ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#51 บทที่ 8 กำเนิดและชะตากรรมของจักรวาล : การสร้างและการทำลายล้างอนุภาค (Pair Production and Annihilation)
เพื่ออธิบายความคิดที่ผมและคนอื่นๆ มีเกี่ยวกับวิธีที่กลศาสตร์ควอนตัมอาจส่งผลต่อต้นกำเนิดและชะตากรรมของจักรวาล ก่อนอื่น จำเป็นที่จะต้องเข้าใจประวัติศาสตร์ของจักรวาลที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “Hot Big Bang Model” ซึ่งจักรวาลถูกอธิบายโดยแบบจำลองของฟรีดมันน์ (Friedmann model) ที่ย้อนกลับไปที่บิกแบง (Big Bang) ในแบบจำลองดังกล่าว เราพบว่าเมื่อจักรวาลขยายตัว อุณหภูมิของสสารและการแผ่รังสีในจักรวาลจะลดลง (เมื่อจักรวาลมีขนาดใหญ่ขึ้นเป็นสองเท่า อุณหภูมิของจักรวาลจะลดลงครึ่งหนึ่ง) เนื่องจากอุณหภูมิเป็นการวัดพลังงานเฉลี่ย—หรือความเร็ว—ของอนุภาค การเย็นลงของจักรวาลนี้จะมีผลอย่างมากต่อสสารในนั้น ที่อุณหภูมิสูงมาก อนุภาคจะเคลื่อนที่ไปรอบๆ อย่างรวดเร็ว จนสามารถหลีกเลี่ยงการดึงดูดซึ่งกันและกันอันเนื่องจากแรงนิวเคลียร์หรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่เมื่อเย็นตัวลง อนุภาคที่ดึงดูดซึ่งกันและกันจะเริ่มรวมตัวกันเป็นก้อน ยิ่งกว่านั้น อุณหภูมิมีผลต่อประเภทของอนุภาคที่มีอยู่ในจักรวาล ที่อุณหภูมิสูงพอ คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาค (particle/antiparticle pairs) ที่แตกต่างกันจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้น—และแม้ว่าอนุภาคเหล่านี้บางส่วนจะถูกทำลายล้างเมื่อชนกัน แต่คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจะถูกสร้างขึ้นเร็วกว่าที่พวกมันจะทำลายล้างกัน อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง คู่ของอนุภาค/ปฏิอนุภาคจะถูกสร้างได้ช้าลง และการทำลายล้างจะเร็วกว่าการสร้าง Ed Sheeran – Put It All On Me (feat. Ella Mai) […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#50 บทที่ 8 กำเนิดและชะตากรรมของจักรวาล : The Big Crunch จุดจบของจักรวาล?
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (Einstein’s theory of general relativity) ทำนายว่าอวกาศ-เวลา (space-time) เริ่มต้นที่ภาวะเอกฐานของบิกแบง (Big bang singularity) และจะสิ้นสุดลงที่ภาวะเอกฐานของบิกครันช์ (Big crunch singularity) (หากทั้งจักรวาลสลายตัว) หรือที่ภาวะเอกฐาน (singularity) ภายในหลุมดำ (ภูมิภาคท้องถิ่น เช่น ดาวยุบตัว) วัตถุใดๆ ก็ตามที่ตกลงไปในหลุมดำจะถูกทำลายที่ภาวะเอกฐาน และมีเพียงผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมวลสารเท่านั้นที่จะสัมผัสได้จากภายนอกหลุมดำ ในทางกลับกัน เมื่อพิจารณาผลกระทบของควอนตัม ดูเหมือนว่าในที่สุดมวลและพลังงานของสสารจะถูกส่งกลับคืนสู่จักรวาล และหลุมดำพร้อมกับภาวะเอกฐานในตัวมัน