เราอาศัยอยู่ในหลุมดำหรือไม่? โครงสร้างและชีวิตของจักรวาล จักรวาลตั้งอยู่ในหลุมดำ
เอส. ทรานคอฟสกี้
ในบรรดาปัญหาที่สำคัญและน่าสนใจที่สุดของฟิสิกส์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมัยใหม่ นักวิชาการ V.L. Ginzburg ได้ตั้งชื่อประเด็นที่เกี่ยวข้องกับหลุมดำ (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 11, 12, 1999) มีการทำนายการมีอยู่ของวัตถุแปลก ๆ เหล่านี้เมื่อกว่าสองร้อยปีที่แล้ว สภาพที่นำไปสู่การก่อตัวของพวกเขาได้รับการคำนวณอย่างแม่นยำในช่วงปลายทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 และฟิสิกส์ดาราศาสตร์เริ่มศึกษาพวกมันอย่างจริงจังเมื่อไม่ถึงสี่สิบปีก่อน ปัจจุบัน วารสารวิทยาศาสตร์ทั่วโลกตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับหลุมดำหลายพันบทความทุกปี
การก่อตัวของหลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้สามวิธี
นี่เป็นธรรมเนียมที่จะต้องพรรณนาถึงกระบวนการที่เกิดขึ้นในบริเวณใกล้กับหลุมดำที่กำลังยุบตัว เมื่อเวลาผ่านไป (Y) พื้นที่ (X) รอบๆ พื้นที่นั้น (พื้นที่แรเงา) จะหดตัวลง และพุ่งเข้าหาภาวะเอกฐาน
สนามโน้มถ่วงของหลุมดำทำให้เกิดการบิดเบือนอย่างรุนแรงในเรขาคณิตของอวกาศ
หลุมดำซึ่งมองไม่เห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ จะเผยให้เห็นตัวเองโดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น
ในสนามโน้มถ่วงอันทรงพลังของหลุมดำ คู่อนุภาคและปฏิปักษ์ได้ถือกำเนิดขึ้น
การเกิดคู่อนุภาค-ปฏิปักษ์ในห้องปฏิบัติการ
พวกเขาเกิดขึ้นได้อย่างไร
เทห์ฟากฟ้าที่ส่องสว่างซึ่งมีความหนาแน่นเท่ากับโลกและมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของดวงอาทิตย์สองร้อยห้าสิบเท่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของมัน จะไม่ยอมให้แสงมาถึงเรา ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่วัตถุเรืองแสงที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาลยังคงมองไม่เห็นอย่างแม่นยำเนื่องจากขนาดของมัน
ปิแอร์ ไซมอน ลาปลาซ.
นิทรรศการระบบโลก พ.ศ. 2339
ในปี 1783 นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ John Mitchell และอีก 13 ปีต่อมา Pierre Simon Laplace นักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ทำการศึกษาที่แปลกประหลาดมากโดยไม่ขึ้นอยู่กับเขา พวกเขามองดูสภาวะที่แสงไม่สามารถหนีจากดาวฤกษ์ได้
ตรรกะของนักวิทยาศาสตร์นั้นเรียบง่าย สำหรับวัตถุทางดาราศาสตร์ใดๆ (ดาวเคราะห์หรือดาวฤกษ์) มีความเป็นไปได้ที่จะคำนวณสิ่งที่เรียกว่าความเร็วหลุดพ้น หรือความเร็วจักรวาลที่สอง ซึ่งช่วยให้วัตถุหรืออนุภาคใดๆ หลุดลอยไปตลอดกาล และในฟิสิกส์ในเวลานั้น ทฤษฎีของนิวตันครองตำแหน่งสูงสุด โดยที่แสงคือการไหลของอนุภาค (ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและควอนตัมยังอยู่ห่างออกไปเกือบร้อยห้าสิบปี) ความเร็วหลบหนีของอนุภาคสามารถคำนวณได้จากความเท่าเทียมกันของพลังงานศักย์บนพื้นผิวดาวเคราะห์และพลังงานจลน์ของร่างกายที่ "หลบหนี" ไปเป็นระยะทางไกลมากอย่างไม่สิ้นสุด ความเร็วนี้ถูกกำหนดโดยสูตร #1#
ที่ไหน ม- มวลของวัตถุอวกาศ ร- รัศมีของมัน ช- ค่าคงที่แรงโน้มถ่วง
จากนี้เราสามารถรับรัศมีของวัตถุที่มีมวลที่กำหนดได้อย่างง่ายดาย (ต่อมาเรียกว่า "รัศมีความโน้มถ่วง" ร g ") โดยที่ความเร็วหลุดพ้นเท่ากับความเร็วแสง:
ซึ่งหมายความว่าดาวดวงหนึ่งถูกบีบอัดจนกลายเป็นทรงกลมที่มีรัศมี รก< 2จีเอ็ม/ค 2 จะหยุดเปล่งแสง - แสงจะไม่สามารถออกไปได้ หลุมดำจะปรากฏขึ้นในจักรวาล
ง่ายที่จะคำนวณว่าดวงอาทิตย์ (มวล 2.1033 กรัม) จะกลายเป็นหลุมดำหากหดตัวในรัศมีประมาณ 3 กิโลเมตร ความหนาแน่นของสารจะสูงถึง 10 16 g/cm3 . รัศมีของโลกที่ถูกบีบอัดจนกลายเป็นหลุมดำจะลดลงเหลือประมาณหนึ่งเซนติเมตร
ดูเหมือนเหลือเชื่อที่อาจมีพลังในธรรมชาติที่สามารถบีบอัดดาวฤกษ์ให้มีขนาดเล็กลงได้ ดังนั้นข้อสรุปจากผลงานของมิทเชลล์และลาปลาซจึงได้รับการพิจารณามานานกว่าร้อยปีแล้วว่าเป็นสิ่งที่ขัดแย้งทางคณิตศาสตร์ที่ไม่มีความหมายทางกายภาพ
การพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดว่าวัตถุแปลกใหม่ในอวกาศนั้นเป็นไปได้นั้นได้มาในปี 1916 เท่านั้น หลังจากวิเคราะห์สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล ชวาซไชลด์ ก็ได้รับผลลัพธ์ที่น่าสนใจ เมื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคในสนามโน้มถ่วงของวัตถุขนาดใหญ่เขาได้ข้อสรุป: สมการสูญเสียความหมายทางกายภาพ (สารละลายเปลี่ยนเป็นอนันต์) เมื่อ ร= 0 และ ร = รก.
