กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#31 การแผ่รังสีฮอว์คิง

สตีเฟน ฮอว์คิง

สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) เป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี นักจักรวาลวิทยา และนักเขียน ซึ่งเป็นผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของศูนย์จักรวาลวิทยาเชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ก่อนที่เขาจะเสียชีวิตเมื่อปี 2018 ผลงานทางวิทยาศาสตร์ของเขารวมถึงความร่วมมือกับโรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) สร้างทฤษฎีบทเอกฐาน (Penrose–Hawking singularity theorems) ในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และการทำนายทางทฤษฎีว่าหลุมดำปล่อยรังสีซึ่งเรียกว่า “การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking Radiation)” เขาเป็นคนแรกที่กำหนดทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่อธิบายโดยรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s Theory of general relativity) และกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) เข้าด้วยกัน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคาดการณ์การมีอยู่ของหลุมดำ

หลุมดำ (Black holes) เป็นวัตถุที่แปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล ทั่วทั้งกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรามีหลุมดำหลายล้านแห่งโคจรอยู่ภายใต้กฎความโน้มถ่วงเดียวกันกับมวลอื่นๆ ในจักรวาล

ในปี 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) หนึ่งในการคาดการณ์จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ลึกลับและน่าประหลาดใจที่สุด คือการมีอยู่ของหลุมดำ ไอน์สไตน์ทำนายว่าเมื่อดาวฤกษ์มวลมากพังทลายลงเมื่อสิ้นอายุขัย มันจะทิ้งแกนเล็กๆ ที่เหลืออยู่แต่มีความหนาแน่นมาก ถ้ามวลของแกนกลางมากกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จากสมการสนามว่าด้วยกฎแห่งความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าความโน้มถ่วงจะเอาชนะแรงอื่นๆทั้งหมด และบีบอัดแกนกลางจนกว่าจะมีปริมาตรเพียงเล็กน้อยและก่อให้เกิดหลุมดำ

ในเวลาไม่กี่เดือน คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ (Karl Schwarzschild) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้ค้นพบวิธีแก้สมการสนามของไอน์สไตน์เป็นครั้งแรก แม้ว่านักฟิสิกส์จะใช้เวลาสองสามทศวรรษในการทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ Schwarzschild พบว่าทฤษฎีของ Einstein ดูเหมือนจะอนุญาตให้มีพื้นที่พิเศษบางแห่งในกาลอวกาศที่ความโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่งมาก ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon)” ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีสิ่งใดสามารถย้อนกลับมาได้ไม่ว่าแสงหรือข้อมูลใดๆ 

คุณลักษณะที่น่าสำคัญอีกประการหนึ่งของการแก้ปัญหาของ Schwarzschild ก็คือถ้าคุณเข้าไปใกล้ใจกลางหลุมดำมากขึ้นเรื่อยๆ ความโน้มถ่วงของหลุมดำก็จะแข็งแกร่งขึ้นเรื่อยๆ และตรงจุดศูนย์กลางของหลุมดำจะไม่มีที่สิ้นสุด จุดนี้เรียกว่า “ภาวะเอกฐาน (Singularity)” เป็นจุดที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพจะพังทลายลงและไร้ประโยชน์อย่างที่สุดในการทำนายสิ่งที่เกิดขึ้นที่นั่น Schwarzschild black holes เป็นหลุมดำชนิดที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งไม่หมุนที่อยู่ภายใต้การควบคุมของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ในปี 1963 รอย เคอร์ (Roy Kerr) นักคณิตศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ได้ค้นพบวิธีแก้สมการภาคสนามของ Einstein ซึ่งอธิบายถึงหลุมดำที่หมุนได้ที่เรียกว่า Kerr black holes มันหมุนเนื่องจากดาวฤกษ์ที่มันก่อตัวขึ้นนั้นมีการหมุน ปัจจุบันนักดาราศาสตร์เชื่อว่านี่น่าจะเป็นรูปแบบหลุมดำที่พบได้บ่อยที่สุดในธรรมชาติ หลุมดำที่หมุนได้จะกระพุ้งออกไปด้านนอกใกล้เส้นศูนย์สูตรเนื่องจากการหมุนของมัน (ยิ่งหมุนเร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งนูนมากขึ้นเท่านั้น)

