约翰·霍普金斯大学的天体物理学家发现，来自地球的科学家或许可以利用迅速自转的“巨型克尔黑洞”作为“引力超粒子对撞机”，其能让粒子在碰撞时达到远高于地球上对撞机的能量，或许能够帮助破解“暗物质”的谜团。
2025年6月3日，两位来自美国约翰·霍普金斯大学的天体物理学家在《Physical Review Letters》期刊上发表了一份报告。研究结果表明，地球上的科学家可以使用太空中的巨型克尔黑洞（Kerr Supermassive Black Hole）作为大型粒子加速器，这类似于目前世界上最大的超粒子对撞机LHC，而一个更大的，正在筹备建造中，是FCC，用于研究高能粒子物理，可能有助于解决关于暗物质的问题。
“相信科学，追求科学”，今天将带您一同探讨两位天体物理学家的设想，即如何利用名为“克尔”的巨型黑洞作为超粒子对撞机？地球上的科学家如何利用巨型黑洞加速器？这能否真正帮助解决关于暗物质的问题？
开放“巨型克尔黑洞”
在我们深入两位天体物理学家关于利用巨型黑洞作为超粒子对撞机的想法之前，先快速回顾一下黑洞，重点放在巨型克尔黑洞。
黑洞（black hole）通常按“质量”分为三类：
- 恒星级黑洞（stellar black hole），质量较小的黑洞（在黑洞中），由恒星生命周期末期的变化产生，质量约为太阳的10倍，是发现最多的一种。
- 超大质量黑洞（supermassive black hole），也称为“巨型黑洞”，是大型黑洞，质量为太阳的数十万到数千万倍。预计多数星系的中心都有一个巨型黑洞，例如银河系的中心。宇宙中约有一万亿个星系，因此预计会有数百亿至数千亿个这样的黑洞，但实际发现的数目较少，已发现的包括银河系中心和仙女座星系中心的巨型黑洞。
- 中等质量黑洞（intermediate-mass black hole），介于恒星级黑洞与巨型黑洞之间，质量是太阳的100到100,000倍，发现的数量最少。
此外，还有一种第四类黑洞称为微型黑洞或初生黑洞，形成于宇宙早期，即大爆炸时期，目前尚未发现。
除了按“质量”分类外，还可以根据自转和电荷特性进一步分类。此次研究的主角黑洞是第二类无电荷自旋克尔黑洞，即无电荷快速旋转的Kerr黑洞，或称巨型克尔黑洞。
“克尔黑洞”得名于新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr），他于1963年提出了快速自转却无电荷黑洞的概念。同年，美国物理学家泰德·纽曼（Ted Newman）也提出了自转且带电的黑洞理论，后称为克尔-纽曼黑洞（Kerr-Newman black hole）。
在克尔和克尔-纽曼黑洞出现之前，还有一种最简单的黑洞被称为史瓦西黑洞（Schwarzschild black hole），由德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）于1916年提出，此类黑洞仅有一个变量，即质量，不考虑自转或电荷。
“巨型黑洞超粒子对撞机”
这次提出利用巨型黑洞作为超粒子对撞机的两位天体物理学家是约瑟夫·席尔克教授（Joseph Silk）和安德鲁·马玛瑞博士（Andrew Mummery）。
席尔克和马玛瑞的研究目标涉及三个相关领域：(1) 巨型黑洞 (2) 世界上最强大的粒子对撞机 (3) 暗物质。
但在整体科学界，尤其在科学媒体的视角下，“暗物质”是关注重点，仿佛成为了终极目标。
对于席尔克和马玛瑞自身，他们对“暗物质”有何想法和期待呢？
席尔克和马玛瑞的终极目标是研究高能粒子物理，当前地球上最好的工具是CERN的大型强子对撞机（LHC），能够让带电粒子如质子和带电原子在接近光速的状态下碰撞。
LHC自2008年启动以来，高能粒子物理的进展显著提升……
但仍然有科学家希望从LHC获得的“问题”。
因此，席尔克和马玛瑞转向黑洞，特别是巨型克尔黑洞，它们拥有巨大的质量和极高的自旋速度。
