หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1: หลุมดำมีทางออกเสมอ

เนื่อหาเยอะแน่นไปด้วยความรู้   หากขี้เกียจอ่าน  แนะนำคลิกชมที่ยูทูปเอาก็ได้ครับ  เพราะเนื้อหาถอดคำพูดมาจากคลิปวีดีโอทั้งหมด

ความหมายของหลุมดำโดยทั่วไปก็คือ อาณาบริเวณของอวกาศและเวลา ที่ปรากฏให้เห็นอยู่ในสภาวะภายใต้แรงโน้มถ่วงอันมหาศาล โดยที่เราไม่อาจมองเห็นตัวตนของมันได้ (แต่จะสามารถมองเห็นมันผ่านวิธีการอ้อมแทน เช่น การสังเกต ‘จานพอกพูนมวล’ (accretion disk) ที่เปล่งแสงออกมาอยู่ภายใต้ ‘รังสีเอกซ์’ (X-ray) หรือสังเกตจากปรากฏการณ์ ‘เลนส์ความโน้มถ่วง’ (gravitational lens)) ก็อย่างที่บอกว่าหลุมดำนั้นก็คือ อาณาบริเวณของอวกาศและเวลา ที่ปรากฏให้เห็นอยู่ในภาวะภายใต้แรงโน้มถ่วงอันมหาศาล แล้วแรงโน้มถ่วงที่ว่ามหาศาลนี้ มันมากแค่ไหน ก็ต้องบอกว่ามากเสียจนมีค่าเป็นอนันต์ นั่นก็คือหากมีอะไรก็ตามที่บังเอิญได้หลุดเข้าไปสู่หลุมดำแล้วละก็ สิ่งๆนั้นก็จะไม่มีวันได้หนีออกมาได้จากภายใน แม้จะมีการเร่งอัตราเร็วจนเกือบเท่าแสงก็ตาม หรือแม้แต่ตัวของแสงเองเลยด้วย ก็อย่างเราทราบกันอยู่ว่ามัน แสง มันคือสิ่งที่ไปได้เร็วที่สุดในจักรวาล (หรือราวๆ 3แสนกิโลเมตรต่อวินาที) แต่ด้วยความเร็วขนาดนี้มันก็ยังไม่อาจสามารถ หลีกหนีออกมาได้พ้นจากอาณาบริเวณความโน้มถ่วงอันไร้ขีดจำกัดของหลุมดำ ดังนั้นหากเราได้ถูกหลุมดำดูดเข้าไปแล้วละก็ ต้องบอกได้เลยว่า นั้นแหละคือวะระสุดท้ายของชีวิตอย่างแท้จริง

รูปที่ 1) หลุมดำเมื่อมองจากด้านข้าง มันจะถูกบดบังด้วย ‘จานพอกพูนมวล’ (Accretion Disk) และถูกโอบล้อมไปด้วยแสงที่โค้งไปตามกาลอวกาศ ที่เรียกว่า ‘วงแหวนไอน์สไตน์’ (Einstein Ring) เครดิต: CNRS

อย่างไรก็ตามหากเราพิจารณาจากจักรวาลในระดับมหาภาคแล้วก็ดูจะเหมือนว่า คงจะไม่มีสิ่งใดสามารถหลุดหนีออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้เลยก็จริง แต่สำหรับนักฟิสิกส์ผู้ที่ศึกษาอยู่ในสาขาวิชาฟิสิกส์จุลภาค หรือฟิสิกส์ฟิสิกส์ควอนตัมแล้วละก็ จะพบว่า ในฟิสิกส์อนุภาคทฤษฎีสนามควอนตัมของกาลอวกาศโค้ง หรือ Quantum field theory in curved space-time นี้ ก็ได้ทำนายเอาไว้ว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นจะสามารถปลดปล่อยสิ่งๆหนึ่งออกมาได้อยู่ สิ่งๆนั้นก็คือ ‘รังสีฮอว์กิง’ (Hawking radiation) ซึ่งการแผ่รังสีฮอว์กิงนี้ ก็จะไปคล้ายกับ การแผ่รังสีของวัตถุดำ (Black-body radiation) ที่กล่าวว่าวัตถุหรืออนุภาคใดๆก็ตามหากถูกทำให้สั่นไหวจนเกิดความร้อนขึ้น อนุภาคหรือวัตถุนั้นๆก็จะเกิดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าภายใต้สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ ซึ่ง อุณหพลศาสตร์ ก็คือ วิชาว่าด้วยการศึกษาการแลกเปลี่ยนของพลังงานระหว่างสองสิ่งขึ้นไป หรือจะกล่าวในอีกแง่หนึ่งก็คือ อนุภาคในจักรวาลของเรา ทุกๆอย่าง หรือแต่ตัวของเราเอง ก็มีการแผ่รังสีของวัตถุดำอยู่เช่นกันแต่อาจมีปริมาณที่เล็กน้อยมากๆ ซึ่งจากการวัดค่าอุณภูมิเฉลี่ยของจักรวาลเราในปัจจุบันเนี่ย ก็พบว่า มันยังคงมีอุณหภูมิอยู่ที่ราวๆ 2.73 เคลวิน เหนือศูนย์สัมบูรณ์ (Absolute zero) ดังนั้นหากว่าจักรวาลของเราได้ไปมีอุณหภูมิที่ลดลงมาอยู่ในระดับ Absolute zero หรือศูนย์สัมบูรณ์เมื่อไหร่ละก็ อนุภาคทุกๆชนิดในจักรวาลแห่งนี้ก็แทบจะหยุดการเคลื่อนไหวอย่างสมบูรณ์ และมันก็จะหยุดอยู่นิ่งๆไปอย่างนั้นตลอดกาล (ศูนย์สัมบูรณ์นั้นจะมีอุณหภูมิอยู่ที่ −273.15 องศาเซลเซียส (ซึ่งในหน่วยเซลเซียสหลายคนน่าจะคุ้นชินมากกว่า) โดยในทางพลศาสตร์แล้ว อุณหภูมิ ณ ตำแหน่ง −273.15 องศาเซลเซียสนี้ ก็คืออุณหภูมิที่เย็นยะเยือกที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้แล้ว นี้ก็หมายความว่าจะไม่มีสิ่งใดที่จะสามารถเย็นลงไปได้ต่ำกว่านี้อีก ซึ่งปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์เองก็ยังไม่สามารถสร้างสภาวะของความเย็นที่ศูนย์สัมบูรณ์ แบบนี้ขึ้นมาได้ในห้องทดลองเลย และในทางปฎิบัติมันก็ยากที่จะเกิดขึ้นได้จริงด้วย)