จุดที่ลักษณะของสนามกลายเป็นสิ่งไร้ความหมายเรียกว่าเอกพจน์นั่นคือพิเศษ ภาวะเอกฐานที่จุดศูนย์สะท้อนถึงโครงสร้างแบบสมมาตรส่วนกลางของสนามในทิศทางเดียวกัน (ในท้ายที่สุดแล้ว วัตถุทรงกลมใดๆ เช่น ดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ สามารถแสดงเป็นจุดวัตถุได้) และจุดที่อยู่บนพื้นผิวทรงกลมที่มีรัศมี ร g สร้างพื้นผิวซึ่งมีความเร็วหลุดพ้นเท่ากับความเร็วแสง ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เรียกว่าทรงกลมเอกพจน์ชวาร์สไชลด์ หรือขอบฟ้าเหตุการณ์ (เหตุใดจึงจะชัดเจนในภายหลัง)
จากตัวอย่างของวัตถุที่เราคุ้นเคย - โลกและดวงอาทิตย์ - เป็นที่ชัดเจนว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดมาก แม้แต่นักดาราศาสตร์ที่จัดการกับสสารที่อุณหภูมิความหนาแน่นและความดันสุดขั้วก็ถือว่าพวกมันแปลกใหม่มากและจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ทุกคนไม่เชื่อในการดำรงอยู่ของพวกเขา อย่างไรก็ตาม ข้อบ่งชี้แรกของความเป็นไปได้ในการก่อตัวของหลุมดำมีอยู่แล้วในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ A. Einstein ซึ่งสร้างขึ้นในปี 1915 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Arthur Eddington หนึ่งในผู้แปลและผู้เผยแพร่ทฤษฎีสัมพัทธภาพคนแรกๆ ในยุค 30 ได้รับระบบสมการที่อธิบายโครงสร้างภายในของดวงดาว ตามมาว่าดาวฤกษ์อยู่ในสภาวะสมดุลภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีทิศทางตรงกันข้ามและความดันภายในที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคพลาสมาร้อนภายในดาวฤกษ์และความดันของการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นในส่วนลึกของมัน หมายความว่าดาวฤกษ์นั้นเป็นลูกบอลแก๊สซึ่งมีอุณหภูมิสูงอยู่ตรงกลางดาวฤกษ์และค่อยๆ ลดลงไปทางขอบนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากสมการพบว่าอุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์อยู่ที่ประมาณ 5,500 องศา (ซึ่งค่อนข้างสอดคล้องกับข้อมูลการวัดทางดาราศาสตร์) และตรงกลางควรอยู่ที่ประมาณ 10 ล้านองศา สิ่งนี้ทำให้เอ็ดดิงตันสามารถสรุปเชิงพยากรณ์ได้: ที่อุณหภูมินี้ ปฏิกิริยาแสนสาหัสจะ "จุดชนวน" ซึ่งเพียงพอที่จะรับประกันแสงของดวงอาทิตย์ นักฟิสิกส์ปรมาณูในยุคนั้นไม่เห็นด้วยกับเรื่องนี้ สำหรับพวกเขาดูเหมือนว่าในส่วนลึกของดวงดาวจะ "เย็นเกินไป" อุณหภูมิไม่เพียงพอสำหรับปฏิกิริยา "ไป" นักทฤษฎีผู้โกรธแค้นตอบว่า: "มองหาสถานที่ที่ร้อนกว่านี้!"
และในท้ายที่สุดเขาก็พูดถูก: ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เกิดขึ้นจริงในใจกลางดาวฤกษ์ (อีกประการหนึ่งก็คือสิ่งที่เรียกว่า "แบบจำลองสุริยจักรวาลมาตรฐาน" ซึ่งมีพื้นฐานมาจากแนวคิดเกี่ยวกับฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์ ไม่ถูกต้อง - ดูตัวอย่าง "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 2, 3, 2000) แต่อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในใจกลางดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์จะส่องแสง และการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นทำให้ดาวฤกษ์อยู่ในสภาพคงที่ แต่ “เชื้อเพลิง” นิวเคลียร์ในดาวฤกษ์กลับไหม้หมด การปล่อยพลังงานจะหยุด การแผ่รังสีจะดับลง และแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงที่ยึดเหนี่ยวไว้จะหายไป มวลของดาวฤกษ์มีขีดจำกัด หลังจากนั้นดาวฤกษ์ก็เริ่มหดตัวอย่างถาวร การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากมวลของดาวฤกษ์เกินกว่า 2-3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
การยุบตัวของแรงโน้มถ่วง
ในตอนแรก อัตราการหดตัวของดาวฤกษ์จะมีน้อย แต่อัตราการหดตัวของมันจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงจะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะทาง แรงอัดไม่สามารถย้อนกลับได้และไม่มีแรงใดที่สามารถต้านแรงโน้มถ่วงของตัวเองได้ กระบวนการนี้เรียกว่าการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเปลือกดาวฤกษ์เข้าหาศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้นจนเข้าใกล้ความเร็วแสง และที่นี่ผลกระทบของทฤษฎีสัมพัทธภาพเริ่มมีบทบาท
ความเร็วหลุดพ้นคำนวณตามแนวคิดของนิวตันเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง จากมุมมองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ปรากฏการณ์ในบริเวณใกล้ดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวเกิดขึ้นแตกต่างออกไปบ้าง ในสนามโน้มถ่วงอันทรงพลัง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วงสีแดง ซึ่งหมายความว่าความถี่ของการแผ่รังสีที่มาจากวัตถุขนาดใหญ่จะเลื่อนไปทางความถี่ที่ต่ำกว่า ในขีดจำกัด ที่ขอบเขตของทรงกลมชวาร์สชิลด์ ความถี่การแผ่รังสีจะกลายเป็นศูนย์ นั่นคือผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ด้านนอกจะไม่สามารถค้นหาสิ่งใดเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นภายในได้ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมทรงกลม Schwarzschild จึงถูกเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์
