หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 4: เรือนจำ ชั่วนิรันดร์ ในอวกาศ
สิ่งมีชีวิตนอกโลก บทที่ 2: มนุษย์ต่างดาว อาจเหมือนเรา มากกว่าที่เราคิด
สิ่งมีชีวิตนอกโลก บทที่ 2: มนุษย์ต่างดาว อาจเหมือนเรา มากกว่าที่เราคิด
กันยายน 4, 2019
มนุษย์ต่างดาวอาจเคยมาเยือนโลกของเราแล้วในอดีต
มนุษย์ต่างดาวอาจเคยมาเยือนโลกของเราแล้วในอดีต
กันยายน 13, 2019
หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 4: เรือนจำ ชั่วนิรันดร์ ในอวกาศ

NASA’S GODDARD SPACE FLIGHT CENTER; BACKGROUND: DPAC/GAIA/ESA

ในคริสต์ทศวรรษที่ 1960 ซึ่งเป็นยุคทองของการศึกษาหลุมดำ ช่วงเวลานั้น การแก้โจทย์ปัญหาให้กับหลุมดำได้ถูกค้นพบกันอย่างต่อเนื่องเป็นจำนวนมาก โดยในปี ค.ศ. 1963 “รอย เคอร์” (Roy Kerr) นักคณิตศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ ค้นพบวิธีแก้ปัญหาให้กับหลุมดำแบบหมุนรอบตัวเอง สองปีถัดมา นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน “เอซรา ที. นิวแมน” (Ezra Newman) ก็ค้นพบวิธีแก้ปัญหารูปแบบของแกนสมมาตรสำหรับหลุมดำ ที่มีทั้งแบบหมุนรอบตัวเองและมีประจุไฟฟ้า และจากงานของ “เวอร์เนอร์ อิสราเอล” (Werner Israel), “แบรนดอน คาร์เตอร์” (Brandon Carter) และ “เดวิด รอบินสัน” (David Robinson) ก็ได้พัฒนา “ทฤษฎีบทไร้ผม” (No-hair theorem) ขึ้นเป็นครั้งแรก โดยระบุว่าวิธีแก้ปัญหาของหลุมที่คงที่นั้นสามารถอธิบายได้โดยสมบูรณ์ผ่านค่าพารามิเตอร์ทั้งสามของ เคอร์ – นิวแมนเมตริกได้แก่ ค่าของ มวล, โมเมนตัมเชิงมุม และค่าประจุไฟฟ้า

(บทความนี้ต่อจากบทความที่แล้ว ในชื่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3: ดาวสีดำขนาดยักษ์)

ตอนแรกก็เป็นที่สงสัยกันอยู่ว่าคุณสมบัติอันแปลกประหลาดของวิธีแก้ปัญหาหลุมดำนั้นจะไปส่งผลให้ ภาวะเอกฐานได้ปรากฎอยู่ในหลุมดำจริงๆหรือไม่ ซึ่งในมุมมองนี้สามนักฟิสิกส์อย่าง “วลาดีมีร์ เบลินสกี” (Vladimir Belinsky), “ไอแซค คาลาทนิคอฟ” (Isaak Khalatnikov) และ “ยูเกนี ลิฟชิทซ์” (Evgeny Lifshitz) ก็เคยได้พยายามออกมาพิสูจน์ว่า ไม่มีภาวะเอกฐานอื่นใด ที่ปรากฎอยู่ในสมการทั่วไป (Generic Solutions) อย่างไรก็ตามในช่วงปลายคริสต์ทศวรรษที่ 1960 “โรเจอร์ เพนโรส” (Roger Penrose) และ “สตีเฟน ฮอว์กิง” (Stephen Hawking) ก็ได้ใช้ Global Techniques เพื่อพิสูจน์ว่าภาวะเอกฐานสามารถปรากฏขึ้นได้ในสมการทั่วไป

และในช่วงต้นคริสต์ทศวรรษที่ 1960 ผลจากการพัฒนาสมการเพื่อมาอธิบายหลุมดำโดย “เจมส์ เอ็ม. บาร์ดีน” (James M. Bardeen), “เจคอป บีเคนสไตน์” (Jacob Bekenstein), Carter, และ Hawking ก็นำไปสู่การกำหนดอุณหพลศาสตร์ของหลุมดำได้ในที่สุด โดยกฎเหล่านี้อธิบายถึงพฤติกรรมของหลุมดำในลักษณะที่ใกล้เคียงกับกฎอุณหพลศาสตร์ ที่เกี่ยวข้องกับมวล, พลังงาน, พื้นที่เอนโทรปี, และแรงโน้มถ่วงของพื้นผิวต่ออุณหภูมิ ซึ่งสมการก็เสร็จสมบูรณ์ในปี ค.ศ. 1974 โดย Hawking ได้แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสนามควอนตัมก็สามารถทำนายได้ว่า หลุมดำเองก็ควรมีการแผ่รังสีออกมาได้เช่นเดียวกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ จนเป็นที่รู้จักกันในชื่อการแผ่ “รังสีฮอว์กิง” (Hawking radiation)