ทีนี้กลับมาที่เรื่องการแผ่รังสีของวัตถุดำกันต่อ ก็อย่างที่ได้บอกไปว่าอุณภูมิที่ศูนย์สัมบูรณ์นั้นในทางปฏิบัติยังไม่อาจเกิดขึ้นได้ หรือจะกล่าวในอีกแง่หนึ่งก็คือ ศูนย์สัมบูรณ์ในปัจจุบัน ยังคงเป็นแค่อุณหภูมิในอุดมคติเท่านั้น นี้ก็หมายความว่า อนุภาคทุกชนิดในจักรวาลแห่งนี้ มันก็จะยังคงมีการสั่นอันนำไปสู่การแผ่รังสีความร้อนออกมาได้เสมอ โดยปริมาณการแผ่รังสีของวัตถุนั้นมันก็จะมีสเปกตรัมและความเข้มที่มีค่าขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของวัตถุนั้นๆ ดังเช่นในหลุมดำประเภท Stellar black hole หรือหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์นี้ จึงสามารถมีอุณหภูมิที่แผ่ออกมาได้มากถึงในระดับพันล้านเควิลกันเลยทีเดียว ซึ่งด้วยการแผ่รังสีเช่นนี้ถือเป็นเรื่องที่ดี เพราะมันจะไปช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถส่องหามันได้ง่ายขึ้น เช่นการใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ หรือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราเป็นต้น (ซึ่ง กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรานี้มีความสามารถพิเศษตรงที่มัน จะสามารถตรวจจับรังสีเอกซ์ได้ ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการศึกษาดาวฤกษ์ หรือหลุมดำมวลยวดยิ่งต่างๆ ที่อยู่ ณ ใจกลางของกาแล็กซี่ได้)

ที่นี้เราก็น่าจะพอทราบคร่าวๆแล้วว่า การแผ่รังสีของวัตถุดำคืออะไร สรุปโดยย่อก็คือ หลุมดำในสมัยก่อนนี้ นักวิทยาศาสตร์รู้แต่เพียงว่ามันคือปีศาจร้ายที่คอยดูดกลืนมวลสารต่างๆในจักรวาล จนขนาดของมันค่อยๆ เริ่มอ้วนขึ้นเรื่อยๆ แต่ในภายหลังจากที่นักฟิสิกส์ชื่อดังอย่าง สตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง ได้ศึกษาในเรื่องของการแผ่รังสีของวัตถุดำอย่างละเอียดก็พบว่า แม้แต่หลุมดำเองก็ยังสามารถสูญเสียมวลและพลังงานของตัวเองไปได้อยู่เช่นกัน นั่นก็คือ การแผ่รังสีของวัตถุดำ หรือ รังสีฮอว์กิงนั่นเอง (โดยชื่อนี้ถูกตั้งไว้เพื่อเป็นเกียรติให้แก่คุณ สตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง) โดยรังสีฮอว์กิงที่ว่านี้ จะถูกปลดปล่อยออกมาจากหลุมดำได้ด้วยปรากฏการณ์ทางควอนตัม ณ บริเวณใกล้ๆกับขอบฟ้าเหตุการณ์ ดังนั้นด้วยการแผ่รังสีเช่นนี้ๆเอง ที่ไปทำให้หลุมดำได้เกิดการสูญเสียพลังงานขึ้นได้ ซึ่งจากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ในเรื่องที่เกี่ยวกับ หลักความสมมูลของสสารและพลังงาน ได้เคยกล่าวเอาไว้ว่า สสารและพลังงานมีความสัมพันธ์กันอยู่จริง เช่นมวลของสสารสามารถหายไปได้ด้วยการแปรเปลี่ยนไปเป็นพลังงานได้เป็นต้น ดังนั้นการที่หลุมดำได้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบการแผ่รังสีฮอว์กิงนี้เอง จึงไปส่งผลทำให้มวลของหลุมดำ จึงค่อยๆลดลงไปเรื่อยๆได้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า แบล็คโฮล อีแวโพเรชัน (black hole evaporation) หรือการระเหยของหลุมดำ และด้วยปรากฏการณ์นี้เอง ในวาระสุดท้ายของเวลา หลุมดำทุกๆดวงในเอกภพก็คงจะหลีกหนีไม่พ้นการสลายหายไปจนหมดสิ้น