แต่การลดความถี่เท่ากับการชะลอเวลา และเมื่อความถี่กลายเป็นศูนย์ เวลาจะหยุดลง ซึ่งหมายความว่าผู้สังเกตการณ์ภายนอกจะเห็นภาพที่แปลกมาก เปลือกดาวฤกษ์ที่ตกลงมาด้วยความเร่งที่เพิ่มขึ้น หยุดแทนที่จะไปถึงความเร็วแสง จากมุมมองของเขา การบีบอัดจะหยุดทันทีที่ขนาดของดาวฤกษ์เข้าใกล้แรงโน้มถ่วง
เรา เขาจะไม่มีวันเห็นอนุภาค "ดำดิ่ง" ลงไปใต้ทรงกลมชวาร์สเชียลเลยแม้แต่ครั้งเดียว แต่สำหรับผู้สังเกตการณ์สมมุติที่ตกลงไปในหลุมดำ ทุกอย่างจะจบลงในไม่กี่นาทีบนนาฬิกาข้อมือของเขา ดังนั้น เวลาการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่มีขนาดเท่าดวงอาทิตย์จะอยู่ที่ 29 นาที และดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นมากกว่าและมีขนาดกะทัดรัดกว่ามากจะใช้เวลาเพียง 1/20,000 วินาทีเท่านั้น และที่นี่เขาประสบปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเรขาคณิตของอวกาศ-เวลาใกล้กับหลุมดำ
ผู้สังเกตพบว่าตัวเองอยู่ในพื้นที่โค้ง เมื่ออยู่ใกล้รัศมีความโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจะมีขนาดใหญ่อนันต์ พวกเขายืดจรวดกับนักบินอวกาศ - ผู้สังเกตการณ์ให้เป็นเส้นบาง ๆ ที่มีความยาวไม่สิ้นสุด แต่ตัวเขาเองจะไม่สังเกตเห็นสิ่งนี้: ความผิดปกติทั้งหมดของเขาจะสอดคล้องกับการบิดเบือนพิกัดกาลอวกาศ แน่นอนว่าการพิจารณาเหล่านี้อ้างอิงถึงกรณีสมมุติในอุดมคติ วัตถุที่แท้จริงใดๆ ก็ตามจะถูกฉีกเป็นชิ้นๆ ด้วยแรงน้ำขึ้นน้ำลงเป็นเวลานานก่อนจะเข้าใกล้ทรงกลมชวาร์สไชลด์
มิติของหลุมดำ
ขนาดของหลุมดำหรือถ้าให้ละเอียดกว่านั้นคือรัศมีของทรงกลมชวาร์สชิลด์นั้นแปรผันตามมวลของดาวฤกษ์ และเนื่องจากฟิสิกส์ดาราศาสตร์ไม่ได้กำหนดข้อจำกัดใดๆ เกี่ยวกับขนาดของดาวฤกษ์ หลุมดำจึงมีขนาดใหญ่ตามอำเภอใจ ตัวอย่างเช่น หากเกิดขึ้นระหว่างการล่มสลายของดาวฤกษ์ที่มีมวล 10 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (หรือเนื่องจากการรวมตัวกันของดาวฤกษ์หลายแสนดวงหรือแม้แต่ดาวฤกษ์ที่ค่อนข้างเล็กหลายล้านดวง) รัศมีของมันจะอยู่ที่ประมาณ 300 ล้านกิโลเมตร สองเท่าของวงโคจรของโลก และความหนาแน่นเฉลี่ยของสสารของยักษ์ดังกล่าวก็ใกล้เคียงกับความหนาแน่นของน้ำ
เห็นได้ชัดว่านี่คือหลุมดำที่พบในใจกลางกาแลคซี ไม่ว่าในกรณีใด นักดาราศาสตร์ในปัจจุบันนับกาแลคซีได้ประมาณห้าสิบแห่ง ซึ่ง ณ ศูนย์กลางนั้น เมื่อพิจารณาจากหลักฐานทางอ้อม (ตามที่กล่าวไว้ด้านล่าง) มีหลุมดำที่มีมวลประมาณหนึ่งพันล้าน (10 9) ดวงสุริยะ เห็นได้ชัดว่ากาแล็กซีของเราก็มีหลุมดำเป็นของตัวเองเช่นกัน มวลของมันประเมินได้ค่อนข้างแม่นยำ - 2.4 10 6 ±10% ของมวลดวงอาทิตย์
ทฤษฎีเสนอแนะว่าหลุมขนาดเล็กสีดำที่มีมวลประมาณ 10 14 กรัมและมีรัศมีประมาณ 10 -12 ซม. (ขนาดนิวเคลียสของอะตอม) ก็ควรปรากฏขึ้นพร้อมกับซุปเปอร์ไจแอนต์ดังกล่าวด้วย พวกมันอาจปรากฏขึ้นในช่วงเวลาแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาลเป็นการแสดงให้เห็นถึงความไม่สอดคล้องกันอย่างมากของกาลอวกาศกับความหนาแน่นของพลังงานขนาดมหึมา ปัจจุบัน นักวิจัยได้ตระหนักถึงสภาวะที่มีอยู่ในจักรวาลในขณะนั้นจากการชนอันทรงพลัง (เครื่องเร่งความเร็วที่ใช้ลำแสงชนกัน) การทดลองที่ CERN เมื่อต้นปีนี้ได้ผลิตพลาสมาควาร์ก-กลูออน ซึ่งเป็นสสารที่มีอยู่ก่อนการเกิดขึ้นของอนุภาคมูลฐาน การวิจัยเกี่ยวกับสถานะของสสารนี้ยังคงดำเนินต่อไปที่ Brookhaven ซึ่งเป็นศูนย์เครื่องเร่งอนุภาคของอเมริกา สามารถเร่งอนุภาคให้เป็นพลังงานได้ 1.5 ถึง 2 เท่าของขนาดที่สูงกว่าเครื่องเร่งอนุภาคใน
เซิร์น. การทดลองที่กำลังจะเกิดขึ้นทำให้เกิดความกังวลอย่างมาก มันจะสร้างหลุมดำขนาดเล็กที่จะทำให้อวกาศของเราโค้งงอและทำลายโลกหรือไม่
ความกลัวนี้สะท้อนอย่างแรงกล้าจนรัฐบาลสหรัฐฯ ถูกบังคับให้เรียกประชุมคณะกรรมาธิการที่เชื่อถือได้เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้นี้ คณะกรรมการที่ประกอบด้วยนักวิจัยที่มีชื่อเสียงได้สรุปว่า พลังงานของเครื่องเร่งนั้นต่ำเกินกว่าที่หลุมดำจะเกิดขึ้น (การทดลองนี้อธิบายไว้ในวารสาร Science and Life ฉบับที่ 3, 2000)
วิธีดูสิ่งที่มองไม่เห็น
หลุมดำไม่ปล่อยอะไรเลย แม้แต่แสง อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะเห็นพวกเขาหรือค้นหา "ผู้สมัคร" สำหรับบทบาทนี้ มีสามวิธีในการตรวจจับหลุมดำ
1. จำเป็นต้องติดตามการหมุนของดาวฤกษ์ในกระจุกดาวรอบจุดศูนย์ถ่วงบางแห่ง หากปรากฎว่าไม่มีอะไรในใจกลางนี้ และดูเหมือนว่าดวงดาวกำลังหมุนรอบพื้นที่ว่าง เราสามารถพูดได้อย่างมั่นใจ: ใน "ความว่างเปล่า" มีหลุมดำ บนพื้นฐานนี้จึงสันนิษฐานว่ามีหลุมดำอยู่ใจกลางกาแล็กซีของเราและประมาณมวลของมัน
2. หลุมดำดูดสสารเข้าสู่ตัวเองจากอวกาศโดยรอบ ฝุ่น ก๊าซ และสสารระหว่างดวงดาวจากดาวฤกษ์ใกล้เคียงตกลงมาบนดาวฤกษ์ในลักษณะก้นหอย ก่อตัวเป็นจานสะสมมวลสาร คล้ายกับวงแหวนของดาวเสาร์ (นี่คือหุ่นไล่กาในการทดลองของ Brookhaven อย่างแน่นอน: หลุมดำขนาดเล็กที่ปรากฏในเครื่องเร่งความเร็วจะเริ่มดูดโลกเข้าสู่ตัวมันเองและกระบวนการนี้ไม่สามารถหยุดได้ด้วยแรงใด ๆ ) เมื่อเข้าใกล้ทรงกลม Schwarzschild อนุภาคจะสัมผัสได้ ความเร่งและเริ่มเปล่งแสงในช่วงเอ็กซ์เรย์ การแผ่รังสีนี้มีสเปกตรัมลักษณะเฉพาะคล้ายกับการแผ่รังสีของอนุภาคที่ได้รับการศึกษามาอย่างดีซึ่งถูกเร่งในซินโครตรอน และหากรังสีดังกล่าวมาจากบริเวณใดบริเวณหนึ่งของจักรวาล เราก็สามารถพูดได้อย่างมั่นใจว่าจะต้องมีหลุมดำอยู่ที่นั่น
