มีอะไรอยู่ในหลุมดำของ Hawking



โลกเพิ่งสูญเสียบุคคลสำคัญทางวิทยาศาสตร์ไป 14 มีนาคม นั้นแท้แล้วคล้ายวันคล้ายเกิดของบุรุษนักรักนักฟิสิกส์  อัลเบิร์ต ไอสไตน์ แต่กลับเจอข่าวเศร้าในยามเช้าเมื่อนักฟิสิกส์เอกนาม สตีเฟน ฮอว์คิง ได้เสียชีวิตลง ชายผู้ไร้เสียงนั่งบนวีลแชร์ ทำไมกลับกลายเป็นผู้ที่โลกให้ความสนใจ ยกย่องให้เกียรติกับชายผู้นี่นักต่อนัก

ลองอ่านต่อสิแล้วผมจะเล่าให้ฟัง

ดวงดาวที่ไม่มีใครมองเห็น

สมมุติว่าผมบอกว่ามีดวงดาวดวงหนึ่งอยู่ แต่มันไม่มีแสงสว่างและเรามองไม่เห็น คุณจะเชื่อมั้ย หลายคนบอกไม่เชื่อ แล้วคุณเคยเดินไปตามหาดทรายมั้ย แล้วเห็นรอยเท้าของใครสักคนที่ทิ้งไว้มั้ย เรารู้มั้ยว่าใครทิ้งรอยเท้านั้น ไม่เราไม่รู้ แต่รู้ว่าเขามีตัวตนอยู่บนโลกใบนี้ ดวงดาวก็เช่นกัน

Gilbert Michell ได้สอนลูกของเขา John Michell ไว้บนหาดทรายก่อนที่เขาตาย ไม่เคยได้ยินชื่อสองคนพ่อลูกใช่มั้ยละ ลองอ่านต่อสิ John Michell ได้จินตนาการถึงดวงดาวดวงหนึ่งดังที่พ่อของเขาบอกไว้ ในตอนนี้เขาเป็นนักดาราศาสตร์ที่เชี่ยวชาญและเป็นนักฟิสิกส์ที่เก่งกาจมากเสียด้วย

ภาพวาด John Michell

ดวงดาวที่มืดมิดแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้ (Dark Star) แล้วเราจะรู้ได้ไงว่าดาวดวงนั้นมีตัวตนอยู่ ดูตามรอยเท้าของมันยังไง รอยเท้าของดวงดาวที่มืดมิดนั้นคืออะไร มันคือแรงโน้มถ่วงยังไงละ สมมุติว่าดาวดวงนั้นมีดาวฤกษ์โคจรล้อมรอบอยู่ มันจะหมุนอยู่รอบอะไรสักอย่างที่เรามองไม่เห็นแต่เมื่อคำนวณออกมาแล้วจะพบว่ามันมีมวลอยู่

มวลนั้นแหละคือดาวที่มืดมิดที่เขาฝันหา เรามาเข้าใจในความคิดของเขาก็เข้าร่วมจะ 200 ปีไปแล้ว ดาวมืดมิดของเขานั้นคือ หลุมดำ ในปัจจุบัน

หลุมดำของไอสไตน์

1912 หลังจากไอสไตน์ได้ตีพิมพ์เรื่องราวเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปออกไปสู่โลกกว้างและนำเสนอถึงความโน้มถ่วงนั้นส่งผลกระทบกับพฤติกรรมของแสง สิ่งหนึ่งที่เขายังคงปวดหัวกับทฤษฎีของเขาคือ เขารู้สึกว่ามันมีช่องโหว่อยู่ ช่องโหว่ที่ว่านั้นคือสิ่งที่นักฟิสิกส์หลายคนนั้นเห็นโต้แย้งและถกประเด็นกันอย่างเมามัน นั้นคือ หลุมดำ

