Timeline : หลุมดำ (3)

ดร.บัญชา ธนบุญสมบัติhttps://www.facebook.com/buncha2509

Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

 

Timeline : หลุมดำ (3)

 

ในบทความตอนที่แล้ว ผมได้ให้ข้อมูลพัฒนาการทางความรู้เกี่ยวกับหลุมดำจนถึงปี 1939 แต่ปีนี้ยังมีเหตุการณ์สำคัญอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องหลุมดำ

1939 (2) : เจ. โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ (J. Robert Oppenheimer) และ จี.เอ็ม. โวลคอฟฟ์ (G.M. Volkoff) ตีพิมพ์บทความชื่อ On Massive Neutron Cores ในวารสาร Physical Review ฉบับวันที่ 15 กุมภาพันธ์ ค.ศ.1939 ข้อสรุปสำคัญของบทความนี้ คือ ค่าขีดจำกัดโทลแมน-ออปเพนไฮเมอร์-โวลคอฟฟ์ (Tolman-Oppenheimer-Volkoff limit) เรียกย่อว่า ค่าขีดจำกัด TOV ซึ่งเป็นค่ามวลสูงสุดที่ดาวนิวตรอนจะสามารถคงอยู่ได้ก่อนที่จะยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง โดยค่าขีดจำกัด TOV ตามทฤษฎีอยู่ระหว่าง 1.5 ถึง 3 เท่าของมวลของดวงอาทิตย์

บทความนี้จึงบ่งเป็นนัยถึงการก่อตัวหรือการมีอยู่ของหลุมดำ เนื่องจากว่าหลังจากหมดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ หากแกนกลางของดาวฤกษ์มีมวลมากกว่าค่าขีดจำกัด TOV แกนกลางนั้นก็จะต้องยุบตัวเกินกว่าขั้นตอนการเกิดดาวนิวตรอนนั่นคือ ยุบตัวลงอย่างต่อเนื่องและหลีกเลี่ยงไม่ได้ น่าสังเกตว่าบทความนี้จะไม่ได้ระบุถึงสิ่งที่ต่อมาเรียกว่า ‘หลุมดำ’ เอาไว้อย่างชัดเจน

สนใจบทความนี้ ดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ที่ https://blackholes.tecnico.ulisboa.pt/gritting/pdf/gravity_and_general_relativity/Oppenheimer-Volkoff_On-Massive-Neutron-Cores.pdf

บทความ On Continued Gravitational Contraction ซึ่งทำนายการก่อตัวในเชิงทฤษฎีของหลุมดำเป็นครั้งแรก

1939 (3) : เจ. โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ และ ฮาร์ตแลนด์ สไนเดอร์ (Hartland Snyder) คำนวณการยุบตัวด้วยความโน้มถ่วงของวัตถุของไหลทรงกลมซึ่งมีเนื้อสสารแบบเอกพันธุ์และไม่ตกอยู่ภายใต้ความดัน และตีพิมพ์ผลงานดังกล่าวในบทความชื่อ On Continued Gravitational Contraction ในวารสาร Physical Review ฉบับวันที่ 1 กันยายน ค.ศ.1939

บทความนี้นับเป็นผลงานชิ้นสำคัญทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ (astrophysics) นักฟิสิกส์ทั้งสองได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในการแสดงให้เห็นว่า เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลมากพอใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดแล้วจะต้องยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตนเองอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การก่อตัวของสิ่งที่เรารู้จักกันในปัจจุบันว่าคือ หลุมดำ

ประเด็นสำคัญคือ บทความ On Continued Gravitational Contraction นำเสนอการทำนายเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำเป็นครั้งแรก!

บทความนี้ยังทำนายการก่อตัวของ ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon)’ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะที่สำคัญของหลุมดำ แต่ในบทความใช้คำว่า ‘gravitational radius’ หรือ ‘รัศมีเชิงความโน้มถ่วง’

สนใจบทความนี้ ดาวน์โหลดไฟล์ pdf ได้ที่ https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.56.455

เจ โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์

น่าสังเกตว่า วันที่ 1 กันยายน ค.ศ.1939 ซึ่งเป็นวันที่บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ เป็นวันที่สงครามโลกครั้งที่สองเริ่มขึ้นเช่นกัน ปีดังกล่าวจึงเป็นปีสำคัญในประวัติศาสตร์โลกและส่งผลกระทบต่อการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับหลุมดำ เนื่องจากสงครามโลกครั้งที่ 2 ระเบิดขึ้นในปีนี้เมื่อวันที่ 1 กันยายน และจบลงในวันที่ 2 กันยายน ค.ศ.1945 ในช่วงเวลาสงครามนี้ พลังสมองและแรงกายของนักฟิสิกส์ถูกเบี่ยงไปทำงานเกี่ยวกับระเบิดอะตอม ส่งผลให้การค้นคว้าทางด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ (ซึ่งรวมถึงหลุมดำ) เป็นไปอย่างเชื่องช้า