3. เมื่อหลุมดำสองหลุมมาบรรจบกัน จะเกิดการแผ่รังสีความโน้มถ่วง มีการคำนวณว่าหากมวลของแต่ละดวงมีมวลประมาณ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อมวลทั้งสองรวมกันภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมง พลังงานเทียบเท่ากับ 1% ของมวลทั้งหมดจะถูกปล่อยออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง นี่เป็นมากกว่าแสงความร้อนและพลังงานอื่น ๆ ที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมานับพันเท่าตลอดการดำรงอยู่ของมัน - ห้าพันล้านปี พวกเขาหวังว่าจะตรวจจับรังสีความโน้มถ่วงด้วยความช่วยเหลือของหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO และอื่นๆ ซึ่งขณะนี้ถูกสร้างขึ้นในอเมริกาและยุโรปโดยมีส่วนร่วมของนักวิจัยชาวรัสเซีย (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" หมายเลข 5, 2000)
แม้ว่านักดาราศาสตร์จะไม่สงสัยเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำ แต่ก็ไม่มีใครกล้ายืนยันอย่างเด็ดขาดว่าหนึ่งในหลุมดำนั้นตั้งอยู่ที่จุดที่กำหนดในอวกาศ จรรยาบรรณทางวิทยาศาสตร์และความซื่อสัตย์ของผู้วิจัยจำเป็นต้องมีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามที่ตั้งไว้ ซึ่งเป็นคำถามที่ไม่ยอมให้เกิดความคลาดเคลื่อน การประมาณมวลของวัตถุที่มองไม่เห็นนั้นไม่เพียงพอที่จะวัดรัศมีของมันและแสดงว่ามันไม่เกินรัศมีชวาร์สชิลด์ และแม้แต่ในกาแล็กซีของเรา ปัญหานี้ก็ยังไม่สามารถแก้ไขได้ นั่นคือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์แสดงความยับยั้งชั่งใจในการรายงานการค้นพบของพวกเขา และวารสารทางวิทยาศาสตร์ก็เต็มไปด้วยรายงานเกี่ยวกับงานทางทฤษฎีและการสังเกตผลกระทบที่สามารถให้ความกระจ่างต่อความลึกลับของพวกเขาได้
อย่างไรก็ตาม หลุมดำมีคุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งตามทฤษฎีที่คาดการณ์ไว้ ซึ่งอาจทำให้สามารถมองเห็นพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม มีเงื่อนไขเดียวคือ มวลของหลุมดำควรน้อยกว่ามวลดวงอาทิตย์มาก
หลุมดำก็สามารถเป็น “สีขาว” ได้เช่นกัน
เป็นเวลานานแล้วที่หลุมดำถือเป็นศูนย์รวมแห่งความมืด วัตถุที่อยู่ในสุญญากาศหากไม่มีการดูดกลืนสสาร จะไม่ปล่อยสิ่งใดเลย อย่างไรก็ตาม ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง นักทฤษฎีชื่อดังชาวอังกฤษได้แสดงให้เห็นว่าหลุมดำสามารถกำหนดอุณหภูมิได้ และดังนั้นจึงควรแผ่รังสีออกมา
ตามแนวคิดของกลศาสตร์ควอนตัม สุญญากาศไม่ใช่ความว่างเปล่า แต่เป็น "ฟองของอวกาศ-เวลา" ซึ่งเป็นอนุภาคเสมือนจริง (ไม่สามารถสังเกตได้ในโลกของเรา) อย่างไรก็ตาม ความผันผวนของพลังงานควอนตัมสามารถ "ดีด" คู่อนุภาค-ปฏิปักษ์ออกจากสุญญากาศได้ ตัวอย่างเช่น ในการชนกันของแกมมาควอนต้าสองหรือสามอะตอม อิเล็กตรอนและโพซิตรอนจะปรากฏขึ้นราวกับออกมาจากอากาศบางๆ ปรากฏการณ์นี้และปรากฏการณ์ที่คล้ายกันมีการสังเกตซ้ำแล้วซ้ำอีกในห้องปฏิบัติการ
ความผันผวนของควอนตัมเป็นตัวกำหนดกระบวนการแผ่รังสีของหลุมดำ หากเป็นอนุภาคคู่ที่มีพลังงาน อีและ -อี(พลังงานทั้งหมดของทั้งคู่เป็นศูนย์) เกิดขึ้นในบริเวณใกล้เคียงกับทรงกลม Schwarzschild ชะตากรรมต่อไปของอนุภาคจะแตกต่างกัน พวกเขาสามารถทำลายล้างได้เกือบจะในทันทีหรือไปใต้ขอบฟ้าเหตุการณ์ด้วยกัน ในกรณีนี้สถานะของหลุมดำจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่หากมีอนุภาคเพียงอนุภาคเดียวลงไปใต้ขอบฟ้า ผู้สังเกตการณ์จะบันทึกอีกอนุภาคหนึ่ง และดูเหมือนว่ามันจะถูกสร้างขึ้นโดยหลุมดำสำหรับเขา ขณะเดียวกันก็มีหลุมดำที่ดูดซับอนุภาคด้วยพลังงาน -อี,จะลดพลังงานของคุณและด้วยพลังงาน อี- จะเพิ่มขึ้น.
ฮอว์คิงคำนวณอัตราที่กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นและได้ข้อสรุป: ความน่าจะเป็นที่จะดูดซับอนุภาคด้วยพลังงานเชิงลบนั้นสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าหลุมดำสูญเสียพลังงานและมวล - มันระเหยไป นอกจากนี้ยังแผ่รังสีออกมาเป็นวัตถุสีดำสนิทและมีอุณหภูมิ ต = 6 . 10 -8 มกับ / มเคลวินส์ ที่ไหน ม c - มวลของดวงอาทิตย์ (2.10 33 g) ม- มวลของหลุมดำ ความสัมพันธ์ง่ายๆ นี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของหลุมดำที่มีมวลหกเท่าของดวงอาทิตย์มีค่าเท่ากับหนึ่งร้อยล้านองศา เป็นที่ชัดเจนว่าร่างกายที่เย็นชาเช่นนี้แทบไม่ปล่อยอะไรเลย และเหตุผลข้างต้นทั้งหมดยังคงใช้ได้ รูขนาดเล็กเป็นอีกเรื่องหนึ่ง เห็นได้ง่ายว่าด้วยมวล 10 14 -10 30 กรัม พวกมันถูกให้ความร้อนถึงหมื่นองศาและร้อนขาว! อย่างไรก็ตามควรสังเกตทันทีว่าไม่มีความขัดแย้งกับคุณสมบัติของหลุมดำ: การแผ่รังสีนี้ถูกปล่อยออกมาโดยชั้นที่อยู่เหนือทรงกลมชวาร์สชิลด์ และไม่ต่ำกว่านั้น
ดังนั้นหลุมดำซึ่งดูเหมือนจะเป็นวัตถุที่เยือกแข็งชั่วนิรันดร์ไม่ช้าก็เร็วก็หายไปและระเหยไป ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเธอ "ลดน้ำหนัก" อัตราการระเหยจะเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังใช้เวลานานมาก คาดว่าหลุมขนาดเล็กที่มีน้ำหนัก 10-14 กรัม ซึ่งปรากฏขึ้นทันทีหลังบิ๊กแบงเมื่อ 10-15 พันล้านปีก่อน น่าจะระเหยไปจนหมดตามเวลาของเรา ในช่วงสุดท้ายของชีวิต อุณหภูมิจะสูงถึงค่ามหาศาล ดังนั้นผลิตภัณฑ์จากการระเหยจะต้องเป็นอนุภาคที่มีพลังงานสูงมาก บางทีพวกมันอาจเป็นตัวที่ทำให้เกิดฟองอากาศอย่างกว้างขวางในชั้นบรรยากาศของโลก - EAS ไม่ว่าในกรณีใด ต้นกำเนิดของอนุภาคพลังงานสูงผิดปกติเป็นปัญหาที่สำคัญและน่าสนใจอีกปัญหาหนึ่งที่อาจเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคำถามที่น่าตื่นเต้นไม่แพ้กันในฟิสิกส์ของหลุมดำ