Albert Einstein ในวัยแก่ นักวิทยาศาสตร์ระดับตำนานแห่งยุค

หลุมดำ ในตามความคิดของไอสไตน์มันเป็นสิ่งที่ไม่มีวันเกิดและเป็นไปได้เลย ไม่มีทางที่จะมีวัตถุเบร้ออะไรในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นอนันต์ได้ ไม่อย่างนั้นมันจะกลายเป็นเหมือนจุดดำๆที่มองไม่เห็นเพราะไม่มีแสงสว่างสามารถหลุดรอดออกมาจากหลุมนั้นได้

ความคิดของเขาตีกันในหัว ในที่ๆซึ่งเขาเรียกว่าการทดลองทางความคิด สุดท้ายแล้วการถกเถียงจบลงด้วยการที่ไอสไตน์ยอมรับว่าความคิดของเขาผิด และเกิดเป็นศาสตร์ใหม่ของโลกที่ศึกษาเกี่ยวกับหลุมดำโดยเฉพาะ แน่ละ เรื่องราวของเราเพิ่งเริ่มต้นจากการยอมรับความจริงของชายคนหนึ่ง

หลุมดำในจินตนาการ

เป็นฝ่ายบอกหลุมดำมีจริงครับ ในสมัยนั้นยังไม่รู้จักกล้องโทรทรรศน์วิทยุดังนั้นการพิสูจน์ตัวตนของหลุมดำนั้นก็ย่อมเป็นไปไม่ได้นอกจากวิธีพิสูจน์ทางอ้อมจากการคำนวณ

Karl Schwarzschild ในห้องทำงาน

มันทำให้เรากลายเป็นเหมือนมดที่ตาบอดแถมยังอยู่บนต้นไม้ที่ห่างไกลจากพื้นดินอีก ทำให้ไม่รู้อะไรเกี่ยวกับสภาพพื้นดินเลย แต่เราเป็นมดที่ฉลาดมากๆเราเลยสามารถคำนวณได้ว่าพื้นดินควรมีลักษณะเป็นอย่างไร

แถมเรายังรู้อีกว่าพื้นดินนั้นมีหลุม บ่ออยู่อีก แถมหลุมเหล่านั้นมีหน้าตาเป็นอย่างไร (เอาจริงถ้ามดตัวนั้นฉลาดขนาดนี้คงยึดครองโลกสร้างหุ่นยนต์มาปราบมนุษย์หมดโลกแล้วละ)

นั้นคือสภาพของนักฟิสิกส์ทฤษฎีในยุคนั้น จากการคำนวณโดยตีความและแตกสมการทฤษฎีสัมพัทธภาพทั้งแบบทรงกลมและแบบจุดค่าที่ได้จึงออกเป็นค่าอนันต์ หมายความว่าสมการของไอสไตน์พอมาคำนวนแล้วได้ค่าอนันต์ แต่ยังไม่มั่นใจเกี่ยวกับพื้นผิวของหลุมดำเท่าไหร่นัก

หลุมดำยุคใหม่

หลังจากที่เรามีกล้องโทรทรรศน์วิทยุ สิ่งประดิษฐ์ที่สามารถรับคลื่นนอกเหนือตาของเรามองเห็นจากอดีตอันไกลโพ้นได้สำเร็จ มันคือเครื่องมือที่ใช้พิสูจน์การมีตัวตนอยู่ของหลุมดำที่ดีที่สุด

ภาพ simulation ของหลุมดำใจกลางทางช้างเผือกของเราผ่านเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon ซึ่งในปัจจุบันขณะนี้ยังประมวลผลภาพของหลุมดำไม่เสร็จ (14 มีนาคม 2018)

อีกวิธีหนึ่งในการตรวจจับหลุมดำ เราใช้ คลื่นย่าน Infrared และ X-ray ซึ่งวิธีในการตรวจจับคลื่นย่านเหล่านี้เราจะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ประเภทใช้แสงในการตรวจจับ

กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศประเภทรับคลื่น X-ray

จนแล้วจนรอดเราก็ไม่สามารถมองเห็นหลุมดำผ่านกล้องโทรทรรศน์วิทยุและกล้องโทรทรรศน์ X-ray ได้อยู่ดีนั้นแหละ แต่เราดูจากเจ็ทที่ล้อมรอบหลุมดำ หรือ การโคจรของดาวฤกษ์ที่อยู่ล้อมรอบบางสิ่งที่มองไม่เห็นและ Gravitational Lensing ซึ่งสามวิธีนี้ทำให้เราสามารถตรวจจับหลุมดำได้เป็นอย่างดี

เรายังรู้อีกด้วยว่า บริเวณที่เรียกว่าพื้นผิวของหลุมดำหรือ Event Horizon นั้นไม่ได้เป็นพื้นผิวที่แข็งหรือเป็นของเหลวใดๆแต่เป็นเหมือนหลุม หลุมที่มองจากทิศทางด้านหน้าหรือด้านหลังก็เป็นหลุม เดินเข้าไปจากปากหลุมฝั่งซ้ายขวาหน้าหลังก็ยังคงเป็นหลุมเดียวกัน

Event Horizon หรือ ขอบฟ้าเหตุการณ์ นั้นเป็นเหมือนจุดที่บอกเราว่าหลังจากที่เราก้าวข้ามเส้นนี้ไป แสงหรืออนุภาคใดๆก็ย่อมไม่มีทางหลุดรอดออกไปจากหลุมดำได้อีกแล้ว ลองนึกภาพคุณอยู่หน้าหลุมดำแล้วถือวิทยุสื่อสารกับเพื่อนอยู่ ถ้าคุณเดินเข้าไปหลังเส้นขอบฟ้าเหตุการณ์ วิทยุสื่อสารของคุณจะใช้งานไม่ได้อีกตลอดกาลเพราะสัญญาณจากวิทยุของคุณมันหนีออกจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำไม่ได้นั้นเอง

อะไรก็ตามที่เข้าไปใน Event Horizon จะไม่มีวันได้กลับออกมา

จุดศูนย์กลางของหลุมดำ เราเรียกว่า ภาวะเอกฐาน หรือ Singularity เอาจริงเราไม่สามารถเรียกว่าเนื้อในได้เพราะว่าหลุมไม่มีเนื้อแต่มันคือสภาพสภาวะที่เกิดจากการบิดโค้งของกาลอวกาศ Singularity คือบริเวณเล็ก ๆ ที่พื้นผิวเกิดลักษณะที่เป็นจุดหนึ่งจุด ดังนั้นมันจึงเกิดเป็น “การบิดโค้งเป็นอนันต์” และมีความโน้มถ่วงและแรงไทดัลที่ Singularity เป็นอนันต์

สมมุติเราเปรียบกาลอวกาศเป็นแผ่นยางแทรมโพลีน แล้วเราโยนลูกแก้วลงไปบนแทรมโพลีน แน่นอนว่าจะต้องเกิดหลุมจากที่ลูกแก้วลูกนั้นอยู่บนแทรมโพลีน แต่ลูกแก้วนั้นไม่ใช่ Singularity แล้วถ้าเปรียบเทียบเช่นนั้น Singularity  จะคือผิวยางที่โดนลูกแก้วทับอยู่และตัวลูกแก้วจะคือพลังงานมหาศาลที่ทำให้เกิดการบิดตัวจนเกิดเป็น Singularity

ดังนั้น Singularity เกิดจากพลังงานมหาศาลที่สามารถทำให้เกิดการบิด หมุน ม้วน ตัวกันของกาลอวกาศ และสรุปการบิดโค้งของอวกาศของหลุมดำนั้นไม่ได้เกิดจาก Singularity  แต่เกิดจากพลังงานมหาศาลบิดอวกาศจนเกิดเป็น Singularity

วัตถุดำกับรังสี

สิ่งหนึ่งที่นักฟิสิกส์เข้าใจมานานคือการแผ่รังสีของวัตถุดำ วัตถุดำคืออะไรแล้วมันแผ่รังสีอะไร เอาจริงวัตถุดำเป็นเรื่องเกี่ยวกับ Quantum mechanics ที่พื้นฐานทั่วไปที่เด็กม.ปลายสายวิทย์ทั่วไปพบเจอในชั้นเรียน