ก่อนการค้นพบของสตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) นักดาราศาสตร์เคยเชื่อว่าหลุมดำมีสีดำสนิท เนื่องจากความโน้มถ่วงของมันมีพลังมากจนไม่มีอะไรเลยแม้แต่รังสีหรือแสงสามารถสามารถหลุดรอดออกมาได้ (ด้วยเหตุนี้จึงเป็นสีดำเนื่องจากไม่มีแสงสะท้อนจากมัน) ทำให้ผู้สังเกตการณ์ภายนอกไม่สามารถสังเกตเห็นหรือรับรู้สิ่งที่ซ่อนอยู่หลังขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ และหลุมดำน่าจะมีขนาดใหญ่ขึ้น มีมวลมากขึ้น และไม่มีทีท่าจะลดลง เนื่องจากหากวัตถุหรือพลังงานใดผ่าน Event horizon “จุดไม่ย้อนกลับ” ไปแล้ว ย่อมไม่สามารถออกมาจากหลุมดำได้ 

สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับหลุมดำในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#30 หลุมดำ

การรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม

เพื่ออธิบายวิธีการทำงานของธรรมชาติ ฟิสิกส์ของศตวรรษที่แล้วถูกครอบงำโดยสองทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่: ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม ความขัดแย้งระหว่างทั้งสองซีกของฟิสิกส์เกิดขึ้นมานานกว่าหนึ่งศตวรรษ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) อธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ของความโน้มถ่วงกับวัตถุขนาดใหญ่และหนัก เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ หรือกาแล็กซี่ ในศตวรรษที่ผ่านมาการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้รับการตรวจสอบซ้ำแล้วซ้ำอีก จากการตรวจวัดความแม่นยำที่ทันสมัยของนักวิทยาศาสตร์ และได้ผ่านการพิสูจน์ว่ามีความถูกต้อง แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่ได้อธิบายพฤติกรรมของอนุภาคย่อยของอะตอม 

กลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) อธิบายถึงปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่ความโน้มถ่วงระหว่างวัตถุขนาดเล็กที่เบา เช่น อะตอมหรืออนุภาคมูลฐาน โดยมีความน่าจะเป็นมากกว่าผลลัพธ์ที่แน่นอน 

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำเป็นพื้นที่อวกาศ-เวลาที่มีสนามความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่ง สสารและพลังงานทั้งหมดในบริเวณโดยรอบถูกดึงเข้าสู่หลุมดำด้วยแรงดึงดูดมหาศาล เพื่อที่จะหลบหนีออกจากหลุมดำความเร็วในการหลบหนีต้องสูงกว่าความเร็วแสง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ (Theory of special relativity) ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง ดังนั้นสสารหรือพลังงานเมื่อตกไปในหลุมดำแล้ว จะไม่สามารถข้าม Event Horizon ย้อนกลับไปสู่ภายนอกได้ ดังนั้นหลุมดำควรมีสีดำสนิท และมีการสะสมมวลจนมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ 

แต่เมื่อเราพิจารณาหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle) ซึ่งเป็นทฤษฎีพื้นฐานในกลศาสตร์ควอนตัม เราจะได้ภาพอื่น มีความไม่แน่นอนในตำแหน่งของอนุภาคและความไม่แน่นอนในโมเมนตัมหรือความเร็ว จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตเห็นอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสง หลักการนี้จึงอนุญาตให้อนุภาคเคลื่อนที่ได้ด้วยความรวดเร็วยิ่งยวดและหนีออกจากหลุมดำได้ 

ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ได้ปฏิวัติวิธีคิดเกี่ยวกับหลุมดำ เขาค้นพบว่าเมื่อนำกฎควอนตัมที่ควบคุมฟิสิกส์ของอะตอมและอนุภาคมูลฐานไปใช้กับหลุมดำ สมการคณิตศาสตร์ของเขาแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ นั่นคือ ที่จริงแล้วหลุมดำไม่ใช่ “สีดำ” อย่างสมบูรณ์แบบ มีบางสิ่งสามารถหลบหนีออกจากหลุมดำ  เนื่องจากปรากฏการณ์ทางควอนตัมเป็นแบบสุ่ม (random) จึงไม่สามารถระบุได้อย่างมั่นใจว่าอนุภาคชนิดใดจะหลบหนีหรือในเวลาใดที่จะทำเช่นนั้น ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้น เมื่อเวลาผ่านไปจะเกิดการไหลของอนุภาคและพลังงานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีความร้อนเช่นเดียวกับวัตถุดำ (Black body) ที่แผ่ความร้อนออกไปสู่สิ่งแวดล้อม รังสีนี้ได้รับการตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ เรียกว่า “รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)” ซึ่งทำให้หลุมดำเรืองแสงเล็กน้อย พลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสีฮอว์คิงจะทำให้หลุมดำมีมวลลดลงอย่างช้าๆ และระเหยไปในที่สุด นี้เป็นหนึ่งในการเชื่อมโยงที่ลึกซึ้งที่สุดที่เคยมีมาระหว่างโลกของฟิสิกส์ควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

การแผ่รังสีฮอว์คิงมีอิทธิพลอย่างมากต่อการแสวงหา “ฟิสิกส์ใหม่” ซึ่งเป็น “ทฤษฎีของทุกสิ่ง (Theory of Everything)” ที่สามารถรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม หากถูกต้อง อาจทำให้นักวิจัยก้าวไปข้างหน้าในความรู้เกี่ยวกับวิธีที่ฟิสิกส์ที่เล่นกับเครื่องชั่งที่เล็กที่สุดสามารถเข้ากันได้กับสิ่งที่เกิดขึ้นในเครื่องชั่งจักรวาลที่ใหญ่ที่สุด

Marshmello – Here With Me Feat. CHVRCHES

อนุภาคเสมือน

หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s uncertainty principle) โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Werner Heisenberg ได้อธิบายถึงข้อจำกัดโดยธรรมชาติของความสามารถในการวัดของเรา โดยกล่าวว่า เราไม่มีทางรู้ตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคได้อย่างแน่นอนในเวลาเดียวกัน เมื่อเอา “พลังงาน” และ “เวลา” แทนตำแหน่งและโมเมนตัม ส่วนขยายของหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กสามารถใช้ได้กับ “ความไม่แน่นอนในพลังงาน” และ “ความไม่แน่นอนของเวลา” ผลลัพธ์ที่แปลกประหลาดอย่างหนึ่งของความไม่แน่นอนนี้คือ สูญญากาศไม่เคยว่างเปล่า

สูญญากาศเป็นพื้นที่ที่ปราศจากสสารอย่างแน่นอน แต่ถ้าคุณคุยกับนักฟิสิกส์คุณอาจได้รับคำตอบที่แตกต่างออกไป ในทฤษฎีสนามควอนตัมระบุว่าสุญญากาศไม่ได้ว่างเปล่าอย่างที่คิด จริงๆ แล้ว มันเต็มไปด้วยพลังงาน ความผันผวนของพลังงานอย่างต่อเนื่องในสูญญากาศสามารถสร้างมวลได้ “มันเหมือนกับทะเลเดือดของคู่อนุภาคที่ปรากฏและหายไป”  