เนื้อหานี้จัดทำโดยบรรณาธิการของ InoSMI สำหรับหัวข้อ RIA Science โดยเฉพาะ >>
ไมเคิล ฟินเคิล
เรามาย้อนเวลากลับไปกันเถอะ ก่อนมนุษย์ ก่อนโลก ก่อนดวงอาทิตย์จุดประกาย ก่อนกาแล็กซีเกิด ก่อนแสงส่อง มี "บิ๊กแบง" เรื่องนี้เกิดขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน
ซูเปอร์โนวาทำให้เกิดอวกาศที่มีธาตุหนักในจักรวาลยุคแรกเริ่มนักวิทยาศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเอ็กซ์เรย์ Suzaku ของญี่ปุ่นตรวจสอบการกระจายตัวของเหล็กในกระจุกกาแลคซี Perseus ซึ่งอยู่ห่างออกไป 250 ล้านปีแสงแต่เกิดอะไรขึ้นก่อนหน้านั้น? นักฟิสิกส์หลายคนกล่าวว่า "ก่อนหน้านี้" ไม่มีอยู่จริง พวกเขาโต้แย้งว่าเวลาเริ่มนับในช่วงเวลาของ "บิ๊กแบง" โดยเชื่อว่าทุกสิ่งที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ไม่รวมอยู่ในขอบเขตของวิทยาศาสตร์ เราจะไม่มีทางเข้าใจว่าความเป็นจริงเป็นอย่างไรก่อนบิกแบง มันถูกสร้างขึ้นจากอะไร และเหตุใดมันจึงสร้างจักรวาลของเรา ความคิดดังกล่าวอยู่นอกเหนือความเข้าใจของมนุษย์
แต่นักวิทยาศาสตร์แหกคอกบางคนไม่เห็นด้วย นักฟิสิกส์เหล่านี้ตั้งทฤษฎีว่า ช่วงเวลาก่อนเกิด "บิ๊กแบง" มวลและพลังงานทั้งหมดของจักรวาลที่เพิ่งเกิดใหม่ถูกบีบอัดเป็นเมล็ดพืชที่มีความหนาแน่นอย่างไม่น่าเชื่อ แต่มีขอบเขตจำกัด ขอเรียกมันว่าเมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลใหม่
พวกเขาเชื่อว่าเมล็ดพืชนั้นเล็กมากจนไม่อาจจินตนาการได้ หรืออาจเล็กกว่าอนุภาคใดๆ ที่มนุษย์สังเกตเห็นได้หลายล้านล้านเท่า แต่อนุภาคนี้ก็ก่อให้เกิดอนุภาคอื่นๆ ทั้งหมด ไม่ต้องพูดถึงกาแลคซี ระบบสุริยะ ดาวเคราะห์ และมนุษย์
หากคุณต้องการเรียกบางสิ่งว่าเป็นอนุภาคของพระเจ้าจริงๆ เมล็ดพืชนี้ก็เหมาะสมที่สุดสำหรับชื่อนั้น
แล้วเมล็ดนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? แนวคิดหนึ่งถูกหยิบยกขึ้นมาเมื่อหลายปีก่อนโดย Nikodem Poplawski ซึ่งทำงานที่ University of New Haven มันคือเมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลของเราถูกสร้างขึ้นในเตาหลอมดึกดำบรรพ์ที่หลุมดำกลายเป็นของมัน
การคูณ Multiverse
ก่อนที่เราจะไปไกลกว่านั้น สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าในช่วงยี่สิบปีที่ผ่านมานักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีหลายคนเชื่อว่าจักรวาลของเราไม่ได้มีเพียงจักรวาลเดียวเท่านั้น เราอาจเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลซึ่งเป็นตัวแทนของจักรวาลจำนวนมหาศาล ซึ่งแต่ละจักรวาลเป็นลูกบอลเรืองแสงในท้องฟ้ายามค่ำคืนที่แท้จริง
มีข้อถกเถียงมากมายเกี่ยวกับวิธีการที่จักรวาลหนึ่งเชื่อมต่อกับอีกจักรวาลหนึ่ง และมีความเชื่อมโยงดังกล่าวหรือไม่ แต่ข้อพิพาททั้งหมดนี้เป็นเพียงการคาดเดาเท่านั้น และความจริงก็พิสูจน์ไม่ได้ แต่แนวคิดที่น่าสนใจประการหนึ่งคือเมล็ดพันธุ์แห่งจักรวาลเปรียบเสมือนเมล็ดพืช นี่คือชิ้นส่วนสำคัญที่ถูกบีบอัดอย่างแน่นหนาและซ่อนอยู่ภายในเกราะป้องกัน
สิ่งนี้อธิบายได้อย่างชัดเจนถึงสิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำ หลุมดำคือซากดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ เมื่อดาวดวงหนึ่งหมดเชื้อเพลิง แกนกลางของมันก็พังทลายลง แรงโน้มถ่วงดึงทุกสิ่งมารวมกันด้วยพลังอันเหลือเชื่อและเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ อุณหภูมิสูงถึง 100 พันล้านองศา อะตอมกำลังยุบตัว อิเล็กตรอนถูกฉีกเป็นชิ้นๆ แล้วมวลนี้ก็หดตัวมากขึ้นไปอีก
เมื่อถึงจุดนี้ ดาวจะกลายเป็นหลุมดำ ซึ่งหมายความว่าพลังดึงดูดของมันนั้นมหาศาลมากจนแม้แต่รังสีแสงก็ไม่สามารถหลบหนีไปได้ เส้นแบ่งระหว่างภายในและภายนอกของหลุมดำเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ ที่ใจกลางกาแลคซีเกือบทุกแห่ง รวมถึงทางช้างเผือกของเราเอง นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นพบหลุมดำขนาดมหึมา ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราหลายล้านเท่า
คำถามที่ไม่มีที่สิ้นสุด
ถ้าคุณใช้ทฤษฎีของไอน์สไตน์เพื่อพิจารณาว่าเกิดอะไรขึ้นที่ด้านล่างของหลุมดำ คุณสามารถคำนวณจุดที่หนาแน่นเป็นอนันต์และเล็กเป็นอนันต์ได้ แนวคิดสมมุตินี้เรียกว่าภาวะเอกฐาน แต่ในธรรมชาติแล้ว ความไม่มีที่สิ้นสุดมักจะไม่มีอยู่จริง ปัญหาอยู่ที่ทฤษฎีของไอน์สไตน์ ซึ่งให้การคำนวณที่ดีเยี่ยมสำหรับอวกาศส่วนใหญ่ แต่พังทลายลงเมื่อเผชิญกับพลังอันเหลือเชื่อ เช่น พลังที่อยู่ในหลุมดำ หรือพลังที่มีอยู่ ณ จุดกำเนิดของจักรวาล
นักฟิสิกส์อย่างดร.ปอปลาฟสกีกล่าวว่าสสารในหลุมดำนั้นถึงจุดที่ไม่สามารถบีบได้อีกต่อไป "เมล็ดพันธุ์" นี้มีขนาดเล็กอย่างไม่น่าเชื่อและมีน้ำหนักมากถึงพันล้านดาว แต่แตกต่างจากเอกภาวะตรงที่มันค่อนข้างจริง
ตามข้อมูลของ Poplavsky กระบวนการบีบอัดหยุดลงเนื่องจากหลุมดำหมุน พวกมันหมุนเร็วมาก อาจถึงความเร็วแสงได้ และการบิดนี้ทำให้การหมุนแกนของเมล็ดที่ถูกบีบอัดนั้นเหลือเชื่อ เมล็ดไม่เพียงแต่มีขนาดเล็กและหนักเท่านั้น มันก็บิดเบี้ยวอัดแน่นเหมือนสปริงของมารร้ายที่อยู่ในกล่องยานัตถุ์
นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจวัดสนามแม่เหล็กของหลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซีเป็นครั้งแรกหลุมดำมวลมหาศาล Sgr A* ตั้งอยู่ที่ใจกลางกาแลคซีของเรา ก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบพัลซาร์วิทยุ PSR J1745-2900 ในใจกลางกาแลคซีของเรา พวกเขาใช้รังสีที่ปล่อยออกมาเพื่อวัดความแรงของสนามแม่เหล็กที่หลุมดำกล่าวอีกนัยหนึ่ง ค่อนข้างเป็นไปได้ที่หลุมดำจะเป็นอุโมงค์ ซึ่งเป็น "ประตูทางเดียว" ระหว่างสองจักรวาล Poplavsky กล่าว ซึ่งหมายความว่าหากคุณตกลงไปในหลุมดำใจกลางทางช้างเผือก ก็เป็นไปได้ทีเดียวที่คุณจะต้องไปอยู่ในจักรวาลอื่น (ถ้าไม่ใช่คุณ ร่างกายของคุณจะถูกบดขยี้เป็นอนุภาคเล็กๆ) จักรวาลอื่นนี้ไม่ได้อยู่ในของเรา หลุมนั้นเป็นเพียงจุดเชื่อมต่อ เหมือนรากทั่วไปที่มีต้นแอสเพนสองต้นเติบโต
แล้วพวกเราทุกคนในจักรวาลของเราล่ะ? เราอาจเป็นผลผลิตของจักรวาลอื่นที่เก่าแก่กว่า เรียกมันว่าจักรวาลที่แท้จริงของเรา เมล็ดพันธุ์ที่จักรวาลแม่สร้างขึ้นภายในหลุมดำนั้นอาจเกิดการเด้งกลับครั้งใหญ่เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน และถึงแม้ว่าจักรวาลของเราจะขยายตัวอย่างรวดเร็วตั้งแต่นั้นมา แต่เราก็ยังอาจยังอยู่เลยขอบเขตเหตุการณ์ของหลุมดำ
หลุมดำในฟิสิกส์ถูกกำหนดให้เป็นบริเวณในอวกาศ-เวลาซึ่งมีแรงดึงดูดโน้มถ่วงแรงมากจนแม้แต่วัตถุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง รวมถึงควอนตัมแสงเองก็ไม่สามารถออกไปได้ ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ และขนาดลักษณะเฉพาะของมันคือรัศมีความโน้มถ่วง ซึ่งเรียกว่ารัศมีแบล็กฟอเรสต์ หลุมดำเป็นวัตถุลึกลับที่สุดในจักรวาล ชื่อเหล่านี้เป็นหนี้บุญคุณของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอเมริกัน จอห์น วีลเลอร์ เขาเป็นคนที่ในการบรรยายยอดนิยมเรื่อง Our Universe: Known and Unknown ในปี 1967 เรียกหลุมศพที่มีความหนาแน่นสูงเหล่านี้ ก่อนหน้านี้วัตถุดังกล่าวถูกเรียกว่า “ดาวที่ถล่ม” หรือ “ดาวที่ถล่ม” แต่คำว่า "หลุมดำ" ได้หยั่งรากลึกไปแล้ว และกลายเป็นไปไม่ได้ที่จะเปลี่ยนแปลงมัน หลุมดำในจักรวาลมีสองประเภท: 1 – หลุมดำมวลมหาศาล ซึ่งมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า (เชื่อกันว่าวัตถุดังกล่าวอยู่ในใจกลางกาแลคซี) 2 – หลุมดำที่มีมวลน้อยกว่าซึ่งเกิดขึ้นจากการอัดตัวของดาวฤกษ์ยักษ์ที่กำลังจะตาย มีมวลมากกว่าสามเท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อดาวฤกษ์หดตัว สสารจะมีความหนาแน่นมากขึ้น และเป็นผลให้แรงโน้มถ่วงของวัตถุเพิ่มขึ้นจนแสงไม่สามารถเอาชนะมันได้ ทั้งรังสีและสสารไม่สามารถหลบหนีหลุมดำได้ หลุมดำเป็นแรงโน้มถ่วงที่มีพลังมหาศาล
รัศมีที่ดาวฤกษ์จะต้องหดตัวจนกลายเป็นหลุมดำเรียกว่ารัศมีความโน้มถ่วง สำหรับหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์นั้นอยู่ห่างออกไปเพียงไม่กี่สิบกิโลเมตรเท่านั้น ในดาวคู่บางคู่ หนึ่งในนั้นไม่สามารถมองเห็นได้ในกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุด แต่มวลขององค์ประกอบที่มองไม่เห็นในระบบแรงโน้มถ่วงนั้นกลับกลายเป็นว่ามีขนาดใหญ่มาก เป็นไปได้มากว่าวัตถุดังกล่าวอาจเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ บางครั้งส่วนประกอบที่มองไม่เห็นในคู่ดังกล่าวจะดึงวัสดุออกจากดาวฤกษ์ปกติ ในกรณีนี้ ก๊าซจะถูกแยกออกจากชั้นนอกของดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้ และตกลงไปในสถานที่ที่ไม่รู้จัก เข้าสู่หลุมดำที่มองไม่เห็น แต่ก่อนที่จะตกลงสู่หลุม ก๊าซจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวต่างกันมาก รวมถึงคลื่นรังสีเอกซ์ที่สั้นมากด้วย ยิ่งไปกว่านั้น ใกล้ดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ก๊าซจะร้อนมากและกลายเป็นแหล่งกำเนิดรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงที่ทรงพลังในช่วงรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา รังสีดังกล่าวไม่ผ่านชั้นบรรยากาศของโลก แต่สามารถสังเกตได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ หนึ่งในตัวเลือกที่เป็นไปได้สำหรับหลุมดำคือแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์อันทรงพลังในกลุ่มดาวหงส์
อัลมา (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/ESA/F. หวี
เรามาลองหมุนนาฬิกากลับกันเถอะ ก่อนการกำเนิดของสิ่งมีชีวิต ก่อนการปรากฏของโลก ก่อนการกำเนิดของดวงอาทิตย์ และการก่อตัวของกาแล็กซี ก่อนที่แสงจะเริ่มไหลลงมา และนั่นคือเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน
แต่อะไรเกิดก่อน? นักฟิสิกส์หลายคนอ้างว่าไม่มี "ก่อน" พวกเขาเชื่อว่าเวลานั้นเริ่มต้นในช่วงเวลาที่เกิดบิ๊กแบง และทุกสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ไม่สอดคล้องกับขอบเขตทางวิทยาศาสตร์ จากมุมมองนี้ เราจะไม่มีทางเข้าใจได้ว่าความเป็นจริงก่อนเกิดบิกแบงเป็นอย่างไร ส่วนประกอบนั้นก่อตัวขึ้นจากอะไร และเหตุใดจึงเกิดขึ้นเพื่อให้กำเนิดเอกภพของเรา
