Nobel Prize in Physics 2020
Ep.0: Introduction to "Black Hole"
เมื่อวันที่ 6 ตุลาคม ที่ผ่านมา ก็เพิ่งจะมีการประกาศรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020 ซึ่งทุกคนก็คงทราบผลแล้วว่า ผู้ที่ได้รับรางวัลประกอบไปด้วยใครบ้าง ซึ่งที่น่าสังเกตก็คือ ผู้ที่ได้รับรางวัลในปีนี้ทั้งสามคน ล้วนมีผลงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับวัตถุเดียวกัน จนอาจจะเรียกได้ว่า เป็น “ธีม” ของรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ประจำปีนี้เลยก็ว่าได้ โดยธีมที่ว่านี้ ก็คือเรื่องเกี่ยวกับ “หลุมดำ” นั่นเองครับ
ดังนั้น ผมเลยขอถือโอกาสที่จะเท้าความให้ทุกคนได้ไปรู้จักที่มาและความแปลกประหลาดของ “หลุมดำ” ให้ทุกคนได้ทราบกันก่อน เพื่อที่ทุกคนจะได้อรรถรสและเข้าใจมากขึ้น เมื่อเราไปเจาะลึกถึงผลงานของผู้ได้รับรางวัลแต่ละคนในบทความถัดๆไปครับ
คอนเซปท์ของหลุมดำเกิดขึ้นครั้งแรกตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 18 โดย John Michell และ Pierre-Simon Laplace โดยทั้งคู่ได้ใช้การคำนวณบนพื้นฐานของกลศาสตร์แบบนิวตันในการตั้งสมมติฐานขึ้นมาเกี่ยวกับดาวฤกษ์ชนิดหนึ่งที่มีมวลและสนามโน้มถ่วงมหาศาล จนแม้กระทั่งแสงเองก็ไม่สามารถที่จะหลุดออกมาได้ โดยดาวดวงนี้ถูกเรียกว่า “Dark Stars”(ดาวมืด) แต่ทว่า แนวคิดนี้ก็ไม่ได้รับความสนใจมากนักจากวงการวิทยาศาสตร์ อาจจะเป็นเพราะว่าสมมติฐานนี้กำหนดให้แสงเป็นอนุภาค (ตามแนวคิดของนิวตัน) ในขณะที่ช่วงเวลานั้น แนวคิดที่ว่าแสงเป็นคลื่นที่แรงโน้มถ่วงไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ (ตามแนวคิดของ Huygens และ Young) ได้รับความนิยมมากกว่า
แนวคิดเรื่องหลุมดำกลับมาอยู่ในความสนใจของนักฟิสิกส์อีกครั้ง หลังจากที่ Albert Einstein ได้เสนอทฤษฎีที่ว่าด้วยแรงโน้มถ่วงแบบใหม่อย่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป [General Relativity (GR)] ขึ้นมาในปี 1915 ซึ่งเราคงจะไม่ไปเจาะลึกหรือไปพิสูจน์ทฤษฎี GR กันตอนนี้ แต่ถ้าอธิบายแบบง่ายที่สุดก็คือ สิ่งที่เราตีความว่าเป็น “แรงโน้มถ่วง” นั้น ที่จริงแล้วเป็นผลมาจากการบิดโค้งของกาลอวกาศ (Spacetime) ใน 4 มิติ โดยสิ่งที่ทำให้กาลอวกาศบิดโค้งไปได้นั้น ก็คือมวลและพลังงานนั่นเอง โดยความสัมพันธ์ระหว่างความบิดโค้ง (curvature) ของกาลอวกาศ กับพลังงาน ถูกอธิบายโดย Einstein’s Field Equation ซึ่งเป็นชุดสมการที่มีความซับซ้อนหลายสมการประกอบกัน และต้องใช้ความชำนาญในการแก้สมการพอสมควร
[ดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่รูปที่2]