ก็จะระเหยออกไป และหายไปในที่สุด กลศาสตร์ควอนตัมสามารถมีผลกระทบอย่างมากต่อภาวะเอกฐานของบิกแบง (Big bang singularity) และภาวะเอกฐานของบิกครันช์ (Big crunch singularity) หรือไม่? เกิดอะไรขึ้นจริงๆ ในช่วงแรกหรือช่วงปลายของจักรวาลเมื่อสนามโน้มถ่วงรุนแรงจนไม่สามารถละเลยผลกระทบควอนตัมได้ ความจริงแล้วจักรวาลมีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุดหรือไม่? และถ้าเป็นเช่นนั้นพวกมันจะเป็นอย่างไร? The Big Crunch จุดจบของจักรวาล? เราทุกคนรู้เกี่ยวกับทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) อยู่แล้ว […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#49 บทที่ 7 หลุมดำไม่ใช่สีดำ : การค้นหารังสีฮอว์คิงจากหลุมดำดึกดำบรรพ์
ยิ่งหลุมดำมีมวลน้อยเท่าใด อุณหภูมิก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เมื่อหลุมดำสูญเสียมวล อุณหภูมิและอัตราการแผ่รังสีของหลุมดำจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงสูญเสียมวลเร็วขึ้น จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมวลของหลุมดำมีขนาดเล็กมากนั้นไม่ชัดเจนนัก แต่การคาดเดาที่สมเหตุสมผลที่สุดคือมันจะหายไปอย่างสิ้นเชิงในการระเบิดครั้งใหญ่ครั้งสุดท้ายที่เทียบเท่ากับการระเบิดของ H-bombs หลายล้านลูก หลุมดำที่มีมวลไม่กี่เท่าของดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิเพียงหนึ่งในสิบล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งน้อยกว่าอุณหภูมิของการแผ่รังสีไมโครเวฟที่ปกคลุมจักรวาล (ประมาณ 2.7° เหนือศูนย์สัมบูรณ์) ดังนั้นหลุมดำดังกล่าวจะปล่อยรังสีน้อยกว่าที่พวกมันดูดซับไว้ อุณหภูมิของหลุมดำต่ำมากจนต้องใช้เวลาประมาณหนึ่งล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านปี (1066 ปี) ในการระเหยอย่างสมบูรณ์ ซึ่งยาวนานกว่าอายุของจักรวาลมาก ซึ่งก็คือประมาณหนึ่งหมื่นหรือสองหมื่นล้านปี (1010 ปี) เท่านั้น ในทางกลับกัน ดังที่กล่าวไว้ในบทที่ 6 อาจมีหลุมดำดึกดำบรรพ์ (primordial black holes) ที่มีมวลน้อยกว่ามาก ที่ก่อตัวขึ้นจากการล่มสลายของสิ่งผิดปกติในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล หลุมดำดังกล่าวจะมีอุณหภูมิที่สูงมากและจะปล่อยรังสีออกมาในอัตราที่สูงมาก หลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีมวลเริ่มต้นพันล้านตันจะมีอายุขัยโดยประมาณเท่ากับอายุของจักรวาล หลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีมวลตั้งต้นน้อยกว่าตัวเลขนี้จะระเหยไปหมดแล้ว แต่หลุมดำที่มีมวลมากกว่าเล็กน้อยจะยังคงแผ่รังสีออกมาในรูปของรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา รังสีเอกซ์และรังสีแกมมาเหล่านี้เปรียบเสมือนคลื่นแสง แต่มีความยาวคลื่นสั้นกว่ามาก หลุมดำดังกล่าวแทบจะไม่สมควรได้รับฉายาว่าเป็นสีดำ: อันที่จริงพวกมันเป็นสีขาวร้อนและปล่อยพลังงานในอัตราประมาณหนึ่งหมื่นเมกะวัตต์ หลุมดำดึกดำบรรพ์แห่งหนึ่งสามารถดำเนินงานโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้ 10 แห่ง ถ้าเราสามารถควบคุมพลังของมันได้ อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้ค่อนข้างยาก: หลุมดำมีมวลเท่าภูเขาที่ถูกบีบอัดให้มีขนาดเท่ากับนิวเคลียสของอะตอม! หากคุณมีหลุมดำเหล่านี้บนพื้นผิวโลก จะไม่มีทางหยุดยั้งไม่ให้มันตกลงจากพื้นสู่ใจกลางโลก มันจะแกว่งไปมาบนพื้นโลกและกลับสู่ศูนย์กลางในที่สุด ดังนั้น ที่เดียวที่จะมีหลุมดำแบบนี้ […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#48 บทที่ 7 หลุมดำไม่ใช่สีดำ : รังสีจากหลุมดำหรือรังสีฮอว์คิง
ในเดือนกันยายน 1973 ระหว่างที่ผมไปเยือนมอสโก ผมได้พูดคุยเรื่องหลุมดำกับผู้เชี่ยวชาญที่มีชื่อเสียงของสหภาพโซเวียตสองคน คือ ยาคอฟ เซลโดวิช (Yakov Zeldovich) และอเล็กซานเดอร์ สตาร์โรบินสกี้ (Alexander Starobinsky) พวกเขาทำให้ผมเชื่อว่า ตามหลักการความไม่แน่นอนของควอนตัม หลุมดำที่หมุนได้ (rotating black holes) ควรสร้างและปล่อยอนุภาคออกมา ผมเชื่อแนวคิดนี้ของพวกเขาบนพื้นฐานทางกายภาพ แต่ผมไม่ชอบวิธีทางคณิตศาสตร์ที่พวกเขาคำนวณการปล่อยอนุภาค ดังนั้นผมจึงเริ่มคิดค้นวิธีทางคณิตศาสตร์ที่ดีขึ้น ซึ่งผมอธิบายไว้ในการสัมมนาแบบไม่เป็นทางการในอ็อกซ์ฟอร์ดเมื่อปลายเดือนพฤศจิกายน 1973 ในขณะนั้น ผมไม่ได้ทำการคำนวณเพื่อหาว่าจริง ๆ แล้วหลุมดำจะปล่อยอนุภาคออกมาเท่าไร ผมเพียงคาดหวังว่าจะค้นพบการแผ่รังสีจากหลุมดำที่หมุนได้ตามที่เซลโดวิชและสตาร์โรบินสกี้ทำนายไว้ อย่างไรก็ตาม เมื่อผมคำนวณ ผมประหลาดใจและรำคาญใจว่า แม้แต่หลุมดำที่ไม่หมุนก็ยังสามารถสร้างและปล่อยอนุภาคในอัตราคงที่อย่างเห็นได้ชัด ตอนแรกผมคิดว่าการปล่อยอนุภาคนี้บ่งชี้ว่าการคำนวณของผมไม่ถูกต้อง ผมกลัวว่าถ้าเจคอบ เบเคนสไตน์ (Jacob Bekenstein) รู้เรื่องนี้ เขาจะใช้เป็นข้อโต้แย้งเพิ่มเติมเพื่อสนับสนุนความคิดของเขาเกี่ยวกับเอนโทรปีของหลุมดำ ซึ่งผมไม่ชอบเลย อย่างไรก็ตาม ยิ่งผมคิดเกี่ยวกับมันมากเท่าไร ก็ยิ่งดูเหมือนว่าควรจะยึดถือการคำนวณที่ได้ไห้มากเท่านั้น แต่ในที่สุดสิ่งที่ทำให้ผมเชื่อว่าหลุมดำมีการแผ่รังสีจริงก็คือสเปกตรัมของอนุภาคที่ปล่อยออกมานั้นเหมือนกับสิ่งที่ถูกปล่อยออกมาจากวัตถุที่ร้อน และหลุมดำก็ปล่อยอนุภาคออกมาในอัตราที่ถูกต้องอย่างแน่นอนเพื่อป้องกันการละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ (Second law of thermodynamics) ตั้งแต่นั้นมา คนอื่นๆ ก็ได้ทำการคำนวณซ้ำในรูปแบบต่างๆ มากมาย […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#47 บทที่ 7 หลุมดำไม่ใช่สีดำ : ทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอว์คิงและเอนโทรปีของหลุมดำ