ปกติวัตถุที่เปล่งแสงได้มันจะเปล่งรังสีออกมา แน่นอนแสงก็คือรังสีประเภทหนึ่ง ซึ่งแม้แต่เด็กประถมก็ยังสามารถพอจะบอกได้ว่าแสงคือช่วงคลื่นที่มีความถี่ช่วงหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เหล็ก มันคือธาตุโลหะธาตุหนึ่งที่เมื่อเราให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงจุดหนึ่งมันจะเริ่มเปลี่ยนแปลงตัวของมันเอง จากที่ทึบแสงค่อยๆเปล่งแสงเป็นแสงสีแดง สีส้ม ก่อนจะกลายเป็นสีเหลือง และสีขาว

เอาจริงถ้าเราเร่งให้ความร้อนแก่มันอีกเยอะและทำให้มันไม่กลายเป็นน้ำเหล็กร้อน ๆ คุณจะเห็นมันเปลี่ยนเป็นสีฟ้า สีน้ำเงิน และสีม่วงในที่สุด

เหล็กร้อนจากโรงงานหลอมเหล็กแปรรูป

แต่คงมองยากหน่อยแหละ นักฟิสิกส์ในยุคก่อนเกิดคำถามว่า ทำไมเหล็กถึงมีพฤติกรรมเช่นนั้น เขาจึงพยายามหาคำตอบจากความรู้ที่เขามีอยู่ จากกฏเทอร์โมไดนามิก เอนโทรปี กฏการอนุรักษ์พลังงาน ฯลฯ

ถ้าเป็นเราในปัจจุบันคงไปหัวเราะเยาะบรรดานักฟิสิกส์สมัยนั้นว่ามั่วแล้วละ กว่าที่มนุษย์จะเข้าใจก็ใช้เวลาอีกหลายปีจากการมั่วนิ่มอยู่กับทฤษฎีที่ผิดๆเหล่านี้ที่ดูเหมือนจะเป็นจริงแต่มันไม่จริงแม้แต่นิดเดียว

บางคนโยงไปถึงการแผ่รังสีจากกัมมันตรังสีที่อยู่ภายในเหล็กเลยก็มี Max Planck เป็นผู้เสนอทฤษฎีควอนตัมขึ้นมาเพื่ออธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นของเหล็กร้อนเหล่านี้ เขากลายว่าเมื่อเหล็กได้รับพลังงานความร้อนจากภายนอก มันจะไปกระตุ้นให้อิเล็กตรอนใน Orbital ให้มีพลังงานที่สูงขึ้น

 

พออิเล็กตรอนมีพลังงานสูงขึ้นมันจึงกระโดดไปอยู่ใน Orbit ที่สูงขึ้น แต่อิเล็กตรอนมันไม่อยากหลุดออกจากอะตอมของเหล็กมันเลยต้องยอมคายพลังงานเพื่อให้ตัวเองกลับมาเข้าใกล้อะตอมอีกครั้ง

แล้วพลังงานที่ปล่อยออกมาก็คือแสงสว่างนั้นเอง ทีนี้ในสภาวะปกติ เหล็กปล่อยรังสีหรือไม่ เหล็กยังคงปล่อยรังสีอยู่ แต่มันอยู่ช่วงความถี่ที่ตาของมนุษย์มองไม่เห็นเท่านั้น มันจะปล่อยออกมาในช่วงของ Infrared แทนต่างหาก

เพราะระดับพลังงานของอิเล็กตรอนที่จะคายออกมาไม่มากพอสำหรับที่จะอยู่ในสเกลของคลื่นแสงดังนั้นมันจึงปล่อยออกมาในช่วงของ Infrared ดังนั้นวัตถุทุกอย่างในเอกภพนี้จึงปล่อยรังสีออกมาในช่วงของคลื่น Infrared เป็นส่วนใหญ่ รวมถึงตัวคุณด้วย