Footnote 1: Einstein Field Equation - เทอมทางด้านซ้ายมือ บ่งบอกถึงความโค้ง (Curvature) ของกาลอวกาศ ส่วนทางขวามือ บ่งบอกถึงพลังงานของวัตถุ ดังนั้นยิ่งวัตถุมีพลังงาน(มวล) มากเท่าใด ก็ยิ่งทำให้กาลอวกาศเกิดความโค้งมากขึ้นเท่านั้น หน้าตาจริงๆของสมการนี้คือสมการ ODE 10 สมการ
แต่หลังจากการตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่นาน ก็มีนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อว่า Karl Schwarzschild ได้แก้สมการของ Einstein สำหรับกรณีวัตถุทรงกลมที่ไม่หมุนและไม่มีประจุได้สำเร็จ โดยคำตอบ (Schwarzchild Solution) ที่ได้ออกมาอยู่ในรูปของ metric tensor ที่ใช้อธิบายถึงลักษณะของ Spacetime บริเวณโดยรอบวัตถุทรงกลมนั้น ผลคำตอบของ Schwarzschild ถือว่าค่อนข้างสวยงามและไม่ซับซ้อนมากนัก (สำหรับนักฟิสิกส์) และยังถูกในนำไปใช้ในการคำนวณเบื้องต้นเกี่ยวกับผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เช่น การเลี้ยวเบนของแสง, การสั่นของวงโคจรดาวพุธ (Mercury Perihelion Precession) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม Schwarzschild Solution จะเกิดปัญหาขึ้นที่ตำแหน่งรัศมี r = 0 และ r = 2GM/c^2 โดยที่ถ้าเราแทนค่า r สองค่านี้ลงในสมการ เราจะพบว่าคำตอบกลายเป็นอนันต์และไม่สามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งในทางคณิตศาสตร์ การที่จุดใดจุดหนึ่งทำให้ฟังก์ชั่นมีค่าเป็นอนันต์ เราจะเรียกจุดนั้นว่า Singularity ดังนั้น Schwarzschild Solution จึงมี Singularity สองจุด นั่นคือที่ r = 0 และ r = 2GM/c^2 [Schwarzschild Radius (Rs)]
[ Schwarzschild Radius มีค่าน้อยมากๆ ยกตัวอย่างเช่นโลก มี Rs ประมาณ 9 mm ส่วนดวงอาทิตย์มี Rs ประมาณ 3 km]
Schwarzschild Metric
นอกจากเราจะมี Singularity ที่สองจุดนี้แล้ว เรายังพบอีกว่า ที่ระยะรัศมีระหว่าง r = 0 และ r = Rs ตัว Spacetime ในพื้นที่นั้นจะมีความแตกต่างจากกรณีที่ r > Rs อย่างสิ้นเชิง โดยจะกลายเป็น Spacetime แบบพิเศษที่จะบังคับให้วัตถุที่เคลื่อนที่ในบริเวณนั้นถูกบังคับให้ตกลงไปที่ใจกลาง (r = 0) ของวัตถุทรงกลมเพียงอย่างเดียวเท่านั้น ไม่ว่าวัตถุจะมีแรงอะไรมากระทำ หรือมีความเร็วขนาดไหนก็ตาม ก็ไม่สามารถหลุดออกจาก Spacetime นี้ได้ เนื่องจากเส้นทางของวัตถุใดๆก็ตาม (ถ้าใครตาม Relativity the Series มา น่าจะคุ้นเคยกับ Worldline) มีทิศทางพุ่งเข้าสู่ใจกลางของวัตถุเพียงอย่างเดียวเท่านั้น ซึ่งถ้าให้พูดแบบง่ายที่สุดก็คือ “ถ้าวัตถุใดๆเข้ามาอยู่ในบริเวณนี้ (0 < r < Rs) แล้ว อนาคตของมันจะไปอยู่ที่ r=0 เพียงอย่างเดียวเท่านั้น” [ดูรูปที่ 3 เพื่อรายละเอียดเพิ่มเติม]
Footnote 2: ทำไมหลุมดำจึงดูดกลืนทุกสิ่งเข้าไป:
ในภาพนี้จะแสดงถึง Spacetime Diagram ใน
Schwarzschild Metric โดยที่กรวยแต่ละอันคือเส้นทางที่
แสงเดินทางได้ (Light Cone)
ซึ่งที่รัศมี r > Rs เราจะเห็นได้ว่า เส้นทางในอนาคตของแสง