ความผันผวนของพลังงานในสูญญากาศ (Vacuum fluctuation) สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กดังนี้ “ความไม่แน่นอนในปริมาณพลังงาน” ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการควอนตัม และ “ความไม่แน่นอนในระยะเวลา” ที่กระบวนการเหล่านั้นจะเกิดขึ้น ส่งผลให้ ณ จุดใดจุดหนึ่งในอวกาศจะมีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานชั่วคราวในช่วงเวลาสั้นๆ บางครั้งพลังงานนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นมวล สร้างคู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาค (particle-antiparticle pairs) ปรากฏออกมาจากสูญญากาศได้”

ตามหลักกลศาสตร์ควอนตัม “อวกาศหรือสูญญากาศ” ทั่วทั้งจักรวาลจะไม่มีวันว่างเปล่า มันเต็มไปด้วยพลังงานและอนุภาคเสมือนซึ่งจะโผล่เข้าและออกจากการดำรงอยู่ในสูญญากาศตลอดเวลา

ความผันผวนของพลังงานในสูญญากาศ (Vacuum fluctuation) ทำให้คู่ของอนุภาคและปฏิอนุภาค (particle-antiparticle) ที่เรียกว่า สสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) ปรากฏตัวจากพื้นที่ว่างเปล่าในช่วงเวลาสั้นๆ เมื่อสสาร-ปฏิสสารมาปะทะกันหรือชนกัน จะเกิดการทำลายล้างอย่างสมบูรณ์ และกลับคืนสู่ความว่างเปล่าในพริบตาจนไม่สามารถตรวจจับได้โดยตรง ด้วยเหตุนี้นักฟิสิกส์จึงชอบเรียกคู่เหล่านี้ว่า “อนุภาคเสมือน (virtual particles)” แต่ไม่ได้หมายความว่าพวกมันไม่ใช่ของจริง เพียงแต่พวกมันเกิดขึ้นมาและหายไปเร็วมากก่อนที่จะโต้ตอบกับสิ่งใดๆ

สามารถอ่านเกี่ยวกับ “Matter-Antimatter” เพิ่มเติมในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#19 สสาร-ปฏิสสาร (Matter-Antimatter)

การแผ่รังสีฮอว์คิงและการระเหยของหลุมดำ

ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ใช้ทฤษฎีสนามควอนตัมแสดงให้เห็นว่าอนุภาคและพลังงานสามารถหลบหนีจากหลุมดำได้อย่างไร จากมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัม ความผันผวนของพลังงานในสูญญากาศ (Vacuum fluctuation) ทำให้เกิดการสร้างคู่อนุภาคเสมือนของสสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) ซึ่งเกิดขึ้นตลอดเวลาในพื้นที่ว่างเปล่า โดยปกติคู่เหล่านี้ทำลายล้างซึ่งกันและกันและหายไปในทันที ฮอว์คิงแสดงให้เห็นว่าสนามความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งรอบหลุมดำสามารถส่งผลกระทบต่อการก่อตัวของ matter-antimatter ได้อย่างไร

ฮอว์คิงตั้งสมมติฐานว่าถ้าคู่เหล่านี้ปรากฎขึ้นใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ของหลุมดำ พวกมันจะถูกดึงออกจากกันโดยแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งของหลุมดำ ปฏิสสารที่มีพลังงานลบ (antimatter เช่น โพซิตรอน) จะตกลงไปในหลุมดำ ในขณะที่สสารที่มีพลังงานบวก (matter เช่น อิเล็กตรอน) สามารถหนีออกไปจากหลุมดำและข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์โดยแบกพลังงานที่แท้จริงออกไป และจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีที่อ่อนมากที่เรียกว่า “รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)” ซึ่งเกือบเหมือนกับการแผ่รังสีของวัตถุดำ ทำให้หลุมดำ “เรืองแสง” ผลของการแผ่รังสีฮอว์คิงทำให้หลุมดำสูญเสียมวลและพลังงานอย่างช้าๆ และระเหยไปตามกาลเวลา ด้วยเหตุนี้หลุมดำที่สูญเสียมวลมากกว่าที่ได้รับมวลด้วยวิธีการอื่นจึงคาดว่าจะมีขนาดเล็กลง จนกระทั่งถึงจุดที่สูญเสียมวลทั้งหมดและระเหยหายไปอย่างสมบูรณ์ในที่สุด

