Multiverse | บัญชา ธนบุญสมบัติ

www.facebook.com/buncha2509

Timeline : หลุมดำ (5)

ในบทความตอนที่แล้ว ผมได้ให้ข้อมูลพัฒนาการทางความรู้เกี่ยวกับหลุมดำจนถึงปี ค.ศ.1969 คราวนี้มาดูกันต่อครับ

1970 : สตีเฟน ฮอว์กิ้ง ต่อยอดทฤษฎีของโรเจอร์ เพนโรส เกี่ยวกับภาวะเอกฐาน (Penrose singularity theorem) โดยแสดงให้เห็นว่าภาวะเอกฐานไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะแค่ในหลุมดำเท่านั้น แต่ยังสามารถเกิดขึ้นได้ในบริบทการกำเนิดเอกภพและสอดคล้องกับทฤษฎีบิ๊กแบง (Big Bang theory) อีกด้วย

พูดอีกอย่างก็คือมี ภาวะเอกฐาน ณ บิ๊กแบง (Big Bang singularity) ดังนั้น ชื่อทฤษฎีบทจึงได้ปรับเปลี่ยนไปเป็น ทฤษฎีบทของเพนโรส-ฮอว์กิ้งเกี่ยวกับภาวะเอกฐาน (Penrose-Hawking singularity theorem)

นักฟิสิกส์ทั้งสองจึงตีพิมพ์บทความชื่อ The singularities of gravitational collapse and cosmology ใน Proceedings of the Royal Society of London เมื่อวันที่ 27 มกราคม ค.ศ.1970

1971 (1) : สตีเฟน ฮอว์กิ้ง พิสูจน์ว่าพื้นผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำแบบคลาสสิค (คือยังไม่คิดผลจากกลศาสตร์ควอนตัม) จะไม่สามารถลดลง เรียกว่า ทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอว์กิ้ง (Hawking’s area theorem)

ผลลัพธ์สำคัญประการหนึ่งของทฤษฎีบทนี้คือ หากมีหลุมดำ 2 หลุม (หรือมากกว่า) รวมกัน พื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่เป็นผลลัพธ์จะมีค่ามากกว่าหรือเท่ากับพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำตั้งต้นทั้งหมดที่มารวมกัน

มีข้อสังเกตสำคัญว่าทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอว์กิ้งมีความคล้ายคลึงกับกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ (The Second Law of Thermodynamics) ซึ่งระบุว่าเอนโทรปีของระบบโดดเดี่ยวจะมีค่าไม่ลดลง ในแง่นี้ทฤษฎีบทนี้จึงชี้ชวนให้นักฟิสิกส์เห็นถึงความเชื่อมโยงอันลึกซึ้งระหว่างฟิสิกส์ของหลุมดำกับวิชาอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics)

มีเกร็ดน่ารู้ด้วยว่า สตีเฟน ฮอว์กิ้ง “ปิ๊ง” ไอเดียนี้ในเย็นวันหนึ่งในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.1970 หลังจากที่ลูกสาวของเขาชื่อ ลูซี เกิดได้ไม่นานนัก เขาเริ่มคิดถึงหลุมดำในขณะที่กำลังจะเข้านอน เนื่องจากความพิการ เขาจึงเคลื่อนไหวช้าๆ ทำให้มีเวลาอย่างเหลือเฟือในการคิดถึงเส้นทางที่แสงเคลื่อนเข้าไปในแนวขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำสองหลุม และ “หยั่งเห็น” ของกฎที่กำกับปรากฏการณ์ดังกล่าว

ต่อมากฎนี้จึงมีชื่อเรียกว่า ทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอวกิ้ง

ในปี ค.ศ.2021 นักฟิสิกส์จากเอ็มไอที มหาวิทยาลัยคอร์เนล และสถาบันอื่นๆ ได้ยืนยันทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอว์กิ้งโดยใช้ข้อมูลจากการสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW150914 จากการรวมตัวของหลุมดำ

นักฟิสิกส์พบว่าพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำผลลัพธ์จากการรวมกันมีค่าประมาณ 367,000 ตารางกิโลเมตร ซึ่งมากกว่าผลรวมของพื้นที่ผิวของหลุมดำก่อนการรวมกันซึ่งมีค่าประมาณ 235,000 ตารางกิโลเมตร ทั้งนี้ เทคนิคที่ใช้จะนำค่ามวลและสปิน (การหมุน) ของหลุมดำไปคำนวณค่าพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ โดยตีพิมพ์บทความชื่อ Testing the Black-Hole Area Law with GW150914 ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม ค.ศ.2021

