Stephen Hawking: จากสมมติฐานแห่งห้วงเวลา สู่ทฤษฎีหลุมดำที่เป็นจริง

Stephen Hawking หลุมดำ จักรวาลวิทยา
สารบัญบทความ
Stephen Hawking หลุมดำ จักรวาลวิทยา

แม้ว่าสตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) จากอำลาโลกนี้ไปนานกว่า 4 ปีแล้ว ทว่าทฤษฎีหลุมดำและประวัติย่อแห่งห้วงเวลาของเขาก็ยังฝากให้คนทั้งโลกได้ระลึกและจดจำอยู่เสมอว่า ครั้งหนึ่งเขาได้ค้นพบสิ่งที่จักรวาลได้ซุกซ่อนไว้ ด้วยจินตนาการอันแสนวิเศษที่เปลี่ยนโลกนี้ไปทั้งใบ สิ่งนั้นอาจเป็นข้อสังเกตอันลึกล้ำจากการสำรวจ หรือเป็นสมมติฐานจาก Thought Experiment สุดพิสดาร ก็ล้วนเป็นไปได้ทั้งสิ้น

แต่ ณ ตอนนั้นเรายังไม่มีหลักฐานใดจะพิสูจน์ว่าสิ่งที่ฮอว์คิงพูดนั้นเป็นจริงได้เลย 

กระทั่งล่าสุดนี้เองที่นักฟิสิกส์จำลองขอบหลุมดำขณะแผ่ ‘รังสีฮอว์คิง’ ได้สำเร็จ ร่วมกับการพิสูจน์ได้ว่าหลุมดำจะขยายตัวใหญ่ขึ้นตามหลักทฤษฎีที่เขาเสนอไว้ เท่านั้นเองเราก็เริ่มแน่ใจขึ้นว่าบางทีทฤษฎีของเขาอาจกลายเป็นความจริงในไม่ช้า

Stephen Hawking
สตีเฟน ฮอว์คิง
Stephen Hawking

ทฤษฎีหลุมดำในตำนาน สู่ความจริงแห่งสากลกาล

ย้อนกลับไปในช่วงปี 1971 – 1974 นักฟิสิกส์ผู้ล่วงลับนามว่า Stephen Hawking ได้เสนอแนวคิดด้านกลศาสตร์ควอนตัมว่า มีบางอย่างที่เคยตกลงไปในหลุมดำ และสามารถกลับออกมาใหม่อีกครั้งในรูปของการแผ่รังสีความร้อนอย่างรังสีฮอว์คิง ซึ่งแทบไม่เห็นด้วยตาเปล่าเลยหากไม่ได้สังเกต อีกทั้งยังตั้งข้อสังเกตหากมีวัตถุใด ๆ เข้าไปในหลุมดำ ก็มีโอกาสที่พื้นที่ผิวจะขยายใหญ่กว่าเดิมขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเวลาผ่านไป

และเมื่อถึงเวลาที่เทคโนโลยีพร้อมรับการพิสูจน์ เหล่านักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม (The University of Amsterdam) จึงรวมตัวกันสร้างแบบจำลองหลุมดำด้วยโซ่อะตอมเส้นเดี่ยวในห้องแลปขึ้นมาเพื่อสังเกตปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น 

และแล้วผลการพิสูจน์ก็ปรากฏ

จากข้อมูล Science Alert ได้รายงานว่ารังสีฮอว์คิงจะเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคเกิดการรบกวนจากความผันผวนของควอนตัม ซึ่งทำให้หลุมดำแตกตัวในปริภูมิเวลา (Spacetime) อย่างไรก็ตาม ข้อเท็จจริงที่ว่ารังสีนั้นจะแผ่ตัวขึ้นก็เป็นเรื่องน่าแปลกอยู่ดี ตราบใดที่ขอบฟ้าของหลุมดำ (The event of horizon) ยังเป็นสถานที่ที่แสงและสสารไม่สามารถออกไปได้

หลุมดำ black hole

บางทีที่มันพอเป็นไปได้ ก็เพราะความหนาแน่นของมันอยู่ในช่วงหนึ่งของใจกลาง ซึ่งแน่นอนว่าแม้จะมีสิ่งใดที่สามารถเดินทางเกินความเร็วแสง ก็ไม่อาจหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ได้

ปรากฏการณ์จากหลุมดำจำลองดังกล่าวยังทำให้อุณหภูมิรอบตัวมันสูงขึ้น โดยเฉพาะเมื่อห่วงโซ่อะตอมเกิดขยายตัว ซึ่งสอดรับกับทฤษฎีของฮอว์คิงที่คาดการณ์ไว้

ด้วยเหตุนี้เองที่เหล่านักฟิสิกส์เริ่มเชื่อแล้วว่าอนุภาคที่เกี่ยวพันบริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์อาจปัจจัยหนึ่งที่สำคัญต่อการสร้างรังสีฮอว์คิง โดยตั้งข้อสังเกตว่าหากการแผ่รังสีเป็นเพียงความร้อนที่เกิดขึ้นในช่วงระดับพุ่งกระโดด ณ ช่วงเวลาหนึ่ง มันก็เป็นไปได้ที่บางสถานการณ์จะเกิดรังสีฮอว์คิงได้ และสามารถเกิดได้เฉพาะกรณีที่แรงโน้มถ่วงเกิดเปลี่ยนแปลงในช่วงการบิดของปริภูมิเวลา