ภาพมนุษย์ที่มือซ้ายของเขาอยู่ในถุงดำถูกบันทึกด้วยแสงในย่าน Infrared โดย NASA

หลุมดำใหญ่ยักษ์เย็นจัดจอมปลอม

ยังจำ Event Horizon ของหลุมดำได้อยู่มั้ยหวังว่ายังคงจำได้นะ ถ้าวัตถุใดก็ตามตกลงไปในหลุมดำ มันจะออกมาไม่ได้ แม้แต่แสง (รวมถึงบรรดาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหลายด้วย)

ดังนั้นเมื่อไม่มีอะไรออกมาจากหลุมดำได้มันจึงอนุมานได้ว่าหลุมดำนั้นมีอุณหภูมิคือ ศูนย์สัมบูรณ์ ( -273.15 °C ) (ปล.เราไม่พูดถึงเจ็ทรอบๆหลุมดำนะ พวกเจ็ทนี่อุณหภูมิสูงยิ่งกว่าดวงอาทิตย์ของเราซะอีก)

แต่ตามกฏของเทอร์โมไดนามิกไม่มีอะไรในเอกภพเป็นศูนย์สัมบูรณ์ได้ดังนั้นหลุมดำจึงไม่เป็นศูนย์สัมบูรณ์ตามที่เราอนุมาน มันควรมีอุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงแค่เราตรวจวัดมันไม่ได้เท่านั้น

เรารู้ว่าวัตถุอะไรก็ตามในเอกภพนี้ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า ศูนย์สัมบูรณ์ จะปล่อยรังสีออกมาเหมือนเรื่องวัตถุดำที่แผ่รังสี Infrared แล้วหลุมดำละ?

ภาพหลุมดำ Gargantuan จากภาพยนตร์ Interstellar

ขงเบ้งมาแล้ว

Stephen Hawking เขาทำธีสิสเรื่อง Properties of expanding universes ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขยายตัวของจักรวาล อีกทั้งยังดำรงตำแหน่ง Lucasian Professor of Mathematics หรือศาสดาจารย์ลูคาเชียลด้านคณิตศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแคมบริดจ์ เหมือนดังนักวิทยาศาสตร์เอกผู้หนึ่งเคยดำรงตำแหน่งนี้เช่นกันนามว่า Isaac Newton

Sir Isaac Newton เป็นหนึ่งในผู้ดำรงตำแหน่ง Lucasian Professor of Mathematics

ปริศนาหนึ่งที่ยังคงมาอยู่ถึงเขานั้นคือ หลุมดำ การที่อธิบายหลุมดำด้วยทฤษฎีสัมพันธภาพเพียงอย่างเดียว มันคือการที่เราอธิบายหลุมดำด้วยความโน้มถ่วงอย่างเดียว เหมือนเราอธิบายหน้าตาของแกงส้มด้วยรสชาติของแกงส้มเพียงอย่างเดียวโดยที่ไม่อธิบายรูปร่างหน้าตาและกลิ่นของแกงส้ม

แต่ถ้าจะอธิบายหลุมดำด้วยทฤษฎีควอนตัมละ ควอนตัมอธิบายโลกที่มีสภาพแรงโน้มถ่วงได้แย่มาก ดังนั้นมันจึงอธิบายหลุมดำไม่ได้เช่นเดียวกัน (แย่เนอะ)

ดังนั้นทฤษฎีทั้งสองจึงไปกันไม่รอด เหมือนกลายเป็นโลกคนละใบที่เหมือนจะสัมพันธกันแต่กลับแยกออกจากกันและอยู่ร่วมกันไม่ได้ เมื่อพูดถึงหลุมดำ มันเป็นสถานที่ที่มีความโน้มถ่วงสูงมากและเล็กมาก มันทำให้เราเพิกเฉยกับกลศาสตร์ควอนตัมไม่ได้ ดังนั้นตอนนี้สิ่งที่ดีที่สุดที่เราทำได้ในทุกวันนี้คือยัดเอาทั้งสองสมการรวมกัน จนกว่าวันหนึ่งเราจะมีทฤษฎีสรรพสิ่ง (unified theory) ทฤษฎีที่สามารถอธิบายหลักการทำงานของทุกสรรพสิ่งในเอกภพนี้ได้ เข้าเป็นสมการเดียว