1971 (2) : สตีเฟน ฮอว์กิ้ง เป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดว่าอาจมีหลุมดำที่มีมวลน้อยกว่ามวลของดาวฤกษ์ในบทความชื่อ Gravitationally collapsed objects of very low mass ตีพิมพ์ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 152, Issue 1 ฉบับเดือนเมษายน ค.ศ.1971 หน้า 75-78

ดาวน์โหลดไฟล์ pdf ของบทความนี้ได้ที่ https://academic.oup.com/mnras/article/152/1/75/2604549?login=false

ต่อมาหลุมดำที่มีมวลน้อยกว่ามวลของดาวฤกษ์นี้จึงถูกเรียกด้วยชื่อต่างๆ เช่น micro black hole, mini black hole หรือ quantumechanical black hole

1972 (1) : บี. หลุยส์ เว็บสเตอร์ (B. Louise Webster) และพอล เมอร์ดิน (Paul Murdin) ตีพิมพ์บทความวิจัยเกี่ยวกับ Cygnus X-1 ในชื่อ Cygnus X-1-a Spectroscopic Binary with a Heavy Companion? ในวารสาร Nature volume 235, หน้า 37-38 วันที่ 7 มกราคม ค.ศ.1972

บทความนี้สำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเสนอหลักฐานที่หนักแน่นว่า Cygnus X-1 อาจเป็นหลุมดำ ผู้เขียนทั้งสองได้สังเกตการณ์ระบบดาวคู่ และพบว่าดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้คือ HDE 226868 กำลังโคจรรอบวัตถุที่มองไม่เห็นซึ่งมีมวลมากกว่าดาวนิวตรอนมาก สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าวัตถุที่มองไม่เห็นอาจเป็นหลุมดำ

การค้นพบนี้เป็นหนึ่งในหลักฐานเชิงสังเกตการณ์แรกๆ ที่สนับสนุนทฤษฎีการมีอยู่ของหลุมดำ ซึ่งเป็นวัตถุที่เคยถูกมองว่าเป็นเพียงแนวคิดทางทฤษฎีเท่านั้น

บทความนี้ยังจุดประกายการศึกษาและวิจัยเกี่ยวกับหลุมดำอย่างกว้างขวาง นำไปสู่การค้นพบหลุมดำอื่นๆ และการพัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำอย่างต่อเนื่อง

น่ารู้ด้วยว่านักดาราศาสตร์ทั้งสองท่านนี้ได้ทำการวิจัยที่ หอดูดาวหลวงกรีนิช (Royal Greenwich Observatory) ที่ปราสาทเฮิร์สต์มอนซู (Herstmonceux Castle) ในเขตอีสต์ซัสเซกส์ สหราชอาณาจักร พวกเขาใช้กล้องโทรทรรศน์ไอแซ็ก นิวตัน ขนาด 100 นิ้ว ในการบันทึกสเปกตรัมและความเร็วของดาวฤกษ์

1972 (2) : กฎทั้งสี่ข้อของกลศาสตร์หลุมดำ (laws of black hole mechanics) ได้รับการระบุโดย เจมส์ บาร์ดีน (James Bardeen) แบรนดอน คาร์เตอร์ (Brandon Cartor) และสตีเฟน ฮอว์กิ้ง (Stephen Hawking) ในระหว่างที่พวกเขาเข้าร่วมโรงเรียนฤดูร้อนเลโชสว่าด้วยหลุมดำ (Les Houches Summer School on Black Holes) ซึ่งจัดขึ้นในเดือนสิงหาคม ค.ศ.1972

รายงานวิจัยที่เกี่ยวข้องถูกส่งไปยังวารสาร Communications of Mathematical Physics ในเดือนมกราคม ค.ศ.1973 และตีพิมพ์ในเดือนมิถุนายน

1972 (3) : เจคอบ ดี เบเคนสไตน์ (Jacob D. Bekenstein) เสนอว่าหลุมดำมีเอนโทรปีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ เขาเสนอแนวคิดดังกล่าวที่ Racah Institute of Physics ที่มหาวิทยาลัยฮีบรูแห่งเมืองเยรูซาเลม

ต่อมาข้อความคาดการณ์ (conjecture) นี้ได้รับการสนับสนุนให้มีน้ำหนักมากขึ้นในปี ค.ศ.1974 เมื่อ สตีเฟน ฮอวกิ้ง ค้นพบว่าในทางทฤษฎีหลุมดำสามารถแผ่รังสีได้ เรียกว่า รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation)