ก่อนปี 1970 งานวิจัยของผมเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้มุ่งเน้นไปที่คำถามที่ว่ามีภาวะเอกฐานของบิกแบง (Big Bang singularity) หรือไม่ อย่างไรก็ตาม เย็นวันหนึ่งในเดือนพฤศจิกายนของปีนั้น ไม่นานหลังจากที่ลูซี ลูกสาวของผมเกิด ผมเริ่มคิดถึงหลุมดำขณะกำลังเข้านอน ความพิการของผมทำให้กระบวนการนี้ค่อนข้างช้า ผมจึงมีเวลาเหลือเฟือ ในขณะนั้นไม่มีคำจำกัดความที่แน่นอนว่าจุดใดในอวกาศ-เวลาอยู่ภายในและภายนอกหลุมดำ ผมได้พูดคุยกับโรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) เกี่ยวกับแนวคิดในการกำหนดหลุมดำว่าเป็นชุดของเหตุการณ์ที่ไม่มีสิ่งใดสามารถหลบหนีจากมันได้ ซึ่งปัจจุบันเป็นคำจำกัดความที่ยอมรับกันโดยทั่วไป หมายความว่าขอบของหลุมดำซึ่งเป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) เกิดขึ้นจากรังสีของแสงที่ไม่อาจหนีจากหลุมดำได้ แต่พวกมันจะคงอยู่ตลอดไปโดยโฉบอยู่บนขอบหลุมดำตลอดไป (รูปที่ 7.1) มันเหมือนวิ่งหนีตำรวจและแค่ล้ำหน้าไปหนึ่งก้าวแต่หลบไม่พ้น! ทันใดนั้นผมก็ตระหนักว่าเส้นทางของแสงเหล่านี้ไม่สามารถเข้าใกล้กันได้ เพราะถ้าเป็นเช่นนั้น ในที่สุดพวกมันก็ต้องวิ่งเข้าหากัน มันเหมือนกับการพบคนอื่นที่วิ่งหนีตำรวจในทิศทางตรงกันข้าม – คุณทั้งคู่จะถูกจับ! (หรือในกรณีนี้ ตกลงไปในหลุมดำ) แต่ถ้ารังสีแสงเหล่านี้ถูกหลุมดำกลืนเข้าไป พวกมันก็ไม่สามารถอยู่บนขอบของหลุมดำได้ ดังนั้นเส้นทางของรังสีของแสงในขอบฟ้าเหตุการณ์จึงต้องเคลื่อนที่ขนานหรือห่างจากกันเสมอ อีกวิธีหนึ่งในการดูสิ่งนี้คือขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งเป็นขอบของหลุมดำ เป็นเหมือนขอบของเงา เป็นขอบของแสงสว่างแห่งการหลีกหนีไปสู่ความไกลโพ้น แต่ก็เป็นเงาแห่งความหายนะที่กำลังจะเกิดขึ้น หากมองดูเงาที่เกิดจากแหล่งกำเนิดในระยะไกล เช่น ดวงอาทิตย์ จะเห็นว่ารัศมีของแสงที่ขอบไม่เข้าใกล้กัน หากรังสีของแสงที่ก่อตัวเป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ซึ่งเป็นขอบเขตของหลุมดำ ไม่สามารถเข้าใกล้กัน พื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์จะคงเดิมหรือเพิ่มขึ้นตามเวลา มันไม่มีทางลดลงเลย เพราะนั่นจะหมายความว่า […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#46 บทที่ 6 หลุมดำ : หลุมดำมวลยิ่งยวดและหลุมดำดึกดำบรรพ์
ขณะนี้ เรามีหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำอื่นๆ หลายแห่ง อย่างเช่น Cygnus X-l ในกาแล็กซี่ของเรา และในกาแล็กซี่ใกล้เคียงสองแห่งที่เรียกว่า เมฆแมกเจลแลน (Magellanic clouds) อย่างไรก็ตาม จำนวนของหลุมดำนั้นค่อนข้างจะมีสูงมากอย่างแน่นอน ด้วยอายุอันยาวนานของจักรวาล ดาวฤกษ์จำนวนมากเผาผลาญเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทั้งหมดและยุบตัวลงเป็นหลุมดำ ดังนั้นจำนวนหลุมดำอาจมีมากกว่าจำนวนดาวที่มองเห็นได้ ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราเพียงแห่งเดียวอาจมีหลุมดำประมาณหนึ่งแสนล้านหลุม แรงดึงดูดมหาศาลของหลุมดำจำนวนมากเช่นนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมกาแล็กซี่ของเราจึงหมุนด้วยความเร็วที่มันทำได้: มวลของดาวที่มองเห็นได้ไม่เพียงพอสำหรับสิ่งนี้ นอกจากนี้เรายังมีหลักฐานว่ามีหลุมดำขนาดใหญ่มากที่ใจกลางกาแล็กซี่ของเรา ซึ่งมีมวลประมาณหนึ่งแสนเท่าของดวงอาทิตย์ ดาวในกาแล็กซี่ที่เข้ามาใกล้หลุมดำนี้มากเกินไปจะแตกออกจากกันโดยความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงทั้งด้านใกล้และไกล ซากของพวกมันและก๊าซที่ถูกขับออกจากดวงดาวจะตกลงสู่หลุมดำ ในกรณีของ Cygnus X-l ก๊าซจะหมุนวนเข้าด้านในและจะร้อนขึ้น แม้ว่าจะไม่ร้อนพอที่จะปล่อยรังสีเอ็กซ์ แต่มันสามารถอธิบายแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุและรังสีอินฟราเรดซึ่งตรวจจับได้ที่ใจกลางกาแล็กซี่ มีหลุมดำขนาดใหญ่ซึ่งมีมวลประมาณหนึ่งร้อยล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นที่ใจกลางของควาซาร์ (quasar) ตัวอย่างเช่น การสังเกตการณ์กาแล็กซี่ที่เรียกว่า M87 ด้วยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล เผยให้เห็นว่ามีหลุมดำซึ่งมีมวลเป็นสองพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี่นี้และมีก๊าซที่หมุนวนรอบหลุมดำเป็นแผ่นดิสก์สะสมมวล สสารที่ตกลงสู่หลุมดำขนาดมหึมานั้นจะเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวที่ดีพอที่จะอธิบายพลังงานจำนวนมหาศาลที่วัตถุเหล่านี้ปล่อยออกมา เมื่อสสารหมุนวนเข้าไปในหลุมดำ มันจะทำให้หลุมดำหมุนไปในทิศทางเดียวกับที่สสารโคจรรอบมัน ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กอันทรงพลัง อนุภาคพลังงานสูงมากจะถูกสร้างขึ้นใกล้กับหลุมดำ สนามแม่เหล็กจะทรงพลังมากจนสามารถเหวี่ยงอนุภาคพนังงานสูงเหล่านี้เป็นไอพ่นที่พุ่งออกไปด้านนอกตามแกนการหมุนของหลุมดำ นั่นคือ ในทิศทางของขั้วเหนือและใต้ ไอพ่นดังกล่าวพบเห็นได้ในกาแล็กซี่และควาซาร์จำนวนหนึ่ง มีความเป็นไปได้ที่อาจมีหลุมดำที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์มาก หลุมดำดังกล่าวไม่สามารถก่อตัวขึ้นได้จากการยุบตัวของดาวฤกษ์โดยแรงโน้มถ่วง เนื่องจากมวลของพวกมันอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดจันทรเสกขา (Chandrasekhar limit): ดาวฤกษ์ที่มีมวลต่ำนี้สามารถต้านทานแรงโน้มถ่วงได้แม้ว่าพวกมันจะใช้พลังงานนิวเคลียร์หมด หลุมดำมวลต่ำสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสสารถูกบีบอัดให้มีความหนาแน่นมหาศาลด้วยแรงกดดันจากภายนอกที่มีขนาดใหญ่มาก […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#45 บทที่ 6 หลุมดำ : Cygnus X-1 หลุมดำแห่งแรกที่ค้นพบ
เราหวังที่จะตรวจพบหลุมดำ (black hole) ได้อย่างไร เนื่องจากมันไม่ปล่อยแสงออกมาเลย? อาจดูเหมือนเรากำลังมองหาแมวดำในห้องถ่านหินใต้ดิน โชคดีที่มีวิธี ดังที่จอห์น มิเชลล์ (John Michell) ชี้ให้เห็นในรายงานการศึกษาของเขาในปี 1783 ว่าเราสามารถวัดผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำที่มีต่อวัตถุรอบๆ ตัวมันได้ นักดาราศาสตร์ได้สังเกตระบบต่างๆ มากมายที่ดาวสองดวงโคจรรอบกันและกัน และดึงดูดเข้าหากันโดยแรงโน้มถ่วง พวกเขายังสังเกตระบบที่มีดาวดวงเดียวที่มองเห็นได้ซึ่งโคจรรอบดาวคู่หูที่มองไม่เห็น แน่นอนว่าเราไม่สามารถสรุปได้ทันทีว่าดาวคู่หูนั้นเป็นหลุมดำ มันอาจเป็นเพียงดาวฤกษ์ที่สลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้บางระบบ เช่น ระบบดาวคู่ที่เรียกว่า Cygnus X-l (รูปที่ 6.2) ก็เป็นแหล่งรังสีเอกซ์ที่แข็งแกร่งเช่นกัน คำอธิบายที่ดีที่สุดสำหรับปรากฏการณ์นี้ คือสสารถูกพัดพาออกจากพื้นผิวของดาวที่มองเห็นได้ เมื่อมันตกลงมาทางคู่หูที่มองไม่เห็น มันจะเกิดการเคลื่อนที่เป็นเกลียว (เหมือนน้ำที่ไหลออกจากอ่าง) และมันจะร้อนจัดและปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา (รูปที่ 6.3) เพื่อให้กลไกนี้ทำงาน วัตถุที่มองไม่เห็นจะต้องมีขนาดเล็กมาก อาจเป็น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำ จากวงโคจรของดาวที่มองเห็นได้ เราสามารถประมาณมวลที่ต่ำที่สุดของวัตถุที่มองไม่เห็นได้ ในกรณีของ Cygnus X-l มีมวลประมาณ 6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จากขีดจำกัดจันทรเสกขาร์ (Chandrasekhar limit) […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#44 บทที่ 6 หลุมดำ : การค้นพบควาซาร์และพัลซาร์
หลุมดำ (Black holes) เป็นหนึ่งในกรณีที่ค่อนข้างน้อยในประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์ ซึ่งทฤษฎีได้รับการพัฒนาอย่างละเอียดเพื่อเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ก่อนที่จะมีหลักฐานจากการสังเกตว่าทฤษฎีการมีอยู่ของหลุมดำนั้นถูกต้อง อันที่จริงสิ่งนี้เคยเป็นข้อโต้แย้งหลักของฝ่ายตรงข้ามที่ปฏิเสธการมีอยู่ของหลุมดำ: เราจะเชื่อในวัตถุที่มีหลักฐานเพียงอย่างเดียวได้อย่างไร การคำนวณในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่น่าสงสัย? อย่างไรก็ตาม ในปี 1963 มาร์เทน ชมิดท์ (Maarten Schmidt) นักดาราศาสตร์จากหอดูดาวพาโลมาร์ในแคลิฟอร์เนีย ได้ทำการวัดการเลื่อนไปทางแดง (redshift) ของวัตถุคล้ายดาวจางๆ หรือแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่เรียกว่า 3C273 (แหล่งที่มาหมายเลข 273 อยู่ในแค็ตตาล็อกที่สามของเคมบริดจ์) เขาพบว่าการเลื่อนไปทางแดงสูงเกินไปที่จะเกิดจากความโน้มถ่วง ถ้ามันเป็นการเลื่อนไปทางแดงอันเนื่องจากความโน้มถ่วง (Gravitational redshift) วัตถุจะต้องมีมวลมากและอยู่ใกล้เรามากจนไปรบกวนการโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการเลื่อนไปทางแดงเกิดจากการขยายตัวของจักรวาล ซึ่งหมายความว่าวัตถุนั้นต้องอยู่ห่างออกไปในระยะทางไกลมาก และการที่เรามองเห็นมันได้ในระยะไกลเช่นนี้ แสดงว่าวัตถุนั้นจะต้องสว่างมาก นั่นหมายความว่ามันต้องปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา กลไกเดียวที่วัตถุจะผลิตพลังงานปริมาณมากมหาศาลเช่นนี้ ดูเหมือนจะเป็นสาเหตุมาจากการยุบตัวอันเนื่องมาจากความโน้มถ่วง (gravitational collapse) ไม่ใช่แค่ดาวฤกษ์ที่ยุบตัวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงพื้นที่ส่วนกลางทั้งหมดของกาแล็กซีด้วย มีการค้นพบ “วัตถุกึ่งดาว (Quasi-stellar objects)” หรือควาซาร์ (Quasars) ที่คล้ายคลึงกันจำนวนหนึ่ง ซึ่งพวกมันทั้งหมดมีการเลื่อนไปทางแดงขนาดใหญ่ แต่พวกมันทั้งหมดอยู่ไกลเกินไป ดังนั้นจึงยากต่อการสังเกตที่จะให้หลักฐานที่แน่ชัดของหลุมดำ ควาซาร์ (Quasar) ควาซาร์ […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#43 บทที่ 6 หลุมดำ : คลื่นความโน้มถ่วงและทฤษฎีบทไม่มีขน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุมวลมากจะทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ที่เดินทางด้วยความเร็วแสง กระเพื่อมเป็นระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลา มันคล้ายกับคลื่นแสงซึ่งเป็นระลอกคลื่นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า แต่คลื่นความโน้มถ่วงจะถูกตรวจจับได้ยากกว่ามาก มีการสร้างเครื่องตรวจจับจำนวนหนึ่งในสหรัฐอเมริกา ยุโรป และญี่ปุ่น ที่มีความยาวแขนเป็นระยะทางมากกว่า 10 ไมล์ ซึ่งถูกออกแบบมาให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความยาวแขน ที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของนิวเคลียสของอะตอม (หนึ่งในหนึ่งพันล้านล้านล้าน) เช่นเดียวกับแสง คลื่นความโน้มถ่วงจะนำพาพลังงานออกจากวัตถุที่ปล่อยออกมา วัตถุเหล่านี้จะค่อยๆ สูญเสียพลังงานเมื่อคลื่นความโน้มถ่วงดึงพลังงานออกจากตัว ในที่สุดพลังงานจะหมดลงและมันจะตกลงสู่สภาวะนิ่ง (มันเหมือนกับการทิ้งจุกก๊อกลงไปในน้ำ: ในตอนแรกมันจะกระดกขึ้นลงมาก แต่เมื่อระลอกคลื่นพัดพาพลังงานออกไป มันก็จะตกลงสู่สภาพนิ่ง) ยกตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของโลกที่โคจรรอบดวงอาทิตย์จะปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาซึ่งนำพาพลังงานออกมาด้วย ผลกระทบของการสูญเสียพลังงานทำให้วงโคจรของโลกเกิดการเปลี่ยนแปลง ค่อยๆ เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดโลกชนกับดวงอาทิตย์ และตกลงสู่สภาวะนิ่ง