(กรวยหงาย) จะเป็นไปตามปกติ
แต่เมื่อเข้ามาที่ r < Rs แล้ว เนื่องจากแกนเวลา (ct) และแกนรัศมี (r)
สลับตำแหน่งกัน ทำให้เส้นทางที่จะไปสู่อนาคตของแสง ถูกบีบ
ให้เข้าไปหาที่ Singularity ที่ r = 0 อย่างเดียวเท่านั้น
ดังนั้น ถ้าวัตถุทรงกลมใดที่มวลมหาศาลมากถูกบีบอัดให้อยู่ภายใน Schwarzschild Radius ของตัวมันเอง มันก็จะสามารถบิด Spacetime อย่างรุนแรงมากเพียงพอ ที่จะทำให้วัตถุอื่นๆที่ข้ามผ่าน Schwarzschild Radius ไปแล้ว จะพุ่งเข้าสู่ Singularity ไม่มีทางกลับออกมาได้อีก แม้กระทั่งแสงก็ตาม ทำให้เราจะเห็นวัตถุนั้นเป็นอะไรสักอย่างที่มืดมิดไร้แสงไฟที่ดูดทุกสิ่งทุกอย่าง จนทำให้เราเรียกมันว่า Black Hole หรือหลุมดำ และเรียกรัศมีสุดท้ายที่วัตถุจะยังไม่ถูกหลุมดำดูดเข้าไปว่า Event Horizon หรือขอบฟ้าเหตุการณ์นั่นเองครับ
[ในที่นี้เราจะเรียกหลุมดำ ที่มาจาก Schwarzschild Solution ว่า Schwarzschild Blackhole โดยเป็นหลุมดำที่ไม่ไหมุนและไม่มีประจุ]
หลังจากนี้ ก็มีการแก้สมการ Einstein Field Equation ในกรณีที่แตกต่างออกไป และเกิดเป็น Solution ที่ให้ผลลัพธ์เป็นหลุมดำประเภทต่างๆ เช่น Kerr Blackhole (หลุมดำที่หมุนรอบตัวเอง), Reissner–Nordström Blackhole (หลุมดำที่มีประจุ) เป็นต้น แต่ทว่าก็ยังมีนักฟิสิกส์หลายๆคน ที่คิดว่าหลุมดำน่าจะเป็นเพียงแนวคิดทางคณิตศาสตร์ ที่อาจจะไม่ได้มีอยู่จริงจริงตามธรรมชาติ เพราะคงไม่มีวัตถุที่จะมีความหนาแน่นมากพอที่จะเป็นหลุมดำได้ และแนวคิดเรื่อง Singularity อาจจะขัดกับหลักการทาง Quantum Mechanics อีกด้วย จนกระทั่งในท้ายที่สุดในปี 1965 Sir Roger Penrose ก็ได้นำเสนอ Singularity Theorem ที่ได้อธิบายไว้อย่างเด็ดขาดว่า Singularity ในหลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้จากการยุบตัวของดวงดาวด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาล ผ่านการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ ซึ่งผลงานนี้เป็นหนึ่งในผลงานเด่นของ Penrose ที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปีนี้อีกด้วย ซึ่งเราจะมาเจาะลึกกันในบทความถัดไปครับ
ในช่วงเดียวกันกับที่นักทฤษฎีกำลังถกเถียงกันเรื่องหลุมดำอย่างเมามัน ทางฝั่งดาราศาสตร์ก็ค้นพบเทหวัตถุชนิดใหม่อย่าง Quasars ที่ปลดปล่อยคลื่นวิทยุมหาศาล โดยเริ่มค้นพบในช่วงปลายทศวรรษ 1950s ก่อนที่จะค้นพบมากขึ้นเรื่อยๆ และได้รับรู้ว่า ที่จริงแล้ว Quasars นั้นอยู่ไกลมากๆ ภายนอกกาแลกซีทางช้างเผือกของเรา ซึ่งเมื่อเราคำนวณย้อนกลับไปจากคลื่นวิทยุที่เราตรวจวัดได้ เราจะพบว่าวัตถุเหล่านั้นมีความส่องสว่าง (Luminosity) และพลังงานสูงมากๆ โดยที่บางดวงมีความสว่างมากกว่ากาแลกซี่ทางช้างเผือกทั้งดวงเสียอีก!