หลุมดำ
ภาพถ่ายหลุมดำ จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุอีเวนต์ฮอไรซัน (Event Horizon Telescope : EHT),Credit by : https://eventhorizontelescope.org 

“สิ่งเหล่านี้จะเปิดพื้นที่ให้เราสามารถสำรวจในแง่มุมเชิงกลศาสตร์ควอนตัมพื้นฐาน ควบคู่ไปกับแรงโน้มถ่วงและกาลอวกาศโค้งในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ที่สสารเกิดการควบแน่น” นักวิทยาศาสตร์ผู้เขียนงานวิจัยตีพิมพ์วารสาร Physical Review Research กล่าว

อีกข้อพิสูจน์เรื่องการขยายของหลุมดำ

หลักฐานที่ค้นพบจากการพิสูจน์ในช่วงก่อนกาลไล่เลี่ยกันของ Massachusetts Institute of Technology (MIT) ร่วมกับสถาบันอื่นที่เกี่ยวข้อง ก็ยิ่งช่วยยืนยันได้อีกว่าทฤษฎีของฮอว์คิงนั้นเป็นจริงเพิ่มขึ้นอีก โดยเฉพาะประเด็นเรื่องการขยายตัวของหลุมดำ ซึ่งเป็นไปตามสมมติฐานที่ว่า 

มีกฎบางอย่างที่แม้แต่วัตถุอันเป็นที่สุดตามแต่คุณสมบัติในจักรวาลยังต้องโอนอ่อนตาม ซึ่งจะไม่มีสิ่งใดเล็ดลอดออกจากพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำไปได้ อีกทั้งพื้นที่ของมันจะไม่หดตัว

Stephen Hawking

หลังการถือกำเนิดทฤษฎีของฮอว์คิงในรอบห้าสิบปี ทีมนักฟิสิกส์จึงร่วมกันสำรวจและวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational wave) จนได้เผยแพร่ออกสู่สาธารณชนผ่านวารสาร Physical Review Letters เป็นผลสำเร็จ โดยระบุว่าพื้นที่ผิวของหลุมดำนั้นมีแต่จะขยายใหญ่ขึ้นในทุกกรณีนั้น ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าถูกต้องด้วยวิธีการนำคู่หลุมดำมวลยิ่งยวดมาโคจรรอบกัน ซึ่งต่างเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อย ๆ จนเกิดปะทะและหลอมรวมเป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่

จุดนี้เองที่ทำให้นักฟิสิกส์ต่างยืนยันจากหลักฐานเชิงประจักษ์ได้ว่าทฤษฎีบทพื้นที่ของฮอว์คิง ซึ่งได้รับการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ในตอนแรก เป็นจริงดังที่กล่าว ซึ่งพวกเขายังคงเห็นต่อว่าหากดำเนินการค้นหาคำตอบจากทฤษฎีของฮอว์คิงต่อไป เราอาจได้เห็นสิ่งที่สอดคล้องและหักล้างทฤษฎีได้อีกมากมาย 

จักรวาลในเปลือกนัท: ความจริงที่อาจเป็นไปได้ในตอนต่อไป

แม้ว่า ‘จักรวาลในเปลือกนัท’ จะเป็นหนึ่งในผลงานที่สร้างความทึ่งในวงการวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์มากมายเพียงใด ทว่าจุดสำคัญที่ผู้เขียนต้องการบอก ไม่ใช่การบอกว่าจักรวาลอาจอยู่ในเปลือกนัทเพียงเท่านั้น แต่หากเป็นการลองใช้จินตนาการถึงความเป็นไปได้ของทุกสิ่งที่ดาษดาอยู่ในจักรวาลอันเวิ้งว้างไร้ขอบเขต ว่าแท้ที่จริงแล้ว มันอาจมีรูปทรงอื่นที่ไม่ใช่เปลือกนัทก็ได้ 

และนั่นคือความวิเศษที่เราได้คบคิดถึงมัน สิ่งนั้นอาจก้าวผ่านความรู้ได้มา ความคิดที่มีอยู่และข้อมูลสัมผัสที่จับต้อง บางทีเมื่อเราได้เรียนรู้และพร้อมเติบโตในทุกช่วงเวลาของชีวิต เราอาจเข้าใจได้ในที่สุด 

ผ่านการบอกเล่าประโยคคุ้นหูที่ว่า “จินตนาการสำคัญกว่าความรู้”

แหล่งอ้างอิง

MIT News. (2021). Physicists observationally confirm Hawking’s black hole theorem for the first time. 17 December 2022, derived from https://news.mit.edu/2021/hawkings-black-hole-theorem-confirm-0701 

Sinead Butler. (2022). Stephen Hawking Theory Proved Right by Man Made Black Hole. 16 December 2022, derived from https://www.mtv.com.lb/en/News/International/1329866/stephen-hawking-theory-proved-right-by-man-made-black-hole 

บทความอื่นๆ : Immortal science อาจไม่ไกลเกินเอื้อม! เมื่อมนุษย์เริ่มเข้าใกล้ชีวิตอมตะ