ในช่วงปี 1970 ฮอว์คิงกำลังแก้ปัญหาเกี่ยวกับหลุมดำ เขาจึงต้องอาศัยการแปะทฤษฎีโลกเล็ก (กลศาสตร์ควอนตัม) เข้ากับทฤษฎีโลกใหญ่ (สัมพันธภาพ) เพื่อที่จะอธิบายเทอร์โมไดนามิกของหลุมดำ โดยเขาสงสัยเกี่ยวกับ Event Horizon ของหลุมดำว่ามันเกิดอะไรขึ้นกันแน่ในเชิงของกลศาตร์ควอนตัม

เขาจินตนาการถึงช่วงที่อะไรสักอย่างวิ่งเข้ามาในช่วงที่จะเข้าสู่ Event Horizon มันจะเป็นช่วงวินาทีความเป็นความตายของวัตถุ พอถึงเขาถึงเขตแดนที่เรียกว่า Event Horizon มันจะเป็นช่วงวิกฤต วัตถุนั้นจะถูกฉีกออกเป็นสองส่วนแล้วส่วนหนึ่งหลุดดำดิ่งลงไปในหลุดดำส่วนอีกส่วนหนึ่งวิ่งหลุดออกจากหลุมดำไป

ซึ่งฮอว์กิงได้แสดงให้เห็นว่า หลุมดำมีการแผ่รังสีสู่อวกาศ และดูดกลืนพลังงานจากแกนความโน้มถ่วงอย่างช้าๆ ซึ่งทำให้มีเวลาพอที่หลุมดำจะแผ่รังสีได้ นี่คือปรากฏการณ์ที่อธิบายอย่างละเอียดอ่อนและสร้างความเข้าใจให้แก่นักฟิสิกส์ถึงการแผ่รังสีของหลุมดำ

รังสีที่แผ่ออกมาจากหลุมดำ เราให้เกียรติแก่ฮอว์คิงจึงเรียกรังสีนี้ว่า รังสีฮอว์คิง (Hawking Radiation) เอาจริงกลไกมันซับซ้อนมากกว่านี้ขอละไว้ในฐานที่เข้าใจ

ระเหยหมดและหายไป

ในตามความเข้าใจของฟิสิกส์ หลุมดำเป็นเหมือนวัตถุที่อยู่ได้ตราบนิจนิรันดร์ มันคอยดูดกลืนทุกสิ่งที่อยู่ที่ขวางหน้าและไม่มีวันตาย

ฮอว์คิงอธิบายเกี่ยวกับเทอร์โมไดนามิกของหลุมดำ กล่าวคือเขาบอกว่า หลุมดำนั้นจะแผ่รังสีอยู่ตลอดเวลา ซึ่งการแผ่รังสีทำให้มวลของหลุมดำลดลง หากมันไม่มีอะไรหลุดเข้าไปในภาวะเอกฐาน มันจะเริ่มเหงาหงอย มีมวลน้อย และสุดท้ายมันจะระเบิดและหายไปจากเอกภพ แน่นอนว่ามันสร้างองค์ความรู้ใหม่เกี่ยวกับหลุมดำ อีกทั้งหากเราทราบมวลที่แน่นอนของหลุมดำเรายังสามารถคำนวณอัตราการระเหยของหลุมดำด้วย Hawking Radiation ได้อีกด้วย