แต่มีนักวิทยาศาสตร์บางคนที่ต่างจากแบบแผนและพวกเขาไม่เห็นด้วย คนเหล่านี้สร้างทฤษฎีที่ซับซ้อนขึ้นมาว่าในช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนเกิดบิกแบง พลังงานและมวลทั้งหมดของจักรวาลที่เพิ่งเกิดใหม่ถูกบีบอัดจนกลายเป็นเมล็ดพืชที่มีความหนาแน่นเกินจริง แต่มีปริมาณจำกัด คุณสามารถเรียกมันว่า "เมล็ดพันธุ์แห่งความเป็นจริงใหม่"
นักฟิสิกส์บ้าๆ เหล่านี้เชื่อว่าเมล็ดพืชนั้นเล็กเกินกว่าจะจินตนาการได้ อาจเล็กกว่าอนุภาคมูลฐานใดๆ ที่มนุษย์สามารถสังเกตได้หลายล้านล้านเท่า แต่เมล็ดพืชนี้เองที่กลายเป็นแรงผลักดันให้เกิดสิ่งอื่นใด ไม่ว่าจะเป็นอนุภาคอื่นๆ กาแล็กซี ระบบสุริยะของเรา และผู้คน หากคุณกระตือรือร้นที่จะเรียกบางสิ่งบางอย่างว่าเป็นอนุภาคของพระเจ้าอย่างแท้จริง เมล็ดพันธุ์นี้ก็คือตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับชื่อดังกล่าว
แล้วเมล็ดนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร? แนวคิดที่เสนอโดย Nikodim Poplavsky จากมหาวิทยาลัย New Haven ระบุว่าเมล็ดพันธุ์แห่งความเป็นจริงของเราปรากฏในเตาหลอมดึกดำบรรพ์ของหลุมดำ
การสืบพันธุ์ของลิขสิทธิ์
ก่อนที่เราจะเจาะลึกลงไป เป็นเรื่องที่ควรทำความเข้าใจว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา หลายคนที่สนใจในประเด็นนี้ได้สรุปว่าจักรวาลของเรานั้นห่างไกลจากความมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว มันอาจเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของจักรวาลอันกว้างใหญ่ หนึ่งในลูกบอลเรืองแสงในท้องฟ้ายามค่ำคืนที่แท้จริง
ไม่มีใครรู้ว่าจักรวาลเหล่านี้เชื่อมโยงถึงกันอย่างไร หรือมีความเชื่อมโยงกันเช่นนี้หรือไม่ และถึงแม้ว่าข้อพิพาทที่เกิดขึ้นในเรื่องนี้จะเป็นเรื่องการคาดเดาและพิสูจน์ไม่ได้ แต่ก็ยังมีแนวคิดที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่ว่าเมล็ดพันธุ์ของแต่ละจักรวาลนั้นคล้ายคลึงกับเมล็ดพืชมาก สิ่งล้ำค่าชิ้นเล็ก ๆ ที่ถูกบีบอัดอย่างแน่นหนาและซ่อนอยู่ใต้เกราะป้องกัน
สิ่งนี้อธิบายเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำได้อย่างแม่นยำมาก หลุมดำทั้งหมดเป็นซากของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ที่เชื้อเพลิงหมดและพังทลายลงที่แกนกลางของพวกมัน เมื่อแรงโน้มถ่วงอัดทุกสิ่งด้วยพลังที่เหลือเชื่อและเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ จากนั้นอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 100 พันล้านองศา อะตอมจะสลายตัว และอิเล็กตรอนก็ถูกฉีกออกเป็นชิ้นๆ แล้วความยุ่งเหยิงนี้ก็ลดน้อยลงไปอีก
ตอนนี้ดาวฤกษ์เป็นหลุมดำ ซึ่งหมายความว่าแรงดึงดูดของมันนั้นยิ่งใหญ่มากจนแม้แต่รังสีแสงก็ไม่สามารถหลบหนีไปได้ เส้นเขตแดนระหว่างส่วนด้านนอกและด้านในของหลุมดำเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ ในใจกลางของกาแลคซีเกือบทุกแห่ง ไม่รวมทางช้างเผือกของเรา หากมองใกล้ ๆ คุณจะพบหลุมดำขนาดใหญ่ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ของเราหลายล้านเท่า
คำถามที่ไม่มีก้น
การใช้ทฤษฎีของไอน์สไตน์เพื่อกำหนดว่าเกิดอะไรขึ้นที่ด้านล่างของหลุมดำ เราจะพบกับแนวคิดเรื่องเอกภาวะ ซึ่งมีจุดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์และมีขนาดเล็กเป็นอนันต์ และสิ่งนี้ขัดแย้งกับธรรมชาติในตัวเอง ซึ่งดูเหมือนจะไม่มีอนันต์อยู่... ปัญหาอยู่ที่สูตรของไอน์สไตน์เอง ซึ่งเหมาะสำหรับการคำนวณเกี่ยวกับอวกาศ-เวลาส่วนใหญ่ แต่ไม่ได้ผลเลยในระดับควอนตัมของค่าที่เหลือเชื่อ พลังที่ควบคุมการกำเนิดของจักรวาลและอาศัยอยู่ในหลุมดำ
นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีอย่างดร. ปอปลาฟสกีโต้แย้งว่าสสารในหลุมดำถึงจุดที่ไม่สามารถบีบอัดมันได้อีกต่อไป เมล็ดพันธุ์เล็กๆ นี้มีน้ำหนักมากถึงพันล้านดวง แต่แตกต่างจากเอกภาวะตรงที่มันยังมีอยู่จริง
Poplavsky เชื่อว่าการบีบอัดหยุดลง เนื่องจากหลุมดำหมุนเร็วมาก และอาจถึงความเร็วแสงในการหมุนครั้งนี้ และเมล็ดพืชที่มีขนาดเล็กและหนักนี้ ซึ่งมีแรงบิดในแนวแกนที่ไม่จริง ถูกบีบอัดและบิดเบี้ยว สามารถเทียบได้กับสปริงแบบแจ็คอินเดอะบ็อกซ์ ทันใดนั้นเมล็ดนี้ก็สามารถที่จะงอกออกมาและทำอย่างนั้นได้ด้วยการระเบิดอันทรงพลัง กรณีดังกล่าวเรียกว่า Big Bang หรือตามที่ Poplavsky ชอบเรียกมันว่า Big Rebound
กล่าวอีกนัยหนึ่ง อาจกลายเป็นว่าหลุมดำเป็นอุโมงค์ระหว่างสองจักรวาลและไปในทิศทางเดียว ซึ่งหมายความว่า หากคุณตกลงไปในหลุมดำ คุณจะพบว่าตัวเองอยู่ในจักรวาลอื่นทันที (หรือที่เจาะจงกว่านั้นคือ สิ่งที่เหลืออยู่ของคุณ) จักรวาลอื่นนั้นไม่เกี่ยวข้องกับเรา หลุมเป็นเพียงจุดเชื่อมต่อเหมือนรากทั่วไปที่มีต้นไม้สองต้นเติบโต
แล้วพวกเราทุกคนภายในจักรวาลบ้านของเราล่ะ? เราอาจเป็นลูกของจักรวาลดึกดำบรรพ์อื่นที่เก่าแก่กว่า เมล็ดพันธุ์ที่จักรวาลแม่สร้างขึ้นภายในหลุมดำอาจเคยทำการตีกลับครั้งใหญ่เมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน และแม้ว่าเอกภพของเราจะยังคงขยายตัวอย่างรวดเร็วนับแต่นั้นเป็นต้นมา เราอาจยังคงอยู่เกินขอบเขตเหตุการณ์ของหลุมดำนั้น
โมเดลใหม่ของจักรวาลช่วยให้เราสามารถทำได้โดยไม่ต้องมีภาวะเอกฐานทางควอนตัมและการพองตัวของจักรวาลวิทยา