1973 (1) : เจคอบ ดี เบเคนสไตน์ (Jacob D. Bekenstein) ได้ตีพิมพ์บทความชื่อ Black Holes and Entropy ในวารสาร Physical Review D. เมื่อวันที่ 15 เมษายน ค.ศ.1973 ซึ่งเป็นงานวิจัยที่สำคัญมากในวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ บทความนี้นำเสนอแนวคิดที่ว่าหลุมดำมีความสัมพันธ์กับเอนโทรปี

เบเคนสไตน์เป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดว่าพื้นที่ผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำมีความสัมพันธ์โดยตรงกับเอนโทรปีของหลุมดำ ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและอุณหพลศาสตร์เข้าด้วยกัน

แนวคิดของเขาเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับทฤษฎีการแผ่รังสีฮอว์กิ้ง (Hawking radiation) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่หลุมดำค่อยๆ ระเหยกลายเป็นอนุภาค

1973 (2) : เจมส์ บาร์ดีน, แบรนดอน คาร์เตอร์ และสตีเฟน ฮอว์กิ้ง ตีพิมพ์บทความชื่อ The Four Laws of Black Hole Mechanics ในวารสาร Communications of Mathematical Physics ฉบับเดือนมิถุนายน ค.ศ.1973 Volume 31 หน้า 161-170

บทความอันทรงอิทธิพลนี้วางรากฐานสำหรับความเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำเชื่อมโยงกับกฎทางอุณหพลศาสตร์

บทคัดย่อระบุว่า “ปริมาณสองอย่างซึ่งปรากฏในสมการเหล่านี้ ได้แก่ พื้นที่ A ของขอบฟ้าเหตุการณ์ และ “แรงโน้มถ่วงที่พื้นผิว” k [หมายเหตุ : ในบทความใช้ตัวอักษรกรีก kappa ตัวเล็ก] ของหลุมดำ มีความคล้ายคลึงอย่างมากกับเอนโทรปีและอุณหภูมิตามลำดับ ความคล้ายคลึงนี้บ่งชี้ถึงการสร้างกฎสี่ข้อของกลศาสตร์หลุมดำซึ่งสอดคล้องกับกฎทั้งสี่ข้อของอุณหพลศาสตร์และในบางแง่มุมไปเกินกว่านั้น”

น่าสนใจว่าบทความนี้นำเสนอกฎข้อที่ 2 ก่อน ตามด้วยกฎข้อที่ 1, กฎข้อที่ 0 และกฎข้อที่ 3 ตามลำดับ

กฎข้อที่ 2 ของกลศาสตร์หลุมดำ ระบุว่า “พื้นที่ A ของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำแต่ละหลุมจะไม่ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป” ดังนั้น หากหลุมดำ 2 หลุมรวมกัน พื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำผลลัพธ์ก็จะมากกว่าผลรวมของพื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์ตั้งต้น กฎข้อนี้จึงอาจเทียบได้กับกฎข้อที่ 2 ของอุณหพลศาสตร์

กฎข้อที่ 1 ของกลศาสตร์หลุมดำ มีส่วนคล้ายคลึงกับกฎข้อที่ 1 ของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งเป็นกฎการอนุรักษ์พลังงาน

กฎข้อที่ 0 ของกลศาสตร์หลุมดำ ระบุว่า “แรงโน้มถ่วงพื้นผิวของหลุมดำสถานะคงตัว (stationary black hole) มีค่าคงที่ตลอดทั่วพื้นผิวของขอบฟ้าเหตุการณ์” และได้รับการพิสูจน์ในบทความนี้

ส่วนกฎข้อที่ 3 ของกลศาสตร์หลุมดำนั้นเป็นการคาดการณ์ที่ต่อยอดออกไป คือยังไม่มีข้อพิสูจน์เชิงคณิตศาสตร์ที่หนักแน่น แต่ระบุว่า “ไม่อาจมีกระบวนการที่เป็นขั้นตอนใดๆ ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการในเชิงอุดมคติเท่าใดก็ตามที่จะลดค่าแรงโน้มถ่วงที่พื้นผิวลงจนเหลือศูนย์ได้” อันเป็นการเลียนแบบกฎข้อที่ 3 ของอุณหพลศาสตร์นั่นเอง

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

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022