อัตราการสูญเสียพลังงานในกรณีของโลกและดวงอาทิตย์นั้นต่ำมาก—ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมานั้นเพียงพอสำหรับการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าจะใช้เวลาประมาณหนึ่งพันล้านล้านล้านปีกว่าที่โลกจะวิ่งเข้าหาดวงอาทิตย์ ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลที่ต้องกังวลในขณะนี้! การเปลี่ยนแปลงในวงโคจรของโลกนั้นช้าเกินกว่าที่จะสังเกตได้ แม้ว่าไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วงในปี 1915 แต่ยังไม่มีการค้นพบหลักฐานของการมีอยู่ของคลื่นนี้ จนกระทั่งในปี 1974 J. H. Taylor และ R. A. Hulse นักดาราศาสตร์สองคนสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงด้วยวิธีทางอ้อมได้เป็นครั้งแรก เขาทั้งสองค้นพบระบบดาวคู่ PSR 1913+16 (PSR ย่อมาจาก “pulsar” […]
ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#42 บทที่ 6 หลุมดำ : สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล
งานที่โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) และผมร่วมกันศึกษาในระหว่างปี 1965 ถึง 1970 ได้แสดงให้เห็นว่า ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) จะต้องมีความหนาแน่นและความโค้งของอวกาศ-เวลาเป็นอนันต์ที่ภาวะเอกฐาน (singularity) ในใจกลางหลุมดำ สถาวะนี้คล้ายคลึงกับจุดเริ่มต้นของเวลาที่บิกแบง แต่เป็นจุดสิ้นสุดของเวลาสำหรับดวงดาวและนักบินอวกาศที่ยุบตัวลงที่ภาวะเอกฐาน ที่นี้กฎแห่งวิทยาศาสตร์และความสามารถของเราในการทำนายอนาคตได้พังทลายลง อย่างไรก็ตาม ผู้สังเกตการณ์ที่ยังคงอยู่นอกหลุมดำจะไม่ได้รับผลกระทบ เนื่องจากแสงหรือสัญญาณอื่นใดไม่สามารถหลบหนีจากภาวะเอกฐานมาถึงเขาได้ ข้อเท็จจริงที่น่าทึ่งนี้ทำให้ โรเจอร์ เพนโรส เสนอ “สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล (Cosmic censorship hypothesis)” ซึ่งอาจตีความได้ว่า “พระเจ้าเกลียดชังภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity)” กล่าวอีกนัยหนึ่ง ภาวะเอกฐานที่เกิดจากการยุบตัวของมวลโดยแรงโน้มถ่วงในใจกลางหลุมดำ ถูกซ่อนจากมุมมองที่อยู่ภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) นี่คือสิ่งที่เรียกว่า “สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาลที่อ่อนแอ (Weak cosmic censorship hypothesis)”: มันปกป้องผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นอกหลุมดำจากผลที่เกิดจากการพังทลายของการคาดการณ์ที่เกิดขึ้นที่ภาวะเอกฐาน แต่มันไม่ปกป้องนักบินอวกาศที่โชคร้ายที่ตกเข้าไปในหลุมดำ มีวิธีแก้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบางข้อ ซึ่งเป็นไปได้ที่นักบินอวกาศของเราจะมองเห็นภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity): เขาอาจจะสามารถหลีกเลี่ยงการตกไปชนกับภาวะเอกฐาน (singularity) โดยตกเข้าไปใน […]