Quasars
นักฟิสิกส์ก็เลยคิดทฤษฎีต่างๆมากมายเพื่อที่จะอธิบายว่าทำไม Quasars ถึงมีความสว่างมากขนาดนี้ แต่ในปัจจุบันทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดถูกเสนอโดย Edwin Zalpeter และ Yakov Zel’dovich ในช่วงปี 1964-1965 พวกเขาเสนอว่าที่มาของพลังงานมหาศาลนั้นมาจากใจกลางของกาแลกซีที่เรียกว่า Active Galactic Nuclei (AGNs) โดยที่ภายใน AGNs จะมีหลุมดำมวลมหาศาล และเมื่อวัตถุพวกแก๊สใน accretion disk (จานพอกพูนมวล) ถูกเร่งความเร็วด้วยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ พวกมันก็จะเสียดสีกันและปลดปล่อยพลังงานอันมหาศาลออกมาโดยการแผ่รังสี ทำให้ AGNs มีความสว่างมากกว่าวัตถุทั่วไป ทฤษฎีเป็นแนวคิดแรกที่เสนอว่า อาจจะมีหลุมดำอยู่ที่ใจกลางของกาแลกซี่ ก่อนที่ Donald Lynden-Bell จะสานต่อทฤษฎีนี้และระบุในงานวิจัยของเขาว่า น่าจะมีหลุมดำขนาดใหญ่อยู่ที่ใจกลางของทุกๆกาแลกซี่ โดยที่กาแลกซี่ทางช้างเผือกของเราเอง ก็เป็นหนึ่งในนั้นด้วยเช่นกัน
ในปี 1931 Karl Jansky ได้ค้นพบว่า ที่บริเวณใจกลางทางช้างเผือกนั้นมีการปลดปล่อยคลื่นวิทยุออกมา โดยที่แหล่งกำเนิดมาจากทิศของกลุ่มดาวคนยิงธนู และภายหลังได้มีการตั้งชื่อแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุนี้ว่า Sagittarius A* ซึ่งก็มีการตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับ Sagittarius A* ไว้มากมาย แต่กว่าที่เทคโนโลยีทางดาราศาสตร์จะพัฒนาเพียงพอที่จะสังเกตอย่างละเอียดได้ ก็ต้องรอจนถึงช่วงปี 1990s
โดยมีนักวิจัยสองทีมจากยุโรปและอเมริกาได้ศึกษา Sagittarius A* อย่างจริงจัง โดยทีมจากยุโรปนำโดย Reinhard Genzel และทีมจากอเมริกานำโดย Andrea Ghez ซึ่งภายหลังจากการสังเกตการโคจรของดาวในบริเวณ Sagittarius A* ยาวนานนับทศวรรษ พวกเขาก็สามารถยืนยันได้ว่า มีวัตถุหนาแน่นมวลยิ่งยวด (supermassive compact object) อยู่ที่ใจกลางกาแลกซีของเราจริงๆ ซึ่งอาศัยคำอธิบายทางฟิสิกส์ในปัจจุบันแล้ววัตถุมวลมหาศาลนั้นน่าจะเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด หรือ Super Massive Blackhole (SMBH) ที่มีมวลราวๆ 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ โดยรายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบครั้งนี้ของทั้งสองคน ที่นำไปสู่รางวัลโนเบลในปีนี้ เราก็จะมาเล่าอย่างละเอียดให้ฟังอย่างแน่นอนครับ
รอติดตามบทความของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้ง 3 ท่าน ได้เร็วๆนี้นะครับ
Reference:
- 3
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