คำถามหลักของจักรวาลวิทยาสามารถสรุปได้เป็นสามคำ: จักรวาลมาจากไหน? สำหรับคำตอบมาตรฐาน สองข้อก็เพียงพอแล้ว: จากภาวะเอกฐานควอนตัม นี่คือชื่อที่ตั้งให้กับสถานะพิเศษของสสารที่ไม่มีที่ว่างและเวลาและไม่มีกฎทางกายภาพที่ทราบอยู่แล้วใช้ไม่ได้ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่ากลายเป็นว่าไม่เสถียรและก่อให้เกิดพื้นที่สามมิติที่เต็มไปด้วยสนามควอนตัมและอนุภาคที่สร้างขึ้น การออกจากภาวะเอกฐานนี้เรียกว่าบิ๊กแบงและถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคจักรวาล
ไม่มีใครรู้จริงๆว่าภาวะเอกฐานนี้คืออะไร ถ้าเรา "เล่น" สมการทางจักรวาลวิทยาย้อนเวลากลับไปถึงจุดศูนย์ ความหนาแน่นของพลังงานและอุณหภูมิจะไปสู่อนันต์และสูญเสียความหมายทางกายภาพไป ภาวะเอกฐานมักอธิบายว่าเป็นความผันผวนของควอนตัมที่วุ่นวายในสุญญากาศซึ่งทำให้แรงโน้มถ่วงและสนามกายภาพอื่นๆ เป็นไปได้ นักทฤษฎีได้ใช้ความพยายามอย่างมากในการพยายามทำความเข้าใจอย่างแน่ชัดว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร แต่จนถึงตอนนี้ก็ยังไม่ประสบความสำเร็จมากนัก
ไม่ใช่การระเบิด แต่เป็นการระเบิด
แบบจำลองทางจักรวาลวิทยาบางแบบไม่มีภาวะเอกฐานเลย แต่ก็เป็นส่วนน้อย แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ชาวแคนาดาสามคนได้ค้นพบแบบจำลองบิกแบงที่น่าสนใจมาก ซึ่งไม่ต้องการสมมติฐานความวุ่นวายควอนตัม ศาสตราจารย์ฟิสิกส์และดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู โรเบิร์ต มานน์ และเพื่อนร่วมงานของเขายอมรับว่าจักรวาลของเราอาจปรากฏเป็นผลพลอยได้จากการหดตัวของแรงโน้มถ่วงของสสารจักรวาล ซึ่งสิ้นสุดด้วยการกำเนิดหลุมดำ แนวคิดหลักของพวกเขาคือสสารนี้มีอยู่ในอวกาศที่ไม่ใช่สามมิติ แต่มีสี่มิติ หลุมแรกเกิดนั้นมีสี่มิติอีกครั้ง ล้อมรอบด้วยเปลือกสามมิติ ซึ่งต่อมาได้กลายเป็นตัวอ่อนของจักรวาล เธอยืมมาจากมิติสี่มิติของแม่ของเธอ ไม่เพียงแต่แรงโน้มถ่วงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสนามและอนุภาคอื่น ๆ ที่ใช้ชีวิตสามมิติที่เป็นอิสระ ดังนั้นโลกของเราจึงไม่ได้เกิดจากบิ๊กแบง แต่มาจากสิ่งที่ตรงกันข้ามคือบิ๊กล่มสลาย!
เปลือกนี้มาจากไหน? หลุมดำ "ธรรมดา" ล้อมรอบด้วยพื้นผิวสองมิติปิดซึ่งก็คือขอบฟ้าเหตุการณ์ อนุภาคที่ตกลงไปภายในขอบฟ้าจะไม่สามารถกลับมาได้อีกต่อไป และแม้แต่โฟตอนจากใต้ขอบฟ้าก็ไม่สามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางที่ผ่านเข้าไปไม่ได้เช่นกัน หากหลุมอยู่กับที่ ขอบฟ้าจะเป็นทรงกลม แต่สำหรับหลุมที่หมุนได้ ทรงกลมนี้จะแบนที่เสา เนื่องจากขอบฟ้ามีความหนาเป็นศูนย์ จึงไม่มีสสารอยู่ข้างในโดยธรรมชาติ แต่นี่คือพื้นที่สามมิติ หลุมสี่มิติยังมีขอบฟ้าเหตุการณ์ซึ่งมีขนาดน้อยกว่าของมันเองหนึ่งช่อง ดังนั้นเส้นขอบฟ้าจึงเป็นพื้นที่สามมิติ ตามสมมติฐานของนักฟิสิกส์ชาวแคนาดา จักรวาลนี้อาจก่อให้เกิดจักรวาลของเราได้
ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยวอเตอร์ลู (แคนาดา):
“สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเหมาะสมสำหรับปริภูมิที่มีมิติจำนวนมากโดยพลการ และในทุกกรณี สมการเหล่านี้มีวิธีแก้ที่นำไปสู่การเกิดขึ้นของภาวะเอกฐาน ตามมาว่าหากความหนาแน่นของสสารในพื้นที่สี่มิติปิดเกินขีดจำกัดวิกฤติ มันจะยุบตัวและก่อตัวเป็นหลุมดำ คุณสมบัติทางกายภาพของสารดังกล่าวควรแตกต่างจากที่เราสังเกตเห็นในโลกของเรามาก อย่างไรก็ตาม มันค่อนข้างสมเหตุสมผลที่จะสรุปได้ว่าแรงโน้มถ่วงจะมีอิทธิพลเหนือโลกนี้ หากอนุภาคของสสารของโลกสี่มิติเปลี่ยนรูปกาล-อวกาศตามสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป พวกมันจะถูกดึงดูดซึ่งกันและกันและทำให้เกิดสีดำ หลุม”
สำหรับเรื่องของอวกาศสี่มิติที่ถูกขังอยู่ในขอบฟ้าของหลุมดำ พื้นที่สามมิตินี้จะเป็นโลกเดียวที่ถูกตัดขาดจากสภาพแวดล้อมสี่มิติโดยสิ้นเชิง สันนิษฐานได้ว่าสสารที่ลากเข้าสู่ขอบฟ้าจะมีพฤติกรรมตามกฎสามมิติทั้งหมด แบบจำลองใหม่ขจัดสมมติฐานการพองตัวของจักรวาลวิทยาทั่วไปที่เสนอไว้ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ซึ่งยังคงประสบปัญหาร้ายแรงที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข โดยเฉพาะอย่างยิ่งธรรมชาติของสนามทางกายภาพที่คาดว่าจะกระตุ้นให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วของเอกภพแรกเกิดนั้นยังไม่ชัดเจน
การเด้งของโลก
แต่ถ้าเราเพิกเฉยต่อผลกระทบทางควอนตัม ขอบฟ้าของหลุมสามมิติจะคงที่ ในขณะที่จักรวาลของเรากำลังขยายตัว แบบจำลองของแมนน์อธิบายเรื่องนี้ด้วย: “การล่มสลายของแรงโน้มถ่วงในอวกาศสี่มิติไม่เพียงแต่ก่อให้เกิดหลุมดำเท่านั้น แต่ยังจะทำให้สสารที่ไม่ได้ตกลงไปนั้น “ดีดตัว” และกระจัดกระจายไปทุกทิศทางด้วย สิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นระหว่างการระเบิดของซูเปอร์โนวา ซึ่งกระจัดกระจายเปลือกของมันไปทั่วอวกาศโดยรอบ การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสสารนี้สามารถสร้างชั้นสามมิติรอบขอบฟ้า ซึ่งจะขยายและดึงขอบฟ้าไปพร้อมกับมัน เป็นผลให้พื้นที่ขยายตัวเดียวของจักรวาลของเราจะเกิดขึ้น แบบจำลองนี้สามารถปรับเปลี่ยนในลักษณะที่คาดการณ์ความเร่งของการขยายตัวนี้ได้ ซึ่งจักรวาลวิทยามาตรฐานอธิบายในแง่ของพลังงานมืด"
โมเดลใหม่ช่วยให้สามารถทดสอบเชิงทดลองได้ อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของสี่มิติบนจักรวาลของเราน่าจะทำให้เกิดความผันผวนของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ซึ่งสามารถคาดเดาสเปกตรัมได้