ที่มาของคำว่าหลุมดำ

‘จอห์น มิเชลล์’ (John Michell) ได้เคยนำเสนอคำว่า “ดาวมืด” (Dark Star) เอาไว้ในปีช่วงปลายยุค คริสต์ศตวรรษที่ 18 จนกระทั่งเมื่อเข้าสู่ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์จึงเปลี่ยนมาใช้เป็นคำว่า “วัตถุที่ยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง” (Gravitationally Collapsed Object) แทน แต่ถึงอย่างนั้นคำว่า “Black Hole” หรือ “หลุมดำนั้น” นั้น ได้ถูกกล่าวขานขึ้นเป็นครั้งแรกในช่วงต้นปีคริสต์ทศวรรษที่ 1960 โดยนักเขียนข่าววิทยาศาสตร์นามว่า “มาร์เซีย บาร์ทูเซียค” (Marcia Bartusiak) ซึ่งขณะนั้นเธอได้เขียนข่าวให้แก่นักฟิสิกส์ “โรเบิร์ต เอช. ดิก” (Robert H. Dicke) และเปรียบเทียบความเหมือนกัน ในปรากฏการณ์ของการถูกจองจำไปชั่วนิรันดร์ในอวกาศ กับ “หลุมดำแห่งเมืองกัลกัตตา” (Black Hole of Calcutta) ของอินเดีย ซึ่งเป็นคุกมืดขึ้นชื่ออันโด่งดังในช่วงกลางคริสต์ศตวรรษที่ 18 โดยกว่าร้อยละ 84 ของนักโทษที่ถูกจองจำในคุกแห่งนี้จะเสียชีวิตอยู่ภายในนั้น

หลุมดำแห่งกัลกัตตา, 20 มิถุนายน ค.ศ. 1756
หลุมดำแห่งกัลกัตตา, 20 มิถุนายน ค.ศ. 1756

แต่คำว่า “Black Hole” ที่ได้ถูกพูดถึงอย่างจริงจังนั้น เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 18 มกราคม ปี ค.ศ. 1964 ที่คำว่า “หลุมดำ” ได้ถูกตีพิมพ์ลงอยู่ในวารสาร Life และ Science News ในชื่อบทความที่มีชื่อว่า “‘Black Holes’ in Space” (“‘หลุมดำ’ ในอวกาศ”) โดยนักเขียนข่าววิทยาศาสตร์นามว่า “แอน อีวิง” (Ann Ewing) ซึ่งบทความนี้เป็นรายงานการประชุมของสมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ หรือ AAAS (American Association for the Advancement of Science) ที่จัดขึ้นในคลีฟแลนด์, รัฐโอไฮโอ, สหรัฐอเมริกา

ชื่อบทความ "หลุมดำ ในอวกาศ" โดย Ann Ewing เมื่อวันที่ 18 มกราคม ค.ศ. 1964
ชื่อบทความ “หลุมดำ ในอวกาศ” โดย Ann Ewing เมื่อวันที่ 18 มกราคม ค.ศ. 1964

และในเดือนธันวาคมปี ค.ศ. 1967 ก็มีรายงานจากนักศึกษาผู้หนึ่ง ได้แนะนำให้ใช้วลีว่า “หลุมดำ” ขึ้นภายในคาบชั้นการบรรยายของ “จอห์น วีลเลอร์” (John Wheeler) ต่อมา Wheeler จึงนำคำว่า “หลุมดำ” มาใช้สอนด้วย เพราะรู้สึกว่าการนำคำศัพท์นี้มาใช้ในทางวิชาการจะช่วยให้เกิดความกระชับมากขึ้น และเป็นที่เข้าใจแก่คนหมู่มากได้เข้าถึงง่าย นี้จึงกลายมาเป็นที่มาของคำว่า “Black Hole” ในทางฟิสิกส์ ซึ่งบางคนก็ได้ให้เครดิตแก่ Wheeler ด้วยว่า เขาคือผู้บัญญัติศัพท์คำดังกล่าว

คุณสมบัติและโครงสร้างภายในของหลุมดำ

จากการคาดคะเนในทฤษฎีบทไร้ผม (No-hair theorem) สันนิษฐานว่าเมื่อหลุมดำเริ่มคงที่ภายหลังจากการก่อกำเนิด หลุมดำก็จะมีคุณสมบัติทางกายภาพเพียง 3 สิ่งเท่านั้นได้แก่ มวล, ประจุ และโมเมนตัมเชิงมุม ที่ไม่ต่างไปจากกันเลย

