กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#32 ความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) ซึ่งอธิบายว่าความโน้มถ่วงทำงานอย่างไร เป็นแนวคิดที่ว่าวัตถุขนาดใหญ่ของจักรวาล เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี่ จะทำให้อวกาศ-เวลารอบตัวโค้งงอ และนั่นเป็นตัวกำหนดว่าวัตถุเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในอวกาศ

ส่วนกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) เป็นข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของจักรวาลในระดับที่เล็กที่สุด นั่นคืออนุภาคขนาดเล็ก เช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอน เคลื่อนที่และเชื่อมต่อกันอย่างไร หากคุณต้องการทราบว่าอะตอมเกาะกันอย่างไร หลักการสำคัญของกลศาสตร์ควอนตัมคือหากคุณรู้สถานะปัจจุบันของระบบใดๆ คุณก็จะรู้ทุกสิ่งที่ควรรู้เกี่ยวกับอดีตและอนาคตของมัน

ทั้งสองทฤษฎีมีความแข็งแกร่งซึ่งได้รับการสนับสนุนจากวิทยาศาสตร์และการสังเกตมากมาย นี่คือสองเสาหลักที่ฟิสิกส์วางอยู่ในขณะนี้ แต่ดูเหมือนทฤษฎีทั้งสองจะขัดแย้งกัน แต่สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) พบวิธีที่จะนำ “ใหญ่” และ “เล็ก” มารวมกัน เขามองดูสิ่งที่เกิดขึ้นรอบๆ วัตถุขนาดมหึมาซึ่งเป็นวัตถุที่มีความโน้มถ่วงมากมาย ในระดับที่เล็กมาก Hawking วิเคราะห์ว่าอนุภาคมีปฏิกิริยาอย่างไรที่ขอบหลุมดำหรือที่เรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon)  เขตแดนนี้มักเรียกกันว่า “จุดไม่หวนกลับ” เมื่อคุณข้ามเขตแดนนี้ไป คุณจะเข้าไปในหลุมดำโดยไม่สามารถย้อนกลับขึ้นมา เว้นแต่คุณจะหาวิธีเดินทางได้เร็วกว่าแสง

cosmological.in

ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ได้ทำนายที่มีชื่อเสียงที่สุดเรื่องหนึ่งของเขาว่า หลุมดำไม่ได้คงอยู่ตลอดไป ตามทฤษฎีของ Hawking หลุมดำไม่ใช่ “สีดำ” อย่างสมบูรณ์แบบ Hawking แสดงให้เห็นว่า คู่อนุภาคเสมือนของสสาร-ปฏิสสาร (matter-antimatter) ที่ถูกสร้างขึ้นเนื่องจากความผันผวนของควอนตัมใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) จะถูกแยกออกจากกัน อนุภาคหนึ่งจะตกลงไปในหลุมดำในขณะที่อีกอนุภาคหนึ่งจะหลบหนีไปได้และนำพลังงานออกจากหลุมดำ ซึ่งจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีความร้อนที่อ่อนมากอย่างช้าๆ กระบวนการนี้เรียกว่า “การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)” ทำให้หลุมดำ “เรืองแสง” พลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสีฮอว์คิงจะทำให้หลุมดำมีมวลลดลงอย่างช้าๆ และระเหยไปตามกาลเวลา จนกระทั่งถึงจุดที่สูญเสียมวลทั้งหมดและระเหยหายไปอย่างสมบูรณ์ในที่สุด

สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการแผ่รังสีฮอว์คิงในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#31 การแผ่รังสีฮอว์คิง

Reik, Farruko, Camilo – Si Me Dices Que Sí

Black hole information paradox

bbc.com

ทุกสิ่งในจักรวาลของเราประกอบด้วยอะตอมซึ่งประกอบด้วยอนุภาคเช่น อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน “ข้อมูลควอนตัม” เป็นความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางควอนตัมของอนุภาคเหล่านี้ เช่น ตำแหน่งและความเร็วของอนุภาค การหมุน ประจุไฟฟ้า และสิ่งอื่นๆ ของอนุภาค กล่าวง่ายๆ คือ ข้อมูลควอนตัมคือความรู้เกี่ยวกับการจัดเรียงของอนุภาคที่เป็นองค์ประกอบหลักเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น เลโก้ชิ้นเดียวกันสามารถนำไปสร้างสะพานและบ้านได้ สิ่งเดียวที่เปลี่ยนไปคือการจัดเรียงของเลโก้ ข้อมูลคือสิ่งที่เปลี่ยนแปลงระหว่างสองร่าง

ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของวัตถุเหล่านี้ในทางทฤษฎีจะช่วยให้เราสามารถสร้างมันขึ้นมาใหม่ได้ ไม่ว่าเราจะทำอะไรกับวัตถุก็ตาม ข้อมูลนี้จะไม่สูญหายและมีอยู่เสมอในจักรวาลของเรา ตัวอย่างเช่น หากเราเผาขยะชิ้นหนึ่ง ซากยังคงมีข้อมูลควอนตัม ซึ่งอาจทำให้เราสามารถสร้างขยะชิ้นเดียวกันได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม เช่นเดียวกับการแตกโมเดลเลโก้ออกเป็นชิ้นส่วน แต่สร้างอีกครั้งโดยใช้กระบวนการที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

กฎว่าด้วยการอนุรักษ์ข้อมูลควอนตัม (Law of conservation of quantum information) ในกลศาสตร์ควอนตัมระบุว่า “ข้อมูลสามารถสร้างหรือถ่ายโอนได้ แต่ไม่สามารถทำลายได้”

อย่างไรก็ตามการแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation) ดูเหมือนจะละเมิดกฎพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม รังสีที่แผ่ออกมาจากหลุมดำจะมีความร้อนอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีข้อมูลของสิ่งที่ตกลงไปในหลุมดำ เนื่องจากการแผ่รังสีนี้ถูกสร้างขึ้นในบริเวณใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) เมื่อหลุมดำระเหยหายไปอย่างสมบูรณ์ ข้อมูลจักรวาลวิทยาทั้งหมดของสสารและพลังงานที่เข้าไปในหลุมดำก็จะหายไปด้วย ซึ่งขัดแย้งกับหลักการของฟิสิกส์ควอนตัมที่ข้อมูลไม่สามารถทำลายหรือสูญหายได้

ดังนั้นการแผ่รังสีฮอว์คิงก่อให้เกิดปัญหาใหม่ที่เรียกว่า “ความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ (Black hole information paradox)” ที่เกิดขึ้นจากการแสวงหาฟิสิกส์ใหม่ซึ่งเป็น “ทฤษฎีของทุกสิ่ง (Theory of Everything)” ที่สามารถรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม ปัญหานี้ทำให้นักฟิสิกส์สับสนและถกเถียงมานานหลายทศวรรษ

Regard, Troye Sivan, Tate McRae – You

การแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ 

ตอนนี้ปัญหา “ความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ (Black hole information paradox)” ยังไม่มีความกระจ่าง มีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ที่เป็นไปได้มากมายสำหรับคำถามที่ว่า “ข้อมูลทั้งหมดนี้ไปอยู่ที่ไหน”

หลุมดำเก็บข้อมูลเป็นโฮโลแกรมที่ Event horizon

forbes.com

เราทุกคนรู้ดีว่า “โฮโลแกรม (Hologram)” คืออะไร – ภาพ 3 มิติที่สร้างขึ้นจากการฉายภาพ อันที่จริงมันเป็น 2 มิติ แต่สำหรับเราดูเหมือนจะเป็น 3 มิติ จักรวาลของเราอาจมีพฤติกรรมในลักษณะเดียวกัน

หนึ่งในวิธีแก้ปัญหาที่แปลกประหลาดสำหรับความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ คือหลุมดำอาจไม่ใช่ “หลุม” เลย แต่เป็นพื้นผิว 2 มิติที่แปลกประหลาด เมื่อเราพูดว่าสองมิติมันไม่เหมือนภาพแบนบนหน้าจอโทรทัศน์ของเรา แต่สองมิติในที่นี้ก็เหมือนกับโฮโลแกรม โดยมีการบันทึกข้อมูล 3 มิติไว้บนพื้นผิว 2 มิติ นี่อาจหมายความว่าสิ่งที่เราคิดว่าเป็นหลุมดำ 3 มิติอาจเป็นภาพลวงตา และจริงๆ แล้วอาจเป็นแค่ 2 มิติเช่นเดียวกับโฮโลแกรม