经过对巨型克尔黑洞的研究，席尔克和马玛瑞觉得他们得到了足以向科学界报告的发现，这就是今天我们聚焦的主题，他们命名此研究为“黑洞超粒子对撞机”。
总的来说，席尔克和马玛瑞发现了一些巨型克尔黑洞，它们以极高的速率自转，具有类似LHC的性质，使得能够进入黑洞中心的一些外部粒子在极接近光速的速度下碰撞（如同在LHC中发生的一样），部分粒子又从巨型黑洞超粒子对撞机中逃逸出来。
有一个问题，LHC中推动粒子以极高速度运动的是“电磁力”，那么巨型黑洞超粒子对撞机呢？
答案是“引力”，由黑洞中心的巨大质量及其超快的自转产生的巨大引力，因此使得黑洞周围的时空曲面根据爱因斯坦的广义相对论高速旋转。
简单比较：
LHC是电磁超粒子对撞机，而巨型克尔黑洞是引力超粒子对撞机。
科学家如何利用“巨型黑洞超粒子对撞机”
问题是，巨型黑洞超粒子对撞机真有存在吗？在哪里能看到？数量多少？
答案是，尽管大多数星系中心可能有巨型黑洞，但确认证据困难，目前已确认的巨型黑洞不止几十个，而被认为是克尔巨型黑洞的更少。
然而，天文证据显示我们银河系中心有一个名叫人马座A*的巨大黑洞，质量约为400万倍太阳质量，距离地球约26000光年，是一个确实自转而无电荷的克尔巨型黑洞。
那么地球上的科学家如何研究巨型黑洞超粒子对撞机的效应呢？
席尔克和马玛瑞解释说，当前科学家可以通过大型望远镜研究巨型黑洞超粒子对撞机的效应，例如超新星、中子星爆炸或巨型黑洞的重大变化和其他宇宙现象。
例如：
- ICE Cube中微子望远镜位于南极冰下2500米。
- 立方公里中微子望远镜位于地中海下，最近检测到了最高能量的中微子。
“巨型黑洞超粒子对撞机”与“暗物质”
其中，部分想法来自我们的报告是LHC和暗物质……
LHC的一个主要目标是期望找到有关暗物质的证据。
然而，自从2008年首次启动，至今已获得了大量关于高能粒子的全新信息，最著名的是2012年发现了希格斯粒子，被称为“上帝粒子”，长久以来是物理学界的“圣杯”。
然而，对于被某些物理学者和本文作者视为“新圣杯”的暗物质，至今未见踪影。
以至于物理学界开始认为LHC也许还不够“强大”以让暗物质粒子显现，因此开始筹备建造一个比LHC更强大的粒子加速器，称为未来环形对撞机（FCC），是一个类似LHC的超粒子对撞机，但其规模是LHC的三倍，即FCC的圆形管道周长为91公里，而LHC为27公里。
谁是FCC项目的主要推动者？
CERN是FCC项目的主要推动者，自2013年开始集思广益，2021年开始详细研究项目，2025年3月31日完成计划，预计2030年代开始建设，2040年代末开始运行，初期计划运行15年。
有趣的是，席尔克和马玛瑞的报告发布后，特别是在一般科学媒体的新闻报道中，许多报道持有一种观点，即席尔克和马玛瑞的研究目的在于补偿或应对某些情况，例如在唐纳德·特朗普第二次美国总统任期内（自2025年1月20日起正式开始），美国几乎所有科研资金被削减一半，影响到美国各项科学研究及美国支持的项目，包括CERN。
实际情况如何？
根据席尔克和马玛瑞的报告，本文作者总结如下：
- 研究的主要目的是预期巨型黑洞超粒子对撞机能作为补充，帮助人类制造的超粒子对撞机，特别在高能粒子和尤其期待的暗物质粒子上，因为巨型黑洞超粒子对撞机的能量级远高于LHC。
- 席尔克和马玛瑞的报告中也提到FCC建设所需大规模投资的问题，约为170亿美元，根据CERN在2025年3月3日的最新报告。正因如此，巨型黑洞超粒子对撞机既作为LHC的补充，也在FCC因投资或技术问题导致进一步延误或取消时提供一种替代可能。
总体而言，本文作者对约瑟夫·席尔克教授和安德鲁·马玛瑞博士利用巨型黑洞作为超粒子对撞机的想法感到惊讶和兴奋。
本文作者不认为自然界的巨型黑洞超粒子对撞机能完全取代人类制造的地球超粒子对撞机。
原因何在！
因为人类制造的地球超粒子对撞机，可以选择“研究目标”和“特定问题方案”，在基础学科、应用科学和新兴科技方面提供了独特的价值！
各位读者，您怎么看呢……
（编译：李程 泰国中文社；审校：Momo；来源：Thairath）