linkedin.com

Becky Hill – Space

การคำนวณของฮอว์คิงแสดงให้เห็นว่า อุณหภูมิของการแผ่รังสีฮอว์คิงจะแปรผกผันกับมวลของหลุมดำ หลุมดำที่มีมวลมากกว่าหรือหนักกว่าจะปล่อยรังสีฮอว์คิงที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและพลังงานต่ำกว่า จึงสูญเสียมวลช้ากว่าและมีชีวิตอยู่ได้นานกว่า 

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กลง อัตราการสูญเสียมวลและการระเหยจะเร็วขึ้นเนื่องจากการแผ่รังสีฮอว์กิง ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎีว่า “หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)” (เป็นหลุมดำขนาดเล็กที่ถูกสร้างขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีความหนาแน่นสูงของจักรวาลยุคแรกหลังจากการระเบิดบิกแบง) ทั้งหมดจะระเหยไปแล้ว ไม่เคยมีการค้นพบหลุมดำขนาดเล็กเช่นนี้มาก่อน แน่นอนว่าพวกมันจะมองเห็นได้ยากมาก

ฮอว์คิงประมาณว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์ใดๆ ที่มีมวลน้อยกว่าประมาณ 10¹² กิโลกรัม การรั่วไหลของรังสีฮอว์คิงส่งผลให้พวกมันระเหยไปหมดในปัจจุบัน เขาเขียนว่า “หลุมดำที่มีมวลน้อยกว่า 10¹² กิโลกรัมจะระเหยไปในตอนนี้ เมื่อใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของชีวิตของหลุมดำ อัตราการปล่อยรังสีฮอว์คิงจะสูงมาก พลังงานประมาณ 10³⁰ erg จะถูกปล่อยออกมาใน 0.1 วินาที พวกมันจะระเบิดในตอนท้ายของชีวิต นี่เป็นการระเบิดที่ค่อนข้างเล็กตามมาตรฐานทางดาราศาสตร์ แต่เทียบเท่ากับระเบิดไฮโดรเจนประมาณ 1 ล้านเมกะตัน”

อย่างไรก็ตามไม่เคยมีการตรวจพบการมีอยู่ของรังสีฮอว์คิง เนื่องจากมันจางเกินไปที่เครื่องมือปัจจุบันของเราจะตรวจพบในอวกาศ มันปล่อยพลังงานสูงสุดเพียง 10^-29 วัตต์ซึ่งเป็นปริมาณที่น้อยมากอย่างไม่น่าเชื่อ คุณจะต้องจับพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาผ่านการแผ่รังสีฮอว์คิงจากหลุมดำที่มีพลังมากที่สุดเป็นเวลาสี่เดือน เพื่อให้เท่ากับพลังงานที่โฟตอนปกติหนึ่งตัวที่เหลืออยู่ในวันนี้จากบิกแบง มีแบบจำลองที่คล้ายคลึงกันไม่กี่แบบที่สามารถจำลองปรากฏการณ์นี้ได้สำเร็จในสภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการ แต่ใช้คลื่นแสงหรือคลื่นเสียงแทนคลื่นความโน้มถ่วงของหลุมดำ มีความหวังว่า Large Hadron Collider ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ซึ่งมีพลังงานสูงกว่าจะสามารถสร้างหลุมดำขนาดเล็กพิเศษที่กินเวลาเพียงเสี้ยววินาที และให้คำตอบที่ชัดเจนยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการแผ่รังสีฮอว์คิง แต่สำหรับตอนนี้ยังไม่มีการสังเกตโดยตรงสำหรับการแผ่รังสีฮอว์คิง ดังนั้นจึงยังมีข้อโต้แย้งทางทฤษฎีว่ารังสีฮอว์คิงมีอยู่จริงหรือไม่

• Facebook
• Twitter
• Line