22 ธ.ค. 2021 เวลา 15:59 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
การแผ่รังสีของฮอว์กิ้ง (Hawking radiation) คืออะไร?
หลายคนอาจจะเคยได้ยินชื่อของสตีเฟน ฮอว์กิ้ง (Stephen Hawking) นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ผู้เขียนหนังสือขายดีอย่างประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History of Time) แต่หลายคนอาจไม่รู้มาก่อนว่าฮอว์กิ้งทำงานวิจัยเรื่องอะไร และ มันมีความสำคัญต่อโลกฟิสิกส์แค่ไหน บทความนี้จะพาไปรู้จักกับการแผ่รังสีของฮอว์กิ้ง ซึ่งเป็นหนึ่งในผลงานสำคัญของเขา ที่นำมาสู่หนึ่งปัญหาที่ยังไม่มีใครแก้ได้จนถึงทุกวันนี้ครับ
หลุมดำเป็นบริเวณที่มีความโน้มถ่วงเข้มมากเสียจนแสงไม่สามารถหลุดออกมาได้ การที่แสงไม่สามารถหลุดออกมาได้ ก็หมายความว่าไม่มีสิ่งใดหลุดออกมาจากภายในหลุมดำได้เลย เพราะตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษไม่มีวัตถุหรือข้อมูลใดสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง
ดังนั้น ถ้าเราทิ้งวัตถุอะไรสักอย่างลงไปในหลุมดำ ข้อมูลของวัตถุนั้นย่อมถูกปิดล็อกไว้ภายในหลุมดำ โดยไม่มีทางหลุดออกมาได้เลย ถ้าเราเขียนไดอารี่หรือข้อความลับไว้ แล้วทิ้งมันลงไปในหลุมดำก็แน่ใจได้เลยว่าจะไม่มีใครในเอกภพสามารถดึงมันออกมาอ่านได้ ยกเว้นจะใช้วิธีกระโดดเข้าไปในหลุมดำเพื่ออ่านมัน(ถ้ายังรอด) แต่ถึงแม้ว่าเขาจะได้อ่าน ก็ไม่มีทางที่เขาจะออกจากหลุมดำมาโพนทะนาเนื้อหาภายในให้ใครได้ฟังได้อยู่ดี
4
ปัญหาของคุณสมบัติดังกล่าว คือ ถ้าเราใส่วัตถุเข้าไปในหลุมดำ เอนโทรปี(Entropy) ของวัตถุนั้นย่อมหายไปจากการสังเกตของเราด้วย ซึ่งเอนโทรปีเป็นปริมาณที่สัมพันธ์กับความไร้ระเบียบ (Disorder) ตัวอย่างเช่น แก้วน้ำที่ตกแตกกระจายบนพื้นมีเอนโทรปีสูงกว่าแก้วน้ำปกติที่ใช้งานได้
มาถึงตรงนี้หลายคนคงจะสงสัยว่าแล้วมันเป็นปัญหาอย่างไร ?
ในวิชาฟิสิกส์นั้น กฎฟิสิกส์เป็นสิ่งที่ไม่อาจมีปรากฏการณ์ใดๆล่วงละเมิดได้ หนึ่งในนั้นคือ กฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์ที่แถลงว่า เอนโทรปีโดยรวมของเอกภพนั้นมีแนวโน้มจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น แก้วน้ำมีแนวโน้มจะแตกออกเป็นเสี่ยงๆได้อย่างง่ายดาย แค่เอามือผลักมันเบาๆให้ตกจากโต๊ะ แต่แก้วที่แตกเป็นชิ้นๆแล้ว กลับมารวมกันเป็นอย่างเดิมได้ยากเย็น
3
การที่เราทิ้งวัตถุบางอย่างลงในหลุมดำย่อมเป็นการทำให้เอนโทรปีของวัตถุนั้นหายไปจากการสังเกตของเรา หรือกล่าวได้ว่าหายไปจากการสังเกตของเอกภพ เพราะเราไม่มีทางวัดเอนโทรปีของมันได้เลย นั่นเป็นปัญหาใหญ่เพราะหากเราทิ้งวัตถุลงไปในหลุมดำเรื่อยๆ ปริมาณเอนโทรปีในเอกภพที่เราสังเกตได้ย่อมลดลงซึ่งขัดกับกฎข้อสองของเทอร์โมไดนามิกส์
การทิ้งวัตถุลงในหลุมดำ นั้นมีความแตกต่างจากการเอาวัตถุเดียวกันไปใส่ไว้ในตู้นิรภัยที่ไม่มีใครไขได้ เพราะวัตถุในตู้นิรภัยนั้น แม้จะถูกตัดขาดจากการมนุษย์ที่อยู่ด้านนอกโลก แต่มันไม่ได้ถูกตัดขาดจากเอกภพ กฎฟิสิกส์ต่างๆยังนับรวมมวลสารของวัตถุในตู้นิรภัยนั้น อีกทั้งจริงๆแล้วเรายังอาจหาวิธีการทางอ้อมหลายอย่างในการตรวจจับมันได้ แต่เอนโทรปีของวัตถุในหลุมดำนั้นถูกตัดขาดโดยกฎฟิสิกส์ ในมุมหนึ่งมันจึงไม่แตกต่างอะไรจากการไม่มีอยู่ในเอกภพ