เท่านั้นยังไม่พอ ระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 2 ในช่วงฤดูใบไม้ร่วงปี ค.ศ.1941 เอนรีโก แฟร์มี (Enrico Fermi) ได้แนะต่อเอ็ดเวิร์ด เทย์เลอร์ (Edward Taylor) ว่าพลังงานนิวเคลียร์จากระเบิดอะตอมอาจใช้จุดชนวนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นได้ แนวคิดนี้เป็นจุดเริ่มต้นที่ทำให้เกิดโครงการพัฒนาระเบิดไฮโดรเจนในเวลาต่อมา และส่งผลให้การค้นคว้าเกี่ยวกับหลุมดำถูกหน่วงต่อไปอีกระยะหนึ่ง

แต่ในที่สุดเมื่อนักฟิสิกส์จำนวนหนึ่งเริ่มกลับเข้าที่ งานวิจัยเกี่ยวกับหลุมดำจึงเดินหน้าต่อ

ฮาร์ตแลนด์ สไนเดอร์
ที่มา : https://3quarksdaily.com/3quarksdaily/2023/09/september-1-1939-a-tale-of-two-papers.html

1958 : เดวิด ฟิงเกิลสไตน์ (David Finkelstein) ตีพิมพ์บทความ “Past-Future Asymmetry of the Gravitational Field of a Point Particle” ซึ่งโดยสรุปคือพื้นผิวที่ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางเท่ากับรัศมีชวาร์ซชิลด์ คือ ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของหลุมดำ ผลงานชิ้นนี้มีส่วนทำให้โรเจอร์ เพนโรส และจอห์น อาร์ชิบอลด์ วีลเลอร์ ยอมรับว่าขอบฟ้าเหตุการณ์และหลุมดำมีอยู่จริง

ต้นทศวรรษที่ 1960 : ใน Podcast หัวข้อ ‘MIT’s Marcia Bartusiak On Understanding Our Place In The Universe’ นาทีที่ 07:33-08:50 มาเซีย บาร์ทูเซียค (Marcia Bartusiak) นักเขียนแนววิทยาศาสตร์และศาสตราจารย์เกี่ยวกับการเขียนด้านวิทยาศาสตร์แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ หรือ MIT ได้สืบสาวที่มาของคำว่า ‘black hole’ โดยสอบถามนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชื่อ เฉียวหงอี้ (丘宏義) [ในภาษาอังกฤษมักสะกดชื่อว่า Hong-Yee Chiu] (น่าสนใจว่านักดาราศาสตร์ฟิสิกส์คนนี้เป็นคนเสนอคำว่า quasar) โดยคิดว่าเขาน่าจะเป็นคนเสนอคำว่า black hole แต่เฉียวหงอี้บอกว่าเขาได้ยินมาจากนักฟิสิกส์ชื่อ โรเบิร์ต เอช ดิคกี้ (Robert H. Dicke) ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดยดิคกี้ได้เปรียบเทียบ black hole กับ ‘Black Hole of Calcutta’ ซึ่งเป็นคุกที่อันฉาวโฉ่ซึ่งคนที่เข้าไปแล้วจะไม่ได้กลับออกมา

ฟัง Podcast ดังกล่าวได้ที่ https://www.wbur.org/radioboston/2018/10/09/marcia-bartusiak-planet-three

อย่างไรก็ดี เอกสารและแหล่งข้อมูลจำนวนมากมักจะให้เครดิตการตั้งชื่อ black hole ว่ามาจากนักฟิสิกส์ชื่อ จอห์น วีลเลอร์ (John Wheeler) ซึ่งตามหลักฐานแล้วเขาเป็นคนที่ทำให้คนนี้เป็นที่นิยม (ดูปี 1967 ในบทความถัดไป)

โรเบิร์ต เอช ดิคกี้ ซึ่งเป็นคนแรกๆ (หรืออาจเป็นคนแรก) ที่พูดคำว่า black hole ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1960
ที่มา : https://phy.princeton.edu/department/history/faculty-history/robert-dicke

1963 (1) : รอย เคอร์ (Roy Kerr) แก้สมการสนามของไอน์สไตน์สำหรับระบบที่กำลังหมุนแต่ไม่มีประจุไฟฟ้า และได้ผลลัพธ์แบบแน่นอน (the exact solution) พูดง่ายๆ รอย เคอร์ สร้างสมการสำหรับอธิบายหลุมดำแบบหมุน (rotating black hole) ซึ่งอาจเรียกว่า หลุมดำแบบเคอร์ (Kerr black hole)

หลุมดำแบบหมุนน่าจะมีอยู่จริงมากที่สุดในทางปฏิบัติ เนื่องจากดาวฤกษ์ที่ยุบตัวลงจนกลายเป็นหลุมดำมักจะหมุนรอบตัวเอง

1963 (2) : มาเชีย บาร์ทูเซียค รายงานว่ามีการใช้คำว่า ‘black hole’ ในการประชุมวิชาการเฉพาะทางชื่อ Texas Symposium on Relativisitic Relativistic Astrophysics ในเมืองแดลลัสในเดือนธันวาคม ค.ศ.1963 (ดู 1964 (2) เพิ่มเติม)

โปรดติดตามตอนต่อไปในบทความตอนที่ 4

หลุมดำแบบเคอร์