ภาพหลุมดำกำลังปล่อย Hawking Radiation โดย communicatescience

ปัญหากลับมาอีกครั้งจากการแผ่ Hawking Radiation คือเรื่องของ Information

Information ของข้อมูลคือสิ่งที่ทำให้อะตอมคืออะตอม ตัวเราคือตัวเรา กาน้ำชาคือกาน้ำชา ไม่กลายเป็นหมาแมวหรือขี้ไป สมมุติเราโยนขี้ลงไปในหลุมดำ (ขี้ใส่ในถุงขี้ก็ได้ไม่ใส่ก็ได้) มันจะถูกทำลายแหลกสลายเป็นผงละเอียดและถูกทำลายเล็กลงไปถึงขั้นระดับอะตอม และถูกแยกจากกันก่อนจะถูกดูดกลืนสู่ภาวะเอกฐาน แต่การแผ่ Hawking Radiation ทำนายถึงเพียงแค่เทอร์โมไดนามิกของหลุมดำเท่านั้นดังนั้นรังสีที่ออกมาจึงไม่มี Information ใดๆหลงเหลืออยู่เลย

เมื่อเราตรวจจับรังสีฮอว์คิงแล้วเราจึงแทบแยกไม่ออกเลยว่า มันคืออะไรบ้างที่ออกมา จะเป็นก้อนขี้ ดาวฤกษ์ หรืออีกัวน่าที่หลุดเข้าไป

และในช่วงไม่กี่ปีมานี้นักฟิสิกส์ทฤษฎีหลายคนพยายามที่จะหาว่าบางที่อาจจะมีร่องรอยของข้อมูลที่หลุมดำดูดกลืนลงไป ซึ่งปัญหาของฟิสิกส์ยุคใหม่ที่เราเผชิญอยู่คือยังไม่มีกรอบทางคณิตศาสตร์ที่ทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วงทำงานไปด้วยกันได้ การตัดข้อมูลออกจากการศึกษาตามทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมจึงถือเป็นปัญหาทำให้ไม่สามารถใช้งานร่วมด้วยกันได้

ในปี 2012 Joseph Polchinski ศึกษาเกี่ยวกับ Hawking Radiation โดยใช้โมเดลใหม่ซึ่งวิธีการของเขานั้นคือศึกษาอนุภาคที่บริเวณ Event Horizon ของหลุมดำ

เขาเฝ้ามองอนุภาคคู่ที่ถูกแยกให้ออกจากกันด้วยสุญญากาศควอนตัม อนุภาคตัวหนึ่งจะหลุดเข้าไปในภาวะเอกฐานส่วนอีกตัวหนึ่งหนีออกสู่อวกาศอิสระ โดยที่เขาตั้งคำถามว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่ข้อมูลของอนุภาคที่ถูกดูดกลืนเข้าไปในหลุมดำนั้นไม่ได้หายไปไหน แต่ถูกก๊อปปี้ลงบนอนุภาคที่หลุดออกมาได้

เอางี้สมมุติผมทรมานอีกัวน่า ผมโยนอีกัวน่าลงไปในหลุมดำ มันจะวิ่งเข้าไปใน Firewall ของหลุมดำ ซึ่งทำให้อีกัวน่าตายอย่างอนาถและไหม้เกรียม แต่อย่างน้อยข้อมูลไม่ได้หายไปด้วย ซึ่งอีกัวน่าจะรู้ตัวว่าผ่านสู่กำแพงไฟนรกดังกล่าวหรือ Event Horizon จากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ผู้สังเกตจะผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์โดยไม่รับรู้ถึงการมีอยู่ของกำแพงดังกล่าว

งงดิ

งานวิจัยของฮอว์กิงแก้ปัญหาดังกล่าวด้วยการมิกซ์ทฤษฏีกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยมวลที่กำลังเดือดอยู่ในสุญญากาศของหลุมดำนั้นก็คือข้อมูลของวัตถุที่ไหม้เกรียม และยังเสนอว่าหลุมดำมี Event Horizon ที่คงอยู่ชั่วคราวที่เรียกว่า Apparent Horizon แทน Event Horizon ที่มีตำแหน่งคงที่ โดย Apparent Horizon จะทำหน้าที่ในการดักสสารและแผ่รังสีอยู่ภายในหลุมดำ แต่การดักดังกล่าวก็เกิดขึ้นเพียงชั่วคราว และท้ายที่สุดสสารและการแผ่รังสีจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับ Information