นักฟิสิกส์บางคนเชื่อว่าเราอาศัยอยู่ในจักรวาลโฮโลแกรม จักรวาลที่เราเห็นรอบตัวเราเป็น 2 มิติได้จริงหรือ? ความคิดนี้อาจดูน่าหัวเราะ แต่จักรวาลได้แสดงให้เห็นก่อนที่มันจะเป็นสถานที่ที่แปลกประหลาดมาก ในกรณีนี้ความขัดแย้งที่แปลกประหลาดซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่ “หลุมดำ” แสดงให้เห็นว่ามีช่องว่างในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม และช่องว่างนี้อาจหมายความว่าเราอาศัยอยู่ในจักรวาล 2 มิติจริงๆ

vox.com

นักฟิสิกส์ถกเถียงกันมานานแล้วว่า เกิดอะไรขึ้นกับข้อมูลของสิ่งต่างๆ ที่หลุมดำกลืนเข้าไป การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation) หากเป็นจริง ข้อมูลจะถูกทำลาย แต่กลับกลายเป็นว่าสิ่งนี้ละเมิดกฎของฟิสิกส์ควอนตัมที่ว่าข้อมูล เช่น พลังงานไม่สามารถถูกทำลายได้

ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ได้นำแนวคิดเรื่องการแผ่รังสีฮอว์คิงมาใช้ ในตอนแรก Hawking คิดว่ารังสีนี้ไม่มีข้อมูลใดๆ จากภายในหลุมดำ แต่เขาได้เปลี่ยนความคิดในเวลาต่อมา

ในการประชุมที่กรุงสต็อกโฮล์ม ประเทศสวีเดน เมื่อปี 2015 Hawking ประกาศว่าเขาสามารถแก้ไข “ความขัดแย้งของข้อมูลหลุมดำ (Black hole information paradox)” ซึ่งเป็นปัญหาที่มีมาช้านานในฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Hawking กล่าวว่า ข้อมูลทางกายภาพไม่ได้ถูกทำลายโดยหลุมดำ เพราะมันไม่เคยผ่านเข้าไปข้างใน แต่ถูกกักไว้ในขอบเขตของมัน-ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งเป็นประตูเข้าสู่หลุมดำ ที่ขอบเขตนี้ข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับสสารและพลังงานถูกเข้ารหัสเป็นโฮโลแกรม (Hologram) บนพื้นผิว 2 มิติ ซึ่งสามารถสร้างภาพ 3 มิติได้

และการแผ่รังสีฮอว์คิงอาจเป็นตัวนำพาข้อมูลหลบหนีจากหลุมดำ Hawking กล่าวว่า “หลุมดำไม่ได้เป็นสีดำเหมือนที่วาดไว้ พวกมันไม่ใช่เรือนจำชั่วนิรันดร์ดังที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิดไว้ สิ่งต่างๆ สามารถออกมาจากหลุมดำได้ และอาจหลุดออกไปในจักรวาลอื่นได้”

แนวคิดของฮอว์คิงไม่ใช่เรื่องใหม่ ที่ผ่านมาแบบจำลองจักรวาลโฮโลแกรมได้รับการศึกษาโดยนักฟิสิกส์หลายร้อยคน แนวคิดนี้ถูกเสนอเป็นครั้งแรกโดย Gerard ‘t Hooft และ Susskind นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ในช่วงกลางทศวรรษที่ 90 ที่เชื่อว่าจักรวาลรวมทั้งหลุมดำเป็นโฮโลแกรม ไม่มีสิ่งใดที่พิสูจน์ได้ว่าพวกมันเป็นโฮโลแกรม แต่ในช่วงต้น Susskind กล่าวว่า นักฟิสิกส์ยอมรับว่าการมองจักรวาลทั้งหมดเป็นวัตถุ 2 มิติที่มีลักษณะเป็น 3 มิติอาจช่วยแก้ปัญหาที่ลึกซึ้งในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีได้ และคณิตศาสตร์ก็ใช้ได้เช่นกัน ไม่ว่าคุณจะพูดถึงหลุมดำ ดาวเคราะห์ หรือทั้งจักรวาล

Zara Larsson – WOW

• Facebook
• Twitter
• Line