งานวิจัยด้านหลุมดำของนักฟิสิกส์ไทย
การแก้ปัญหาเชิงความร้อนของหลุมดำ
สมัยผมเรียนโทด้านฟิสิกส์ ผมมีเพื่อนสนิทคนหนึ่งชื่อ ต้น(อาจารย์ ฉัตรชัย พรหมศิริ) เราพูดคุยเรืองฟิสิกส์(และเรื่องอื่น)บ่อยๆ แต่เมื่อเราเรียนจบก็แยกย้ายกันไปคนละทิศละทาง
ผมเดินเข้าสู่โลกการทำงาน ส่วนอาจารย์ต้นยืนหยัดต่อสู้บนโลกของการเรียนต่อ ป.เอก ซึ่งแน่นอนว่ามันเป็นภารกิจหนักหนาสาหัส พอผมได้ยินว่าต้นเลือกทำวิจัยเกี่ยวกับเทอร์โมไดนามิกส์ของหลุมดำ ผมเครียดแทนเพื่อนคนนี้มาก เพราะมันยากสุดๆ
เมื่อเวลาผ่านไป ไม่นานนี้ อาจารย์ต้นเพิ่งจะได้รับการตีพิมพ์งานวิจัยระดับปริญญาเอกในวารสารฟิสิกส์ Physical Review D ซึ่งเป็นวารสารฟิสิกส์ชั้นนำระดับนานาชาติ และเขายังได้ตีพิมพ์งานวิจัยถึง 2 ชิ้น! สำหรับคนที่เรียนฟิสิกส์นับว่าเป็นการเริ่มต้นความสำเร็จที่สวยงามทีเดียว เลยอยากนำมาเล่าให้ฟังว่างานวิจัยของเขาเกี่ยวกับอะไรบ้าง
ก่อนอื่นต้องบอกว่า หลุมดำนั้นเป็นวัตถุทางดาราศาสตร์ที่มีปัญหาหลายอย่างหลายมุมให้ศึกษา หนึ่งในนั้นคือ ธรรมชาติเกี่ยวกับความร้อนของมัน หากจะกล่าวให้เจาะจงขึ้นไปคือ เอนโทรปีของหลุมดำนั้นยังคงเป็นปริศนาอยู่ เพราะสูตรเก่าๆที่มีให้ผลลัพธ์ที่ไม่สอดคล้องกับธรรมชาติของหลุมดำที่ควรจะเป็น เช่น
หลุมดำ ที่มา : Wikipedia
(i) หลุมดำเป็นวัตถุที่มีความเข้มของแรงโน้มถ่วงสูงมาก การใช้เทอร์โมไดนามิกส์แบบเดิมๆอาจให้ผลที่ไม่สมบูรณ์ได้
(ii) ความจุความร้อนของหลุมดำมีค่าเป็นลบตลอด จึงทำให้ยากที่จะนิยามอุณหภูมิของหลุมดำได้ เว้นเสียแต่หลุมดำกับสิ่งแวดล้อมจะมีอุณหภูมิเท่ากันพอดีเป๊ะ
(iii) ในระบบแก๊สเมื่อมีความร้อนไหลเข้าหรือออก ปริมาตรของมันจะเพิ่มขึ้นและลดลงตามลำดับ แต่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เราไม่มีนิยามของความดันและปริมาตรของหลุมดำทำให้ไม่สามารถคำนวณงานที่เกิดขึ้นจากการขยายตัว (ความร้อนไหลเข้าหลุมดำ) หรือการหดตัว (การแผ่รังสีฮอร์คิง) ของหลุมดำได้
ที่มา : NASA
งานวิจัยของต้นเป็นการศึกษาธรรมชาติพื้นฐานของหลุมดำโดยใช้ เอนโทรปีแบบเรนยี (Rényi entropy) โดย งานแรกคือ การศึกษาจนนำไปสู่สมการบ่งบอกสถานะของหลุมดำ ซึ่งนำไปสู่ทางออกของปัญหาข้างต้นที่กล่าวมา เทอร์โมไดนามิกส์ของหลุมดำแบบเรนยีเอนโทรปีนั้นทำให้ค่าความจุความร้อนของมันมีค่าเป็นบวกได้ นี่เป็นข่าวดีมากเพราะสมดุลความร้อนระหว่างหลุมดำกับสิ่งแวดล้อมสามารถเกิดขึ้นได้โดยที่มันไม่จำเป็นต้องมีอุณหภูมิเท่ากันเป๊ะตั้งแต่แรก เมื่อเกิดสมดุลความร้อนเราก็สามารถนิยามอุณหภูมิได้ตามกฎข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์
สูตรของเรนยีเอนโทรปีนั้นจะมีพารามิเตอร์ตัวหนึ่งซึ่งถ้าวิเคราะห์ตามกฎข้อที่ 1 ของเทอร์โมไดนามิกส์แล้วพบว่ามันมีลักษณะคล้ายกับความดัน ที่น่าสนใจคือเมื่อพิจารณาหาคู่ปริมาณทางความร้อนของมันจะพบว่าเป็นปริมาตรทรงกลมของหลุมดำพอดี นั่นทำให้เราสามารถนิยามงานที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนปริมาตรของหลุมดำได้ด้วย
ภาพแสดงการเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรคาร์โนต์ ของ เครื่องจักรความร้อนคาร์โนต์ ที่มา : Wikipedia
งานที่สอง เป็นการศึกษากฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ของหลุมดำ เมื่อเรามีนิยามของความดันและปริมาตรแล้ว เราก็สามารถสร้างเครื่องจักรความร้อนที่อาศัยการขยายตัวหรือหดตัวเชิงความร้อนของหลุมดำได้ ด้วยการใช้สมการสถานะของหลุมดำจากงานชิ้นแรก พบว่าหลุมดำมีค่าประสิทธิภาพทางความร้อนเทียบเท่าเครื่องจักรความร้อนแบบคาร์โนต์ แสดงว่าภายใต้เอนโทรปีแบบใหม่นี้ กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ก็ไม่ได้ถูกละเมิดแต่อย่างใด
ทั้งสองงานนี้เป็นการต่อยอดที่น่าสนใจมาก เพราะเอาจริงๆยังไม่มีใครรู้หรอกว่าเอนโทรปีแบบเรนยีนั้นถูกต้องหรือไม่ แค่ไหน แต่การศึกษาฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจะมองมันในแง่มุมต่างๆเช่นนี้ จนในที่สุดความจริงก็อาจจะหลุดออกมาให้เห็นกัน
- 5
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
