无序热辐射，即便其中夹杂着黑洞三类参量之外的信息，这些信息也会呈现完全随机的状态，无法被还原解读，这和 “信息彻底消失” 并无本质差别，因果律依旧岌岌可危。

同时，霍金辐射的能量源自黑洞本身的质量，这会让黑洞持续损耗、不断收缩。理论上，若霍金辐射永不停止，黑洞终将耗尽全部质量，彻底蒸发消亡。最终，坠入黑洞的信息虽会以辐射形式重回宇宙，却依旧会造成因果律失效。这也是该现象被称作 “悖论” 的核心原因。

黑洞可能留下极微小的信息残骸

针对黑洞信息悖论，学界陆续提出了多种解决方案。其中一个主流思路是：黑洞蒸发后会留存残骸，并由残骸永久储存信息。该悖论的核心矛盾，源于霍金辐射会让黑洞彻底消亡；反之，若黑洞无法完全蒸发，信息守恒的难题便可迎刃而解。届时黑洞会化为一个体积极小、信息储量极大的致密实体。但长久以来，科学家始终无法找到让霍金辐射停止的物理机制。

Richard Pinčák等人的研究团队提出了一套全新的解决方案。该研究并未以经典广义相对论为基础，而是依托爱因斯坦 - 嘉当理论展开研究。广义相对论仅描述了时空弯曲，而爱因斯坦 - 嘉当理论在此基础上，进一步纳入了时空挠率（时空扭转） 效应。

图1：本研究思想的示意图。当黑洞收缩至微观尺度，开始受到时空内嵌的带挠率七维 G₂流形结构影响时，霍金辐射会逐步终止，黑洞最终形成不再继续收缩的永久残骸。

Pinčák等人首先做出核心假设：宇宙时空在10⁻³² 米的极微观尺度下，呈现出带挠率的七维 G₂流形结构。相较于广义相对论描述的无挠率四维时空，该结构复杂程度大幅提升。这种七维时空结构仅在 10⁻³² 米尺度下显现，以人类目前的实验能力，短期内完全无法直接探测。

在这一假设前提下，会出现一个关键物理现象：当黑洞收缩至与该微观时空尺度相当时，霍金辐射会逐步衰减直至完全停止。黑洞就此化为永久存在的微型实体。根据计算，霍金辐射终止时，黑洞残骸的质量约为9×10⁻⁴¹ 千克，仅为电子质量的百亿分之一。

尽管残骸质量微乎其微，但依托黑洞内部的挠率时空结构，它可以存储海量量子信息。以一颗太阳质量的黑洞为例，其最终形成的残骸最大可存储1.5×10⁷⁷量子比特的信息，这一容量足以完整留存所有坠入黑洞的物质信息。

这一结论可能影响其他物理现象

图2：若该假说成立，不仅可以破解黑洞信息悖论，还有望解答基本粒子质量起源这一基础物理难题。

值得一提的是，这套理论还能解答物理学领域的另一大难题。

自然界存在四种基本相互作用，其中电磁相互作用与弱相互作用，会在246GeV（约 1000 万亿摄氏度）的能量尺度下统一为电弱相互作用，这一结论已得到理论证实。

而该能量尺度，恰好与赋予基本粒子质量的希格斯机制深度关联，大众熟知的希格斯粒子便诞生于这一机制。

目前，物理学界虽能推算出电弱统一能标、希格斯粒子质量等数值的大致范围，却始终无法解释一个核心问题：为何这些物理常数恰好是当前数值，而非其他数值？

Pinčák提出，若时空确实存在带挠率的七维 G₂流形结构，上述所有物理常数都可以被自然推导得出。简单来说，该理论有望直接解答 “物理常数为何取当前数值” 的核心疑问。

当然，想要直接验证这套理论难度极大。作为理论核心的七维时空结构存在于极致微观的尺度下，人类若想直接观测它，所需能量要远超全球最大粒子加速器大型强子对撞机（LHC）输出能量的数千万倍。

不过这并不代表该理论完全无法验证。根据这项研究推论，宇宙中可能遍布这类极小质量的黑洞残骸，它们甚至有可能就是暗物质（Dark Matter） 的真身。除此之外，宇宙极早期诞生的原初引力波中，或许也留存着黑洞残骸留下的特征信号。这意味着，科学家可以通过这类间接观测手段，对该理论开展检验。

来源：牧夫天文

编辑：LYang

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号