เอาจริงรอบหลุมดำมีห่าฝนไฮโดรเจนตกกระหน่ำ และมันก็ตกลงไปใน Singularity อีกด้วย…

The Theory of Every Thing

สิ่งหนึ่งที่นักฟิสิกส์ทุกคนตามหาและยังคงตามหาอยู่นั้นคือ Unified Theory หรือทฤษฎีทุกสรรพสิ่ง ทฤษฎีที่สามารถใช้เพียงแค่สมการเพียงสมการเดียวแต่สามารถอธิบายทุกสิ่งทุกอย่างบนโลกใบนี้ได้แถมยังมีค่าออกมาให้เราได้โดยที่ค่าไม่เป็นอนันต์เสียก่อน (คือไม่ Error)

ฮอว์คิงเสนอแนวทางเกี่ยวกับ Unified Theory เอาไว้เมื่อเขาศึกษาเรื่องเกี่ยวกับหลุมดำ และเขาสนับสนุนนักฟิสิกส์ทฤษฎีที่กำลังหาทางออกเกี่ยวกับเรื่องๆนี้อยู่ไม่วาจะเป็นสาย String Theory, Super Gravity, High Energy ฯลฯ ทั้งหลาย หากวันใดวันหนึ่ง มนุษยชาติพบ ทฤษฎีสรรพสิ่ง จริงๆละก็ ปริศนาแห่งเอกภพนี้คงคลี่คลายไปได้มากเชียวแหละ

เคยมีคนบอกกับผมว่าสถานที่แรกที่คนตายจะเดินทางไปถึงนั้นไม่ใช่ที่ไหนไกลหรอก แต่มันคือการเดินทางเข้าไปในความทรงจำของใครสักคน แต่จะเป็นความทรงจำที่ดีหรือไม่ขึ้นอยู่กับสิ่งที่เราปฏิบัติเมื่อขณะเรายังมีชีวิตอยู่

ฮอว์คิงก็เป็นหนึ่งในนั้นเช่นกัน เขาคือบุคคลที่เป็นนักสื่อสารวิทยาศาสตร์คนหนึ่งที่สู้ชีวิตมาก ชีวิตของเขามีอุปสรรคทางกายแต่เขาไม่เคยย่อท้อต่ออุปสรรคเหล่านั้นและยังเดินสายออกงานอีเว้นตามมหาวิทยาลัยต่างๆเชิญมาบรรยายทั่วทั้งโลกอีกด้วย

เขียนหนังสือ Best Seller ที่เล่าเรื่องราวกล่าวกับเอกภพวิทยาที่เขาเป็นคนริเริ่มก่อตั้งศาสตร์ด้านนี้ขึ้นมาเพื่อเป็นตัวกระตุ้น ผลักดัน และเปิดประตูให้กับคนรุ่นใหม่ได้ให้ความสนใจ สร้างความฝันเพื่อวันหนึ่งจะมาไขปริศนาแห่งจักรวาลนี้ทิ้งไว้ให้อย่างไม่มีวันสิ้นสุด

หวังว่าความรู้ที่ฮอว์คิงทิ้งไว้จะเป็นยักษ์ใหญ่ที่ยกตัวเราสูงขึ้นไปให้เราสามารถมองเห็นได้กว้างไกล และนำมันกลับมาพัฒนาวิถีชีวิตของมวลมนุษยชาติ เยียวยายากความลำบากยากแค้น เพื่อนำพามนุษยชาติไปสู่อนาคตที่ดีกว่านี้

 

อ้างอิง 

What is a Black Hole – NASA

ชีวิตน่าอัศจรรย์ของ “สตีเฟน ฮอว์คิง” อัจฉริยะผู้ไขความลับแห่งจักรวาล | BBC Thai

Black Hole Radiation Simulated | Communicate Science

Event Horizon Telescope | Space.com

Hawking radiation | Vox

First image of black hole | MNN

ปัญหาที่ยุ่งเหยิงภายในหลุมดำ

หนังสือ The Science of Interstellar โดย Kip Thorne