จักรวาลอยู่ในหลุมดำหรือไม่ ความแตกต่างของบิ๊กแบง, หลุมดำ และหลุมขาวคืออะไร

จักรวาลอยู่ในหลุมดำหรือไม่ ความแตกต่างของบิ๊กแบง, หลุมดำ และหลุมขาวคืออะไร

จะเกิดอะไรขึ้น หากเรามีความเร็วเท่ากับแสง? ประสบการณ์รับรู้เวลาของเราจะเป็นเช่นไร
จะเกิดอะไรขึ้น หากเรามีความเร็วเท่ากับแสง? ประสบการณ์รับรู้เวลาของเราจะเป็นเช่นไร
มกราคม 5, 2020
ตรวจพบดาวเคราะห์โคจรรอบ “ดาวฤกษ์ 2 ดวง” ครั้งแรกผ่านดาวเทียม TESS (TOI 1338 b)
TOI 1338 b: ตรวจพบดาวเคราะห์โคจรรอบ “ดาวฤกษ์ 2 ดวง” ครั้งแรกผ่านดาวเทียม TESS
มกราคม 10, 2020
จักรวาลอยู่ในหลุมดำหรือไม่ ความแตกต่างของบิ๊กแบง, หลุมดำ และหลุมขาวคืออะไร

ภาพจำลองของหลุมดำจาก GETTY

หากเราย้อนเวลากลับไปในช่วงก่อนที่มนุษย์จะถือกำเนิดขึ้น, ก่อนที่โลกจะก่อตัว, ก่อนที่ดวงอาทิตย์จะได้ลุกเป็นไฟ, ก่อนที่กาแล็กซี่จะก่อตัว, ก่อนที่แสงจะเริ่มเจิดจรัส ณ ที่แห่งนั้นเราเรียกว่า ‘บิ๊กแบง’ (Bigbang) ซึ่งเหตุการณ์ในครั้งนั้นมันเกิดขึ้นมานานแล้วกว่า 13.8 พันล้านปี

แล้วอะไรล่ะที่ถือดำรงอยู่มาก่อนหน้านั้น ในเรื่องนี้ นักวิทยาศาสตร์หลายท่านต่างก็เชื่อว่า ก่อนบิ๊กแบงจะถือกำเนิด จักรวาลเรามีแต่เพียงความว่างเปล่า ก่อนที่นาฬิกาจะเริ่มเดิน ทันใดนั้นบิ๊กแบงก็เกิดขึ้น! 

และแนวคิดนี้ที่ว่า “จักรวาลถือกำเนิดขึ้นมาจากความไม่มีอะไรเลย” ก็บ่งบอกได้เป็นอย่างดีว่าแท้จริงแล้ว เราไม่ได้เข้าใจอะไรเลย ว่าก่อนการมาของบิ๊กแบงหน้าตาของพวกมันนั้นเป็นเช่นไร, พวกมันก่อตัวมาจากอะไร, แล้วทำไมมันถึงได้สร้างจักรวาลของเราขึ้นมา เพราะเรื่องนี้มันอยู่เลยออกไปจากขอบเขตในทางวิทยาศาสตร์ของเราที่จะตระหนักได้จริงๆ

แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์อยู่ไม่น้อยที่ไม่เห็นด้วยว่าจักรวาลได้ถือกำเนิดขึ้นมาจากความว่างเปล่า แล้วก็มีการตั้งทฤษฎีว่า ก่อนที่บิ๊กแบงจะถือกำเนิดขึ้น ณ ขณะนั้นจักรวาลของเรามีทั้งมวลและพลังงานที่ถูกอัดแน่นเอาไว้อย่างเหลือเชื่อ และไม่อาจประเมินค่าได้ นักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า เมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลใหม่ (The seed of a new universe)

เมล็ดพันธุ์นี้มีขนาดเล็กกว่าอนุภาคที่เราสังเกตเห็นได้ในปัจจุบันหลายล้านล้านเท่า ก่อนที่มันจะถูกกระตุ้นและขยายตัวออกมาอย่างรวดเร็วอันก่อร่างสร้างทุกสรรพสิ่งดังที่เราได้ประจักษ์ ไม่ว่าจะเป็นกาแล็กซี่, ระบบสุริยะ, ดาวเคราะห์ และสิ่งมีชีวิต

ดังนั้นถ้าเราจะเรียกเมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลนี่ว่าคือ ‘อนุภาคพระเจ้า’ (God Particle) ก็ดูจะเข้าท่ากว่า!

จากคำถามที่ว่าแล้วเมล็ดพันธุ์นี้มันถูกสร้างขึ้นมาได้อย่างไร? ในคำถามนี้ ‘นิโคเดม พอพลาสกี’ (Nikodem Poplawski) นักฟิสิกส์ปริญญาเอก แห่ง มหาวิทยาลัยนิวเฮเว่น ได้ออกมาให้ความเห็นว่า เมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลของเราถูกหล่อหลอมขึ้นมาจากสภาพแวดล้อมที่สุดขั้ว และรุนแรงที่สุดในธรรมชาติทั้งหลายทั้งปวง ซึ่งสภาพแวดล้อมเช่นนี้จะสามารถพบเห็นได้แต่ภายในหลุมดำ!

พหุจักรวาลแบบยกกำลัง

สิ่งสำคัญที่ต้องรู้ ก่อนที่เราจะไปไกลกว่านั้น ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา ก็มีนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีหลายท่านเชื่อว่า เอกภพไม่ได้มีเพียงแค่แห่งนี้เพียงแห่งเดียว ซึ่งเราอาจกำลังอยู่ในผลรวมของจักรวาลที่มีอยู่เป็นจำนวนอนันต์ โดยแต่ละจักรวาลก็จะมีวิถีของการดำรงอยู่เป็นของตัวเอง

อย่างไรก็ตาม ในเรื่องที่ว่าจักรวาลของเรากำลังเชื่อมโยงอยู่กับจักรวาลแห่งอื่นๆ ในเรื่องนี้ก็ยังเป็นข้อถกเถียงกันอยู่ และยังไม่สามารถพิสูจน์ได้อย่างสมบูรณ์ 

แต่มีหนึ่งแนวคิดที่น่าสนใจก็คือ เมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลนี้จะคล้ายกันกับเมล็ดพืช ซึ่งเป็นวัตถุที่ถูกอัดแน่นเต็มไปด้วยพลังงานอยู่ภายในเปลือกแข็งที่รอคอยวันถูกกระตุ้นให้เบ่งบาน ซึ่งเหมือนกับคำอธิบายของสิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำ 

หลุมดำโดยทั่วไปนั้น ถือกำเนิดขึ้นมาจากวาระสุดท้ายของดาวฤกษ์ ครั้งเมื่อมันได้เผาผลาญเชื้อเพลิงไปจนหมด เมื่อนั้นใจกลางของดาวก็จะยุบตัวลงมากลายเป็นหลุมดำ โดยแรงโน้มถ่วงจะดึงทุกสิ่งทุกอย่างเข้ามาหากัน และทำให้เกิดเป็นอุณหภูมิสูงขึ้นมามากถึงแสนล้านองศา จนอะตอมได้ถูกทุบออก แม้กระทั่งอิเล็กตรอนก็จะถูกบดขยี้ และทุกสิ่งได้มารวมกันเป็นหนึ่งเดียว

เมื่อถึงวาระสุดท้ายของดวงดาวนี้ มันจะกลายสภาพไปเป็นหลุมดำ ที่แรงโน้มถ่วงของมันมีค่าเป็นอนันต์ จนแม้แต่แสงก็ไม่อาจเล็ดลอดออกมาได้ โดยขอบเขตระหว่างภายในกับภายนอกหลุมดำ เราจะเรียกมันว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งหลุมดำบางดวงก็มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า (หลุมดำบางแห่งอาจมีมวลมากกว่านั้นนับพันล้านเท่า) ที่ปัจจุบันเราสามารถพบเห็นมันได้อยู่ทุกใจกลางของกาแล็กซี ไม่เว้นแม้แต่ภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา

ถ้าเราได้ใช้ทฤษฎีของไอน์สไตน์มาทำนายถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำก็จะพบว่า ณ ใจกลางของหลุมดำมันคือจุดของความหนาแน่นที่ไม่รู้จบและมีขนาดเล็กมาก ที่เรียกว่าภาวะเอกฐาน (singularity) ซึ่งเป็นค่าไม่รู้จบแบบไม่ปกตินักที่จะสามารถพบเจอได้ในธรรมชาติ แม้ทฤษฎีของไอน์สไตน์จะได้สร้างความมหัศจรรย์ในการคำนวณมาแล้วนับไม่ถ้วน แต่ถึงกระนั้นทุกอย่างก็พังทลายลง เมื่อต้องเผชิญหน้าเข้ากับเหตุการณ์ภายในหลุมดำ หรือจุดกำเนิดของจักรวาล

โดยในเรื่องของภาวะเอกฐานนี้ Dr. Poplawski ได้ให้ความเห็นเอาไว้ว่า มวลสารภายในหลุมดำเมื่อถึงจุดๆหนึ่งพวกมันจะไม่สามารถถูกบดขยี้ได้อีกต่อไป สิ่งนี้เขาเรียกมันว่า ‘เมล็ดพันธุ์’ ที่มีขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อ และมีน้ำหนักมากกว่าดวงอาทิตย์นับพันล้านเท่า ซึ่งไม่เหมือนกับซิงกูลาริตี้สักเท่าไหร่ แต่มันเป็นจริง

โดยหลุมดำจะมีการหมุนตัวที่เร็วอย่างบ้าคลั่ง และมีความเป็นไปได้ว่าค่านั้นจะเข้าใกล้กับความเร็วแสงมากๆ และด้วยแรงหมุนนี่เอง จึงได้สร้างแรงบีบอัดอันมหาศาล โดยสรุปก็คือภายในใจกลางของหลุมดำ ไม่เพียงแต่จะเล็กและหนักอย่างสุดขั้วเท่านั้น แต่พวกมันยังหมุนอีกต่างหาก ซึ่งในจุดนี้จะไม่แตกต่างอะไรกันกับ ณ ช่วงเริ่มแรกของจักรวาล ทันใดนั้นทุกอย่างมันก็ระเบิดขึ้นจนก่อให้เกิดกลายเป็นบิ๊กแบงขึ้นมา หรือตามที่ Dr. Poplawski ได้เรียกมันว่า ‘บิ๊กบ๊าวซ์’ (Big bounce) หรือการดีดกลับคืน

ในอีกความหมายก็คือ หลุมดำก็เปรียบดังกับเป็น ‘ท่อน้ำ’ ที่มีประตูออกเพียงทางเดียว (one-way door) ของระหว่างทั้งสองจักรวาล

ซึ่งนี้ก็หมายความว่า ถ้าเราตกลงไปสู่หลุมดำที่อยู่ ณ ใจกลางของทางช้างเผือก (ถ้าเราไม่ถูกบดขยี้จนอะตอมแหลกสลายไปเสียก่อน) เราก็จะไปโผล่ยังอีกด้านหนึ่งของจักรวาลอื่นอย่างน่าอัศจรรย์ใจ (ที่จักรวาลอื่นนั้นไม่ใช่ภายในจักรวาลของเรา) ดังนั้นหลุมดำจึงมีหน้าที่เหมือนกับเป็นเส้นทางเชื่อมต่อไปยังจักรวาลแห่งใหม่!

ทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับเรายังไง และจะส่งผลต่อจักรวาลของเราเช่นไร ในคำถามนี้ก็สามารถตอบได้ว่า จักรวาลอื่นๆนั้นเป็นผลพวงมาจากการถือกำเนิดขึ้นมาของจักรวาลเรา และจักรวาลของเราก็ได้ถือกำเนิดขึ้นมาจากจักรวาลก่อนหน้า (หรือจะเรียกว่าเป็น ‘จักรวาลแม่’ (mother universe) ก็ได้) 