4
ในปี ค.ศ. 1972 เจคอบ เบเคนสไตน์ เสนอแนวคิดในการวัดเอนโทรปีของหลุมดำทำให้ปัญหาดังกล่าวหายไป เพราะเอนโทรปีของสิ่งที่ตกลงไปในหลุมดำกลายเป็นเอนโทรปีของหลุมดำ ในตอนนี้หลายคนอาจจะสงสัยว่า ในเมื่อขอบเขตของหลุมดำที่เราสังเกตได้จะเป็นเพียงขอบเขตที่แสงไม่อาจเดินทางออกมาได้ ขอบเขตหลุมดำจึงไม่ใช่วัตถุที่ประกอบขึ้นจากอะตอมเหมือนอย่างสสารที่เราคุ้นเคย แล้วมันจะมีเอนโทรปีได้อย่างไร บทความนี้จะข้ามคำอธิบายเชิงฟิสิกส์ในเรื่องนี้ไปก่อน แต่ให้เข้าใจก่อนว่าหลุมดำมีเอนโทรปีที่วัดได้จริงๆ
1
การวัดเอนโทรปีของหลุมดำได้ ทำให้หลุมดำกลายเป็นวัตถุทางธรรมชาติที่สอดประสานเชิงความร้อนกับวัตถุอื่นๆรอบข้างได้อย่างกลมกลืน ต่อมา สตีเฟน ฮอว์กิ้ง นักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ทำการคำนวณร่วมกับนักฟิสิกส์คนอื่นๆแล้วพบว่าหลุมดำไม่เพียงแต่มีเอนโทรปี แต่ยังมีอุณหภูมิค่าหนึ่งด้วย โดยหลุมดำยิ่งมีมวลมากก็ยิ่งมีอุณหภูมิต่ำ
นักฟิสิกส์รู้มานานแล้วว่าวัตถุใดๆที่มีอุณหภูมิมากกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (−273.15°C) จะมีการแผ่รังสีออกมา สตีเฟน ฮอว์กิ้งเสนอว่าหลุมดำก็ควรจะมีการแผ่รังสีออกมาเนื่องจากอุณหภูมิของมันเช่นกัน แต่การแผ่รังสีของหลุมดำดูเป็นเรื่องที่ขัดแย้งกับธรรมชาติของหลุมดำที่ไม่มีสิ่งใดหลุดออกมาจากภายในหลุมดำได้
ทว่าสตีเฟน ฮอว์กิ้งสามารถอธิบายกลไกการแผ่รังสีของหลุมดำได้ ด้วยการใช้ทฤษฎีสนามควอนตัม (quantum field theory)กับความโค้งของอวกาศรอบๆหลุมดำทำให้พบว่าที่ขอบหลุมดำจะมีอนุภาคและปฏิอนุภาคเกิดขึ้นมากมาย ซึ่งหากหนึ่งในนั้นเกิดขึ้นภายนอกหลุมดำ และอีกหนึ่งเกิดขึ้นภายในหลุมดำ อนุภาค(หรือปฏิอนุภาค)ที่เกิดขึ้นนอกหลุมดำย่อมมีโอกาสวิ่งออกมาให้เราสังเกตได้โดยไม่ชนเข้ากับคู่ของมันจนสลายกลับสู่ที่ว่างไปเสียก่อนและนั่นเองคือการแผ่รังสีของฮอว์กิ้ง(Hawking radiation)
1
การใช้ทฤษฎีสนามควอนตัมมาอธิบายธรรมชาติของวัตถุอย่างหลุมดำนั้นเป็นหนึ่งในไอเดียที่ยอดเยี่ยมของฮอว์กิ้ง
แม้ในตอนนี้ยังไม่มีการทดลองใดๆสามารถตรวจจับการแผ่รังสีดังกล่าวได้ ภาพหลุมดำต่างๆที่เราเห็นนั้น ถ้าไม่ใช่ภาพในจินตนาการที่ศิลปินวาดขึ้น ก็เป็นภาพถ่ายจริงที่แสงรอบๆเป็นที่กระจายอยู่รอบๆหลุมดำ ไม่ใช่การแผ่รังสีของฮอวฺกิ้งแต่อย่างใด แต่เนื่องจากตรรกะและกระบวนการคิดของฮอว์กิ้งมีความรัดกุมชัดเจนมากทำให้นักฟิสิกส์จำนวนมากมั่นใจว่าการแผ่รังสีของฮอว์กิ้งนั้นเกิดขึ้นจริง ซึ่งรังสีของฮอว์กิ้งนี้เองนำมาซึ่งปัญหาข้อมูลสูญหายในหลุมดำ(Black hole information paradox) ซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ยุคปัจจุบัน ที่ยังไม่มีใครไขคำตอบได้
รายละเอียดของปัญหานี้ซับซ้อนมาก จะขอเล่าในบทความถัดๆไปครับ
1
โฆษณา