Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

Timeline : หลุมดำ (4)

ในบทความตอนที่แล้ว ผมได้ให้ข้อมูลพัฒนาการทางความรู้เกี่ยวกับหลุมดำจนถึงปี ค.ศ.1963 มาดูกันต่อครับ

1964 (1) : คำว่า ‘Black Holes’ ปรากฏบนสิ่งพิมพ์ในบทความชื่อ “Black Holes” in Space เขียนโดย Ann Ewing ใน Science News Letter ฉบับวันที่ 18 มกราคม ค.ศ.1964 บทความนี้รายงานการประชุมของสมาคมเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์แห่งอเมริกา (American Association for the Advancement of Science) ซึ่งจัดขึ้นที่เมืองคลีฟแลนด์ รัฐโอไฮโอ

1964 (2) : คำว่า ‘black hole’ ปรากฏในนิตยสาร Life ฉบับวันที่ 24 มกราคม ค.ศ.1964 ทั้งนี้ บรรณาธิการด้านวิทยาศาสตร์ของนิตยสารฉบับนี้คือ อัล โรเซนเฟลด์ (Al Rosenfeld) ได้เข้าร่วมฟังการประชุมวิชาการเฉพาะทางชื่อ Texas Symposium on Relativisitic Relativistic Astrophysics ในเมืองแดลลัสในเดือนธันวาคม ค.ศ.1963 และใช้คำนี้ในบทความรายงานพิเศษชื่อ New Puzzle in the Skies : Scientists are Baffled by Quasi-Stellars, the Brightest and Most Distant Objects in the Universe เขายืนยันว่าได้ยินคำว่า ‘black hole’ ในการประชุมครั้งนั้น แต่จำไม่ได้ว่าใครเป็นผู้พูด

1965 (1) : โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) ตีพิมพ์บทความซึ่งนำเสนอทฤษฎีบทว่าด้วยภาวะเอกฐาน (the singularity theorem) ที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำ กล่าวคือ เขาได้แสดงให้เห็นว่าภายใต้กรอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หากดาวฤกษ์ยุบตัวลงจนมีขนาดเล็กกว่าค่าๆ หนึ่ง จะเกิดภาวะเอกฐานซึ่งมีความหนาแน่นเป็นอนันต์เสมอ แม้ว่ารูปร่างของดาวฤกษ์จะไม่เป็นทรงกลมที่มีสมมาตรก็ตาม ทฤษฎีบทนี้เรียกว่า ทฤษฎีบทของเพนโรสเกี่ยวกับภาวะเอกฐาน (Penrose singularity theorem)

บทความดังกล่าวชื่อ Gravitational Collapse and Space-Time Singularities ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters, vol. 14, Issue 3, pp. 57-59 ฉบับ January 1965 สนใจบทความนี้ ดาวน์โหลดได้ที่

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.14.57

ทฤษฎีบทของเพนโรสเกี่ยวกับภาวะเอกฐานเป็นหนึ่งในเหตุผลสำคัญที่ทำให้โรเจอร์ เพนโรส ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ.2020 โดยเว็บรางวัลโนเบลสรุปแบบย่อว่า “for the discovery that black hole formation is a robust prediction of the general theory of relativity” หรือ “สำหรับการค้นพบว่าการเกิดหลุมดำเป็นผลลัพธ์ที่แน่นอนและหลีกเลี่ยงไม่ได้ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์”

1965 (2) : ระบบที่มีประจุและกำลังหมุนได้รับการศึกษาโดยการแก้สมการสนามไอน์สไตน์-แมกซ์เวลล์ โดย อี. เคาช์ (E. Couch) เค. ชินนาพาเร็ด (K. Chinnapared), เอ. เอ็กซ์ตัน (A. Exton), เอ. ประกาศ (A. Prakash) และ โรเบิร์ต ทอร์เรนซ์ (Robert Torrence) นักวิจัยทั้งสี่คนร่วมกันเขียนบทความชื่อ Metric of a Rotating, Charged Mass ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Mathematical Physics 6, 918-919 (1965)

อย่างไรก็ดี มีข้อสังเกตว่าบทความนี้สำรวจคำตอบของสมการสนามไอน์สไตน์-แมกซ์เวลล์ สำหรับระบบที่มีมวล มีประจุ และกำลังหมุนในแบบกว้างๆ และให้มุมมองเชิงลึกเกี่ยวกับระบบดังกล่าว แต่ไม่ได้ศึกษาจำเพาะเจาะจงลงไปเกี่ยวกับหลุมดำ

1965 (3) : เอซรา ทีโอดอร์ นิวแมน (Ezra Theodore Newman) คิดค้นสมการอธิบายหลุมดำมีประจำและกำลังหมุน ซึ่งต่อมาเรียกว่า หลุมดำเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman black hole) โดยเขาต่อยอดผลงานของ รอย เคอร์ (Roy Kerr) ซึ่งเป็นผู้คิดค้นสมการอธิบายหลุมดำแบบหมุน (rotating black hole) หรือหลุมดำแบบเคอร์ (Kerr black hole) [ดู 1963 (1) ในบทความตอนที่ 3]

1967: เวอร์เนอร์ อิสราเอล (Werner Israel) นำเสนอข้อพิสูจน์ทฤษฎีบทไร้ขน (no-hair theorem) ที่ King’s College London กล่าวโดยย่อ ทฤษฎีบทไร้ขนเสนอว่าหลุมดำอาจระบุได้ด้วยตัวแปร 3 ตัว ได้แก่ มวล ประจุ และโมเมนตัมเชิงมุม