หรือจะพูดเต็มๆก็คือ จักรวาลของเราได้ถือกำเนิดขึ้นมาจากเมล็ดพันธุ์ ที่ได้ถูกสร้างขึ้นภายในหลุมดำของจักรวาลแม่ อันนำไปสู่การเกิดกลายเป็น ‘บิ๊กบ๊าวซ์’ (Big bounce) ขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีที่แล้ว ดังนั้นแม้ว่าจักรวาลของเรา จะได้ขยายตัวออกมาอย่างมากแล้วก็ตาม (นับจากจุดเริ่มต้น) แต่เราก็ยังคงถูกซ่อนเอาไว้ ให้อยู่แต่ภายในหลุมดำ ภายใต้ขอบฟ้าเหตุการณ์ที่ไม่มีวันไปถึงได้

(ต่อไปนี้จะเป็น ข้อมูลถามตอบ ในชื่อเรื่อง Is the Big Bang a black hole? ที่ถูกเรียบเรียงเอาไว้ในปี 1997 โดย คุณ Philip Gibbs บนเว็บไซต์ mathdept.ucr.edu ซึ่งเป็นเว็บไซต์ที่เกี่ยวข้องกับงานวิจัยของภาควิชาคณิตศาสตร์ ณ มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียริเวอร์ไซด์)

ทำไมเอกภพจึงไม่ยุบตัวลงมาและกลายเป็นหลุมดำในตอนเริ่มแรก?

บางคนอาจจะเคยสงสัยว่าทำไมบิ๊กแบง ถึงไม่กลายเป็นหลุมดำเลยตั้งแต่แรก ทั้งๆที่ก่อนหน้านั้นมันมีความหนาแน่นของสสารในเศษเสี้ยววินาทีแรก สูงกว่าที่พบในดาวฤกษ์ดวงไหนๆ และมวลสารที่อัดแน่นนี้ก็จะไปทำให้ปริภูมิเวลาได้บิดโค้งอย่างรุนแรง จนก่อให้เกิดเป็นจุดศูนย์รวมมวลขนาดเล็กกว่าภายในรัศมีชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild radius) 

อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมของบิ๊กแบงนั้นต่างจากภาวะเอกฐานทั่วไปที่เรารู้จัก เพราะมันทำในสิ่งที่ตรงกันข้าม และเลือกที่จะหลีกเลี่ยงการติดอยู่แต่ภายในหลุมดำที่มันก่อ ซึ่งมันผิดธรรมชาติเป็นอย่างยิ่งของปริภูมิที่ใกล้กับภาวะเอกฐาน ซึ่งควรจะแบนมากกว่าการโค้งอย่างหนาแน่นเช่นนี้. แล้วสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? 

คำตอบสั้นๆก็คือ ที่บิ๊กแบงหนี (gets away) ออกมาจากภาวะเอกฐานนั้นก็เพราะ มันกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงต้น และช้าลงหลังจากนั้น

‘ปริภูมิ’ (space) สามารถแบนราบได้ แม้ ‘ปริภูมิ-เวลา’ (spacetime) จะไม่ก็แบนก็ตาม โดยความโค้งของอวกาศ นั้นมาจากส่วนของ ‘เวลา’ (temporal) ในเมตริกสเปซไทม์ (spacetime metric) ซึ่งใช้วัดการชะลอตัวของการขยายตัวของเอกภพ ดังนั้นความโค้งทั้งหมดของกาลอวกาศจึงมีความสัมพันธ์กับความหนาแน่นของมวลสาร และมีส่วนช่วยให้เกิดการโค้งจากการขยายตัว เช่นเดียวกับความโค้งของพื้นที่ใดๆ

อีกทั้งคำตอบของชวาร์สชิลด์ในสมการความโน้มถ่วงนั้นคงที่ นี้จึงแสดงให้เห็นถึงข้อจำกัดของความหนาแน่นในมวลสารได้ ก่อนที่มันจะยุบตัวลงมากลายเป็นหลุมดำ ดังนั้นขีดจำกัดของชวาร์สชิลด์จึงไม่สามารถใช้ได้กับสสารที่กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วดังเช่นที่เกิดขึ้นกับบิ๊กแบง

