北京
无论我们多么自由，人类的存在始终会受到限制。
我们无法逃脱经典宇宙的维度——三个空间方向，以及时间无情的流逝。
但引力可能不受适用于血肉与石头的同样规则束缚。它可能渗入物质所依附的膜之外一个隐藏的第五“暗”维度。
如果这样的领域存在，或许会有一些天体，其引力延伸进入其中，以某种方式扭曲其几何结构，从而让我们得以窥见一个我们心智几乎无法感知的平面。
这样的窗口可能以原初黑洞的形式出现——它们是微观但极其致密的天体，被认为形成于大爆炸后不久的极端条件下。
事实上，根据美国雷曼学院物理学家路易斯·安乔多基领导的一项新研究，在一个存在暗维度的宇宙中，所有原初黑洞（PBH）都必须是五维的——除非在低能下存在某些奇异的未知新物理。否则它们无法不如此。
你可能已经熟悉黑洞的概念——它们是超大质量恒星耗尽燃料并发生超新星爆发后，坍缩核心形成的超致密天体。在质量尺度的极端重端，是星系围绕其旋转的超大质量黑洞。
另一端则是原初黑洞。
这些相对娇小的天体太小，不可能是由恒星核心形成的；相反，物理学家推测，它们诞生于早期宇宙泥沼般的原初汤中的过密区域，即大爆炸后时间的第一个眨眼间。
它们仍是假想中的存在——从未有原初黑洞被确凿探测到——但物理学家对它们非常感兴趣。作为婴儿宇宙的遗物，它们可能保存着宇宙历史上一个我们几乎无法直接观测的时期的条件线索。
长期以来，它们也被认为是暗物质的一种可能成分。暗物质是额外引力的神秘来源，塑造着物质在整个宇宙中如何运动和成团。
而且，据安乔多基及其同事所说，如果原初黑洞小到足以探测额外维度变得重要的尺度上的物理，它们就可能告诉我们一些关于时空自身维度结构的信息。
这就是膜登场的地方。
想象你拿着一张纸，上面画着一个火柴人。这个小人可以上下左右移动，但它被困在二维中——它无法离开纸面升起，也不容易构想纸面之外的世界。
现在想象我们自身存在的平面同样位于一个更高维空间中。
我们所体验的三个空间维度，加上时间，形成一个四维膜，嵌在物理学家称为“体”的更高维空间中。
正如二维存在难以想象其平面之外的第三空间维度，我们在尝试想象自身之外第四空间维度时也同样受阻。
暗维度情景提出，这样的维度存在，但被紧致化到大约一微米的极小尺度。（紧致化基本上意味着，与熟悉的空间维度不同，额外维度是有限的。）
构成普通物质的粒子被困在膜上，无法越出膜外。
但引力可能不受同样的限制。
虽然一微米对你我来说非常小——它是百万分之一米——但对一个足够微观的原初黑洞来说，它要重要得多。
通常，物理学家将黑洞视为四维天体，其极端引力强烈扭曲三个空间维度和一个时间维度。这个模型对我们在整个宇宙中看到的宏观尺度黑洞非常有效。
然而，把黑洞缩小到足够小，图景就会改变。如果事件视界的大小变得比暗维度的尺度还小，黑洞的引力就能延伸进入那个额外空间方向。
那个黑洞不再局限于四维；其几何结构变成五维。
安乔多基及其同事想知道这对原初黑洞意味着什么——具体而言，早期宇宙中被认为能够产生原初黑洞的不同过程，会留下四维还是五维的天体。
科学家认为早期宇宙的“狂野西部”可能有几种方式诞生原初黑洞。研究人员聚焦于两种：婴儿宇宙冷却时的剧烈相变，以及被称为宇宙弦的假想时空缺陷的坍缩。
而无论他们如何分析，原初黑洞最终都落入第五维。
对于第一种，重要的是要知道早期宇宙冷却得极快，这可能导致了突然的相变——就像蒸汽凝结成液体，或液体瞬间冻结成冰。
不过，结果不会是水分子重新排列，而是早期宇宙物质形成的斑块，其密度足以坍缩成微小黑洞。
研究人员根据所涉及温度的估计，计算了这些原初黑洞是否大到足以成为四维。答案是一个大大的“不”。
在它们微小的尺寸下，四维构型会变得不稳定，迫使原初黑洞演化成五维天体——这一过程被称为格雷戈里-拉弗拉姆不稳定性。
宇宙弦提供了一条不同但通往大致相同终点的路径。这些假想的时空缺陷可能在早期宇宙中形成环，这些环在自身张力下收缩，最终坍缩成黑洞。
在这里，计算甚至更具决定性：在暗维度情景下，由宇宙弦坍缩产生的原初黑洞从诞生起就是五维的。
不过，这个想法不只是有趣的理论嬉戏。那个额外维度会改变黑洞的一生。
黑洞通过霍金辐射逐渐损失质量，较小的黑洞蒸发尤其快。
但五维黑洞会比四维黑洞蒸发得更慢——团队计算出，一些由宇宙弦诞生的原初黑洞的寿命可能与宇宙138亿年的年龄相当。这意味着，在我们周围的宇宙中，可能仍有一些这样的黑洞，正走向生命终点，并在一团粒子中完全消失。
研究人员甚至提出，这样的蒸发事件可能解释 KM3NeT 天文台探测到的一个能量极高的中微子。
一个五维原初黑洞可以向“体”中发射粒子，这些粒子随后可能在我们所在的膜上产生一个中微子——这可能解释为什么没有从同一方向看到相应的高能光子。
这极具推测性。原初黑洞和暗维度都尚未被证明存在，研究人员也承认，以这种方式解释 KM3NeT 事件存在未解决的问题。
但这某种程度上也正是原初黑洞如此有趣的原因。
如果它们存在，这些婴儿宇宙的微小遗物可能保存着关于我们无法重现的尺度和能量下运行的物理的信息——甚至可能是我们无法进入的维度的信息。
我们只需要在它永远消失之前抓住一个。
这些发现将于9月28日发表在《物理评论D》上。
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