1967: จอห์น วีลเลอร์ (John Wheeler) ทำให้คำว่า “Black Holes” เป็นที่นิยมใช้กันโดยทั่วไป โดยพูดคำคำนี้ในการประชุมวิชาการที่นิวยอร์ก

1969 : โรเจอร์ เพนโรส อภิปรายกระบวนการเพนโรส ซึ่งใช้ในการดึงพลังงานจากการสปินออกจากหลุมดำแบบเคอร์ หรือหลุมดำที่กำลังหมุน

กระบวนการเพนโรส (Penrose process) เป็นกลไกทางทฤษฎีมีขั้นตอนหลัก ดังนี้

(1) นำวัตถุ (หรืออนุภาค) เข้าใกล้หลุมดำที่กำลังหมุน และเข้าสู่บริเวณที่เรียกว่า เออร์โกสเฟียร์ (ergosphere) เออร์โกสเฟียร์เป็นบริเวณที่กาลอวกาศเวลา (spacetime) ถูก ‘ลาก (dragged)’ ให้หมุนไปตามการหมุนของหลุมดำ ผลก็คือ วัตถุในบริเวณนี้จะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับกับทิศทางการหมุนของหลุมดำ

(2) ภายในเออร์โกสเฟียร์ ทำให้วัตถุแตกออกเป็นสองชิ้น ชิ้นหนึ่งมีพลังงานเป็นลบ (เมื่อเทียบกับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไกลออกไปเป็นอนันต์) ในขณะที่อีกชิ้นหนึ่งมีพลังงานเป็นบวก

(3) ทำให้วัตถุที่มีพลังงานเป็นลบตกลงไปในหลุมดำ ในขณะที่วัตถุที่มีพลังงานเป็นบวกหลุดออกมา ผลก็คือ วัตถุชิ้นหลังนี้จะมีพลังงานมากกว่าวัตถุตั้งต้นก่อนเข้าใกล้หลุมดำ

(4) วัตถุที่มีพลังานลบและตกลงไปในหลุมดำจะทำให้มวลและพลังงานการหมุนของหลุมดำลดลง

เมื่อมองในภาพรวม นี่คือการดึงพลังงานออกมาจากหลุมดำที่กำลังหมุน โดยที่พลังงานทั้งหมดได้รับการอนุรักษ์

1969 : โรเจอร์ เพนโรส เสนอสมมุติฐานการเซ็นเซอร์ของจักรวาล (Cosmic Censorship Hypothesis) ซึ่งกล่าวว่า ธรรมชาติไม่ยอมให้มีภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity) ซึ่งเป็นภาวะเอกฐานซึ่งไม่ถูกคลุมด้วยขอบฟ้าเหตุการณ์

สมมุติฐานนี้มี 2 เวอร์ชั่น ได้แก่ การเซ็นเซอร์ของจักรวาลแบบอ่อนและการเซ็นเซอร์ของจักรวาลแบบเข้ม

สมมุติฐานการเซ็นเซอร์ของจักรวาลแบบอ่อน (Weak Cosmic Censorship Hypothesis) เน้นที่การยุบตัวของวัตถุอันเกิดจากแรงโน้มถ่วงของวัตถุนั้นเอง โดยระบุว่าการยุบตัวอย่างสมบูรณ์ของวัตถุที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงจะส่งผลให้เกิดหลุมดำเสมอ โดยไม่เกิดเป็นภาวะเอกฐานเปลือย (naked singularity) พูดอีกแบบหนึ่งคือ ภาวะเอกฐานทั้งมวลที่เกิดจากการยุบตัวของสสารจะ “ซ่อน” อยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์เสมอ

สมมุติฐานการเซ็นเซอร์ของจักรวาลแบบเข้ม (Strong Cosmic Censorship Hypothesis) มีลักษณะทั่วไปมากขึ้น และกล่าวว่าโครงสร้างของกาล-อวกาศทั้งหมดที่สมเหตุสมผลในทางกายภาพจะมีลักษณะไฮเพอร์โบลิกแบบครอบคลุมทุกจุดในกาลอวกาศ (globally hyperbolic) ซึ่งหมายความว่าไม่มีภาวะเอกฐานใดที่ผู้สังเกตการณ์คนไหนก็ตามสามารถ “มองเห็นได้” แต่อาจยกเว้นสำหรับภาวะเอกฐานแรกเริ่มที่จุดเริ่มต้นของเอกภพ คำว่า globally hyperbolic ในบริบทนี้หมายถึงโครงสร้างของกาลอวกาศ (spacetime) มีความแน่นอนและสามารถทำนายได้ทุกจุด และทุกเส้นทางในกาลอวกาศสามารถเชื่อมต่อกันได้โดยไม่เกิดความคลุมเครือในแง่ลำดับเหตุการณ์

สมมุติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาลของโรเจอร์ เพนโรส เป็นข้อความคาดการณ์ (conjecture) พื้นฐานในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่มีผลกระทบสำคัญต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเอกภพและธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง ประเด็นนี้ยังคงเป็นหัวข้อที่มีการวิจัยและการถกเถียงกันในวงการฟิสิกส์อย่างน้อยจนถึงปัจจุบัน (มกราคม ค.ศ.2025)

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022