รูปที่ 2) การแผ่รังสีฮอว์กิง (Hawking radiation) เมื่อคู่ปฎิยานุภาคของแต่ละสสารได้ถูกแบ่งแยกออกจากกันตามแนว ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ (Event Horizon) เครดิต: David Shiga/ NewScientist

และสุดท้ายก่อนที่จะจบบทความนี้ ผมก็จะขอทิ้งท้ายด้วยคำอธิบายของ สตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง ถึงลักษณะของหลุมดำและกลไกของมัน ในวิดีโอที่ชื่อว่า Stephen Hawking explains black holes in 90 seconds (ซึ่งวิดีโอนี้เป็นสื่อภาพและเสียงที่เผยแพร่ผ่านช่อง BBC News เอาไว้เมื่อปี 2016)

โดยในวิดีโอดังกล่าว สตีเฟ่น ฮอว์กิ้ง ได้เคยพูดเอาไว้อย่างน่าสนใจเลยทีเดียว เขาบอกว่าจริงอยู่ที่หลุมดำนั่นมีมวลมหาศาลจนสามารถดึงดูดทุกสิ่งให้เข้าไปสู่ภายในของมันได้ และเขายังพูดขำๆอีกว่า เราอาจโยนข้าวของเครื่องใช้ที่ไม่จำเป็น รวมไปถึงสิ่งชั่วร้ายต่างๆฝากเอาไว้ในหลุมดำได้เลย เพราะยังไงชั่วชีวิตเราก็คงจะไม่ได้เห็นมันอีกแล้ว

อีกทั้งเขายังบอกอีกว่าหลุมดำแท้จริงแล้วเป็นเพียงมวลรวม, โมเมนตัมเชิงมุม และประจุไฟฟ้าเท่านั้น โดยในทางกลศาสตร์ควอนตัมได้ตีความจักรวาลแห่งนี้เอาไว้ว่า ทั้งอวกาศนั้นเต็มไปด้วยคู่อนุภาคเสมือนจริง และปฎิยานุภาค ซึ่งทั้งสองสิ่งนี้จะปรากฏขึ้นเป็นคู่อย่างต่อเนื่อง จากนั้นมันก็จะรวมตัวกันและทำลายซึ่งกันและกันไป

ดังนั้นคู่อนุภาคเสมือนจริงอาจตกลงไปสู่หลุมดำได้ และปล่อยให้เพื่อนของมันอีกตัวอยู่อย่างโดดเดี่ยวเดียวดาย ไม่มีคู่ให้ทำลายเล่น โดยอนุภาคที่ถูกปล่อยทิ้งเอาไว้ หรือ ปฏิยานุภาคนี้ บางทีมันก็อาจร่วงหล่นไปตามคู่ของมัน แต่ในขณะเดียวกันปฏิยานุภาคบางตัวก็อาจสามารถหนีออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้  ซึ่งจะปรากฏให้เห็นอยู่ในรูปแบบของการปลดปล่อยรังสี ดังนั้นแล้วหลุมดำ จึงไม่ได้ดำอย่างที่มันได้ถูกวาดภาพเอาไว้แต่ประการใด อีกทั้งพวกมันเองก็ไม่ใช่เรือนจำชั่วนิรันดร์อย่างที่หลายคนตระหนัก เพราะสิ่งต่างๆจะสามารถหลุดออกมาจากหลุมดำได้ทั้งหมด ทั้งจากการหลุดออกมาจากภายนอก หรือการหลุดออกไปสู่อีกจักรวาลหนึ่งเป็นต้น และสุดท้ายฮอว์กิ้งก็ได้ทิ้งท้ายเอาไว้ว่า “หากคุณรู้สึกท้อแท้ใจ ว่าคุณกำลังอยู่ในหลุมดำแล้วละก็ จงอย่ายอมแพ้ เพราะหลุมดำมันมีทางออกเสมอ!”