สรุปก็คือพฤติกรรมของบิ๊กแบงนั้น มันแตกต่างไปจากสิ่งที่เกิดขึ้นกับหลุมดำอย่างชัดเจนนับตั้งแต่แรก

อะไรคือความแตกต่างระหว่างแบบจำลองบิ๊กแบง กับ หลุมดำ

แบบจำลองมาตรฐานของบิ๊กแบงนั้น มาจากคำตอบของสมการสนามความโน้มถ่วงในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่ค้นพบโดย  Alexander Friedmann, Howard P. Robertson และ Arthur Geoffrey Walker ในชื่อ แบบจำลอง Friedmann-Robertson-Walker หรือ FRW เพื่อมาอธิบายถึงรูปร่างของจักรวาลทั้งแบบเปิดและแบบปิด

ซึ่งในช่วงเริ่มแรกของจักรวาลตามแบบจำลอง FRW พบว่า จักรวาลของเราเคยอยู่ในภาวะเอกฐานมาก่อน (ก่อนจะถูกแทนที่ด้วยบิ๊กแบง) ซึ่งหากเรากลับมาดูหลุมดำก็จะพบว่ามันมีภาวะเอกฐานอยู่จริง ซึ่งเป็นภาวะเช่นเดียวกับ ณ จุดเริ่มต้นของจักรวาล! 

แม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกมาได้ในจักรวาลแบบปิด ซึ่งนี่ก็เป็นคำจำกัดความพื้นฐานของหลุมดำเช่นกัน. แล้วความแตกต่างของทั้งสองคืออะไร?

เพื่อให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างชัดเจนก็จะอธิบายได้ว่า ภาวะเอกฐานของบิ๊กแบงตามแบบจำลองของ FRW นั้น จะตั้งอยู่ในอดีตของเหตุการณ์ทั้งหมดในจักรวาล ในขณะที่ภาวะเอกฐานของหลุมดำจะตั้งอยู่ในอนาคตของเหตุการณ์

และจากการศึกษาสมการสัมพัทธภาพทั่วไปดั้งเดิมก็พบว่า หลุมขาวไม่ควรมีอยู่จริง (white holes) เพราะพวกมันไม่สามารถถูกสร้างขึ้นมาได้ด้วยเหตุผลเดียวกัน (เวลาผกผัน (time-reversed)) เหตุผลก็คือหลุมดำไม่สามารถถูกทำลายได้ (แต่ไม่ได้หมายความว่ามันจะคงอยู่ตลอดไป เพราะสามารถสูญเสียมวลและหายไปได้ผ่านการแผ่รังสีฮอว์คิง)

แต่แบบจำลองมาตรฐานบิ๊กแบง FRW นั้น จะแตกต่างจากหลุมขาว ซึ่งตามนิยามของหลุมขาวโดยทั่วไปแล้ว ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ (event horizon) จะทำในสิ่งที่ตรงกันข้ามกับขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ นั่นก็คือจะไม่มีสิ่งใดสามารถผ่านเข้าไปสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมขาวได้ เช่นเดียวกันกับการที่ไม่มีสิ่งใดสามารถหนีออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ และนี้เป็นคำจำกัดความอย่างง่ายของหลุมขาว

ความแตกต่างที่แท้จริงก็คือ แบบจำลอง FRW นั้น จะทำในสิ่งที่แตกต่างจากประเภทของขอบฟ้าเหตุการณ์ทั้งในหลุมขาวและหลุมดำ โดยด้านนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมขาวนั่นจะมีเส้นโลก (worldlines) ที่สามารถย้อนกลับไปสู่อดีตได้อย่างไม่ตายตัว และจะไม่พบเจอกับภาวะเอกฐานใดๆของหลุมขาว ในขณะที่แบบจำลองมาตรฐานบิ๊กแบง FRW นั้น เส้นโลกของจักรวาลวิทยาทั้งหมดจะมีจุดเริ่มต้นมาจากภาวะเอกฐาน!

แหล่งอ้างอิง

  1. Are We Living in a Black Hole?
  2. Black hole cosmology
Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
Facebook
กลับสู่บนสุด