หากการคาดคะเนนี้เป็นจริง นั้นก็หมายความว่าหลุมดำใดๆในอวกาศ ก็จะมีรูปร่างที่เหมือนกัน มีคุณสมบัติหรือค่าพารามิเตอร์ที่เหมือนกัน นี้จึงทำให้ยากแก่การจำแนกหลุมดำเป็นอย่างมาก จนถึงปัจจุบันระดับของการคาดคะเนนี้ก็ยังคงเป็นจริงสำหรับหลุมดำภายใต้กฎฟิสิกส์สมัยใหม่ อย่างไม่มีทางคลี่คลาย

No-hair theorem

คุณสมบัติเหล่านี้มีความพิเศษเพราะสามารถมองเห็นได้จากด้านนอกของหลุมดำ ตัวอย่างเช่นหลุมดำที่มีประจุ ก็จะผลักกันกับวัตถุที่มีประจุเหมือนกัน ในทำนองเดียวกันมวลรวมภายในทรงกลมของหลุมดำ ก็สามารถประเมินได้โดยใช้กฎแรงโน้มถ่วงตามกฎของเกาส์ (Gauss’s law) และรูปแบบนิยม มวลเอดีเอ็ม (ADM formalism | ADM mass) ในขณะที่โมเมนตัมเชิงมุมของหลุมดำก็สามารถตรวจวัดได้ด้วยเช่นกัน โดยการใช้ปรากฏการณ์เฟรมแดรกกิง (Frame-dragging) ในสนามแม่เหล็กแรงโน้มถ่วงที่ส่งผลต่อ มวลและพลังงาน ปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันในชื่อ “กราวิโทอิเล็กโทรแมกนีทิซึม” (Gravitoelectromagnetism)

จนถึงเวลานี้ภายในหลุมดำเรายังไม่อาจรู้ได้ว่ามีอะไรอยู่ภายในนั้น เพราะเมื่อวัตถุใดๆก็ตามตกลงสู่หลุมดำ ทุกๆข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับรูปร่างของวัตถุหรือประจุใดๆ ก็จะเริ่มกระจายตัวไปอย่างสม่ำเสมออยู่ทั่วขอบฟ้าของหลุมดำ ก่อนที่มันจะเลือนหายลับไปจากสายตาของผู้สังเกตการณ์ด้านนอก

 ไดอะแกรมเกี่ยวกับการพิสูจน์ของ gravitomagnetism โดย Gravity Probe B
ไดอะแกรมเกี่ยวกับการพิสูจน์ของ gravitomagnetism โดย Gravity Probe B ภาพจาก Gravity Probe B Team, Stanford, NASA – APOD

พฤติกรรมของขอบฟ้าหลุมดำในสถานการณ์เช่นนี้ เป็นระบบกระจายที่ใกล้เคียงกับแผ่นฟิล์มยืดซึ่งนำไฟฟ้าด้วยแรงเสียดทานและความต้านทานไฟฟ้า ในขั้นกระบวนทัศน์ของเมมเบรน (Membrane Paradigm)

สิ่งนี้จะแตกต่างไปจากทฤษฎีภาคสนามอื่นๆ เช่นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่มีแรงเสียดทานหรือความต้านทานในระดับจุลภาค เพราะเวลาสามารถผกผันได้ (Time-Reversible) ในหลุมดำ และหลุมดำจะคงที่ได้ด้วยพารามิเตอร์เพียงสามตัวเท่านั้น จึงไม่มีวิธีใดอาจหลีกเลี่ยงต่อการสูญเสียข้อมูลเกี่ยวกับเงื่อนไขเริ่มต้นได้ (the initial conditions)

โดยข้อมูลที่สูญหายไปนั้นจะรวมไปถึง ปริมาณที่ไม่สามารถวัดได้ในพื้นที่บริเวณขอบฟ้าหลุมดำ รวมทั้งค่าประมาณกฎการอนุรักษ์จำนวนควอนตัม (approximately conserved quantum numbers) เช่นจำนวนอนุภาคมูลฐานแบริออน (baryon) ทั้งหมด และจำนวนเลปตอน (Lepton) ทั้งหมด เป็นต้น

พฤติกรรมลึกลับเช่นนี้ถูกเรียกว่า ความขัดแย้งของการสูญเสียข้อมูลในหลุมดำ (Black hole information paradox) หรือจะกล่าวในแบบเข้าใจกันง่ายๆก็คือเมื่อผ่านพ้นเข้าไปในขอบฟ้าของหลุมดำแล้วละก็ กฎฟิสิกส์ใดๆก็ตามที่เรารู้จักในจักรวาล ก็ยากที่จะอธิบายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในนั้นได้

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 2

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 4

แหล่งที่มา Black hole

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด