<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/1095" type="text/javascript"></script>

ฟิสิกส์ของหลุมดำ จากอดีต ปัจจุบัน และอนาคต หลุมดำนับว่าเป็นสิ่งที่เหนือความคาดหมายในวงการวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นการก่อเกิดของมัน โครงสร้าง หรือในแง่ของการเชื่อมโยงฟิสิกส์หลุมดำกับศาสตร์แขนงต่างๆ เป็นที่กล่าวกันว่าเราจะไม่สามารถเข้าใจแรงโน้มถ่วงได้อย่างสมบูรณ์หากเราไม่เข้าใจหลุมดำเสียก่อน ผู้เขียน: ณฤทธิ์ ปิฎกรัชต์ ชมแล้ว: 24,715 ครั้ง post ครั้งแรก: Sun 7 January 2007, 12:53 pm ปรับปรุงล่าสุด: Mon 22 January 2007, 11:44 am อยู่ในส่วน: ฟิสิกส์, ดาราศาสตร์

ถ้าจะกล่าวย้อนไปถึงจุดกำเนิดแนวความคิดเรื่องหลุมดำจริง ๆ แล้วก็คงไม่พ้นนักบวชชาวอังกฤษที่ชื่อว่าจอห์น มิเชล (John Michell) ในปี 1784 ผู้ซึ่งเชื่อว่าจะมีดาวดวงหนึ่ง ๆ ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมากที่แม้แต่แสงก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้ การที่จะเดินทางออกจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของโลกที่เราอยู่ เพียงแค่ท่านเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 10 ก.ม. ต่อ วินาที ก็สามารถหลุดออกไปโคจรในอวกาศได้ ยิ่งมีความเร็วต้นมากเท่าไหร่ก็ย่อมออกนอกโลกได้ง่ายมากขึ้นเท่านั้น แต่การศึกษาหลุมดำอย่างมีหลักการในความเป็นจริง ๆ แล้วก็เริ่มจากปิแอร์ ลาปลาส (Pierre Laplace) นักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสเป็นผู้ที่ทำการคำนวณโดยใช้กลศาสตร์ของนิวตัน เขาก็สามารถคำนวณขนาดของรัศมีที่จะทำให้ดาวดวงหนึ่ง ๆ เป็นหลุมดำได้ แต่ในความเป็นจริงแล้วผลการคำนวณของ Laplace ในปี 1795 นั้นยังไม่ถูกต้อง เพราะเราทราบภายหลังจากที่ไอน์สไตน์ได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพขึ้นมา พบว่าฟิสิกส์ของนิวตันไม่สามารถใช้ศึกษาวัตถุที่มีขนาดใหญ่ ๆ มีความเร็วสูง ๆ ได้ ซึ่งก็หมายความว่ามีแรงโน้มถ่วงมาก เพราะยิ่งมวลมากก็มีอิทธิพลแรงโน้มถ่วงมากขึ้น กลศาสตร์ของนิวตันนั้นใช้ได้ดีในระบบที่ไม่เป็นสัมพัทธภาพ (non-relativistic regime) เท่านั้น ต่อจากนั้นเป็นเวลากว่า 120 ปีก่อนที่อัลเบิรต์ ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้สร้างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมา ซึ่งเป็นเป็นทฤษฎีที่ได้รับการพิสูจน์จากหลาย ๆ การทดลองและการสังเกตการณ์แล้วว่าเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วง (theory of gravitation) ที่ถูกต้องที่สุดเมื่อใช้อธิบายปรากฎการณ์สำหรับวัตถุขนาดใหญ่ มีแรงโน้มถ่วงสูงและมีความเร็วสูงใกล้ความเร็วแสงหรือเรียกว่าเข้าเขตสัมพัทธภาพ (relativistic limit) สำหรับสมการหลักของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ใช้ก็คือสมการไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นสมการไม่เชิงเส้นและเป็นสมการเทนเซอร์ซึ่งแม้แต่ Einstein เองก็ไม่คิดว่าจะมีใครจะถอดสมการนั้นได้ง่าย ๆ แต่เรื่องที่เหลือเชื่อก็คือภายในเวลา 1 ปีหลังจากที่สมการไอน์สไตน์เป็นที่รู้จัก Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันก็สามารถถอดสมการนั้นได้และผลเฉลยนั้นเป็นผลเฉลยสำหรับวัตถุที่อยู่ในความหมายของดวงดาวทั้งปวง ที่มีสมมาตรเชิงทรงกลมและมีภายนอกเป็นสุญญากาศ ผลเฉลยเป็นที่รู้จักกันในชื่อ ผลเฉลยชว๊าซชิลด์ (Schwarzschild solution) โดยที่รูปของผลเฉลยนี้จะอยู่ในรูปของเมตริกซึ่งเกี่ยวข้องกับเรขาคณิตของกาลอวกาศ ซึ่งมีอยู่ว่า





โดยที่ คือรัศมีของวัตถุที่จะเป็นหลุมดำ และ ก็คือมวลของมัน ณ ตำแหน่ง ก็คือขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ที่เป็นหลุมดำซึ่งหมายถึงอาณาเขตของหลุมดำ ถ้าเราได้ผ่านขนาด เข้าไปแล้วก็จะไม่สามารถออกมาได้ไม่ว่าจะทำความเร็วเท่าใดก็ตาม นอกจากนี้ในแง่คณิตศาสตร์เราจะเห็นว่าที่ เมตริกจะเป็นเอกฐาน (singular) แต่เราทราบว่าจริง ๆ แล้วความเป็นเอกฐานอันนั้นมาจากการเลือกพิกัดเท่านั้น เพราะความเป็นเอกฐานจริง ๆ ของหลุมดำชว๊าซชิลด์จะอยู่ที่ หรือจุดศูนย์กลางของหลุมดำนั่นเอง ซึ่งหมายถึงจุดที่แรงโน้มถ่วงจะเป็นอนันต์





ในความเป็นจริงแล้วชว๊าซชิลด์เองก็ไม่สามารถจะแปลความหมายของผลเฉลยที่เขาค้นพบออกมาได้ในเชิงฟิสิกส์ว่ามันคืออะไรกันแน่ ต่อมาเราก็ทราบว่าผลเฉลยชว๊าซชิลด์ ก็คือ แบบจำลองทางทฤษฎีของหลุมดำหรือจะเรียกว่าผลเฉลยหลุมดำ (black hole solution) ก็ได้แบบที่ง่ายที่สุดนั่นเอง กล่าวคือเป็นหลุมดำที่มีมวลเป็นตัวแปรกำหนด ในปี 1918 ไรส์เนอร์ (Reissner)และนอร์ดเสตริม Nordstrom ก็ได้ค้นพบผลเฉลยหลุมดำที่มีประจุไฟฟ้าเข้าไปด้วย จึงเป็นที่รู้จักกันในชื่อหลุมดำ Reissner-Nordstrom ในปี 1920 นักฟิสิกส์ชาวนอร์เวย์ที่ชื่อว่าเยอร์ก ทอฟเตอร์ เยปเซ็น (Jorg Tofte Jebsen) ได้สร้างทฤษฎีบทว่าผลเฉลยชว๊าซชิลด์นั้นเป็นผลเฉลยที่มีความสมมมาตรเชิงทรงกลมมีอยู่เพียงหนึ่งเดียว (unique solution) สำหรับสมการไอน์สไตน์ในสุญญากาศ (Einstein equations in vaccuum) อย่างไรชื่อของ Jebsen ไม่ได้เป็นที่รู้จักกันในชื่อของ Jebsen แต่ในชื่อของทฤษฎีบทเบิร์กคอฟฟ์ (Birkhoff’s theorem)





สำหรับการศึกษาว่าหลุมดำมาจากการยุบลงด้วยแรงโน้มถ่วง (gravitational collapse) ศึกษาโดยโอปเปนไฮม์เมอร์ (Oppenheimer) กับชะนีเดอร์ (Snyder) ในปี 1939 ซึ่งนับได้ว่าเป็นความพยายามครั้งแรกที่มีการศึกษาหลุมดำในแง่ดาราศาสตร์หรือดาราฟิสิกส์ อย่างไรเราถือว่ากันว่าฟิสิกส์หลุมดำได้ก่อเกิดจริง ๆ ในห้วงทศวรรษที่ 1960 เมื่อรอย เคอร์ (Roy Kerr) นักคณิตศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ (ผู้ได้รับรางวัล Marcel-Grossman ประจำปี 2006 ที่มอบให้ที่กรุงเบอร์ลิน)ได้ค้นพบผลเฉลยหลุมดำที่รวมการหมุน (rotation) ของหลุมดำเข้าไปด้วย และผลเฉลยที่ Kerr ค้นพบก็เป็นผลเฉลยที่เที่ยงตรง (exact solution) ซึ่งถือว่างานของเขาเป็นงานที่สำคัญมาก ๆ ชิ้นหนึ่งในฟิสิกส์เพราะเราพบว่าหลุมดำที่มีอยู่ในธรรมชาติจะมีการหมุนด้วย ผลเฉลยอันนี้เป็นที่รู้จักกันในชื่อ ผลเฉลยเคอร์ (Kerr solution) ต่อจากนั้นก็มีการค้นพบผลเฉลยหลุมดำที่สมบูรณ์ (สำหรับฟิสิกส์ใน 4 มิติ) นั่นก็คือ ผลเฉลยเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman solution) อย่างไรก็ตามในการศึกษาเชิงสังเกตการณ์พบว่าเรามักไม่พบหลุมดำที่มีประจุและหมุนอยู่ด้วยในเวลาเดียวกันด้วยเหตุที่ว่า ประจุไฟฟ้าจะสลายไปได้ในเวลาอันรวดเร็วมากจากการที่มีสสารที่มีประจุตรงข้ามเข้าไปทำให้หลุมดำมีสมบัติทางไฟฟ้าที่เป็นกลาง

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน