นักฟิสิกส์เสียดาย LHC ยังไม่สร้างหลุมดำ

By: terminus
Writer
on Tue, 21/12/2010 - 23:41

หลายคนอาจจะกลัวว่า LHC จะสร้างหลุมดำขึ้นมากลืนกินโลก (ทั้งที่ความจริงแล้วเราไม่มีอะไรต้องกลัว ยืนยันได้จากข่าวเก่า 1, 2) นักฟิสิกส์เองก็วิตกเหมือนกัน แต่วิตกว่ามันจะไม่เกิดขึ้น

ต้องอธิบายก่อนว่าทำไมนักฟิสิกส์ถึงได้กระสันอยากให้เกิดหลุมดำที่ LHC นัก อันนี้เนื่องมาจากว่าพวกเขาต้องการพิสูจน์ว่ามิติอื่นๆ ในทฤษฎีสตริง (String theory นะ ไม่ใช่จีสตริง) มีจริงหรือไม่ ทฤษฎีสตริงบอกไว้ว่าเอกภพของเรานี้ประกอบด้วยมิติหลายมิติ อนุภาคมูลฐานที่เราสังเกตได้ก็เป็นเพียงการสั่นเป็นคาบของสตริง (oscillation) ในหนึ่งมิติเท่านั้น

การทำนายอย่างหนึ่งของทฤษฎีสตริงที่นักฟิสิกส์คิดว่าพอจะใช้ LHC พิสูจน์ได้คือ เรื่องของกราวิตอน (Graviton) ซึ่งเป็นอนุภาคของแรงโน้มถ่วง เหมือนกับโฟตอนเป็นอนุภาคของแสง เพียงแต่กราวิตอนเป็นอนุภาคที่ตอนนี้มีอยู่แต่ในทฤษฎีเท่านั้น ยังไม่มีใครเห็นหน้าคร่าตาตัวเป็นๆ ของกราวิตอนเลย นักฟิสิกส์ที่เชียร์ทฤษฎีสตริงเชื่อว่ากราวิตอนบางส่วนในมิติของเรา "รั่ว" ไปยังมิติอื่นๆ ทำให้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนกว่าแรงอื่นในเอกภพมิติของเรา ดังนั้นหากเราเร่งอนุภาคให้มาชนกันที่พลังงานสูงกว่าพลังงานของกราวิตอนที่รั่วออกไป แรงโน้มถ่วงที่มากพอจะหลอมรวมอนุภาคนั้นเกิดเป็นหลุมดำขึ้นมาได้

หลุมดำที่นักฟิสิกส์จินตนาการว่าจะเกิดขึ้นที่ LHC นี้เป็นหลุมดำขนาดเล็กมากๆ เท่านั้น และสลายตัวไปในเวลาแทบจะทันทีที่มันเกิดขึ้น ไม่นานพอจะกลืนโลก แต่นานพอจะเกิดร่องรอยทางของอนุภาคที่วิ่งออกมาจากหลุมดำ ไว้เป็นหลักฐานให้นักฟิสิกส์ยืนยันว่าเกิดหลุมดำตาม จีสตริง เอ๊ย ทฤษฎีสตริงทำนายจริง

แต่ว่าจนบัดนี้นักวิจัยประจำเครื่องตรวจจับ Compact Muon Solenoid (CMS) ก็ยังไม่พบร่องรอยทางของอนุภาคที่ว่า นักฟิสิกส์เลยมีอาการผิดหวังบ้างเล็กน้อย เพราะตามที่คำนวณไว้ นักฟิสิกส์คาดว่าพลังงานไม่กี่ TeV (teraelectronvolt) ก็น่าจะพอให้เกิดหลุมดำได้แล้ว และพลังงานสูงสุดที่ใช้ในคราวนี้คือ 4.5 TeV ซึ่งก็ยังไม่เห็นเงาของหลุมดำเลย ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงต้องตัดช่วงพลังงาน 3.5–4.5 TeV ออกไปก่อน ตอนนี้เลยได้แต่หวังว่าเมื่อเร่งให้อนุภาคมีพลังงานมากกว่านี้ อาจจะเกิดหลุมดำที่ตามหาก็ได้

ข่าวดีก็ยังพอมีอยู่ เนื่องจากนักฟิสิกส์ของ CERN เห็นว่า LHC ทำงานได้ดีกว่าที่คาด แม้จะต้องมีปิดบ้างอะไรบ้าง แต่ก็ยังเรียกได้ว่าราบรื่นพอควร เลยตัดสินใจขยายเวลาการทำงานของ LHC ออกไปอีก จากเดิมที่วางแผนว่าจะปิดปรับปรุงตอนปลายปี 2011 ก็เลื่อนไปโน่นเลย ปลายปี 2012 ดังนั้นนักฟิสิกส์ที่เชียร์ทฤษฎีสตริงยังมีช่วงต่อเวลาพิเศษให้ได้ลุ้นเพิ่ม นอกจากหลุมดำแล้ว นักวิจัยบางท่านยังมั่นใจอีกว่าดีไม่ดีอาจจะเจออนุภาค Higgs ก่อนที่คาดการณ์เอาไว้ด้วย (ข่าวลืออีกทางบอกมาว่าที่เลื่อนเวลาปิดออกไปไม่ใช่อะไรหรอก แค่ไม่อยากโดน Tevatron เครื่องเร่งอนุภาคอันดับสองของโลกเจออนุภาค Higgs แซงตัดหน้า เพราะก่อนหน้าที่ LHC จะประกาศเลื่อนไม่นาน Tevatron ก็ประกาศเลื่อนปิดปรับปรุงจากปลายปี 2011 ไปเป็นปี 2014)

เอ ว่าแต่ปี 2012 นี่มันคุ้นๆ นะ

ที่มา - Popular Science, New Scientist, Nature News

16 Comments

mementototem's picture

เขาบอกว่า หลุมดำดูดได้ทุกอย่างแม้กระทั่งแสง และเขาก็บอกว่าจะมีอนุภาคบางอย่างหลุดออกมาจากหลุมดำ มึน

ถ้าเราเจออนุภาคกราวิตอน ต่อไปเราก็จะพยายามสร้างเครื่องต้านอนุภาคกราวิตอน แล้วเราก็จะลอยได้สินะ

EThaiZone's picture

ก็ดีสินะ ขอแค่เครื่องบินเบาลง ก็ช่วยโลกนี้ได้เยอะแล้วล่ะ

neizod's picture

โมเดลโบราณของหลุมดำบอกว่า มันมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนแม้แต่แสงที่มีความเร็วสูงสุดก็ยังไม่สามารถหนีไปได้
และด้วยเหตุผลง่ายๆ เพียงเท่านี้ ทำให้เราคิดว่าเมื่อหลุมดำเกิดขึ้นมาแล้ว มันควรจะดำรงอยู่ตลอดกาล

ไอน์สไตน์บอกว่า มวลกับพลังงานก็คือสิ่งเดียวกันที่เปลี่ยนรูปไปมาได้ (E = mc2)
ในอวกาศที่ดูเหมือนว่างเปล่านั้น มีการเกิดและการดับของมวลอยู่ตลอดเวลา
พูดให้ชัดคือ ในตัวอวกาศที่ดูเหมือนว่างเปล่านี้ มีคู่อนุภาค-ปฏิอนุภาคเกิดขึ้น และดับลงอย่างรวมเร็วตลอดเวลา

สตีเฟน ฮอว์คิงเลยถามว่า แล้วถ้าไอ่คู่อนุภาค-ปฏิอนุภาคนี้มันไปเกิดที่แถวๆ ขอบหลุมดำหละ จะเป็นยังไง?
เราจึงเห็นเหตุการณ์ที่แสนประหลาดเมื่ออนุภาคหนึ่งเกิดมาแล้วหนีหลุมดำพ้น แต่คู่ของมันกลับถูกดูดลงไปในหลุมดำ
นั่นคือเราสามารถวัดการแผ่รังสี (ซึ่งก็คืออนุภาคที่หนีรอดมา) จากหลุมดำได้ครับ

ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากมีอนุภาคหลุดออกมาได้ จึงทำให้หลุมดำสูญเสียพลังงานนี้ด้วย (action = reaction)
เราเรียกเหตุการณ์นี้ว่า การระเหิดของหลุมดำครับ ซึ่งมีผลทำให้เมื่อเวลาผ่านไปนั้น หลุมดำจะมีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ
ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็ก ยิ่งสูญสลายเร็วยิ่งขึ้นครับ (การระเหิดของหลุมดำกับมวลหลุมดำนั้นผกผันกับมวลครับ)

mementototem's picture

ก็คือ เราอาจจะเจออนุภาคที่ไม่ครบคู่ใช่ไหมครับ? -- นั่งดื่มน้ำชา เสวนาธรรมกันอยู่ดี ๆ เพื่อนก็โดนสาวเจ้าโทรมาตามให้กลับบ้าน ก็เลยต้องนั่งเหงาอยู่คนเดียว...

อีกเรื่องตอนนี้นักดาราศาสตร์เขารู้หรือยังว่า เมื่อหลุดดำสลายตัวหมดมันจะเป็นยังไง ผมเคยคิดว่ามันจะระเบิดตูมออกมา ซึ่งคงไม่ใช่

bahamutkung's picture

เทียบแบบนี้แทนครับ
เหมือนกับเรา(สสารพลังงานบวก)มีเงา(สสารพลังงานลบ)อยู่ แต่เมื่อวันหนึ่งเราหายไป เงากลับลุกขึ้นมาเป็นตัวเราแทน จากสิ่งที่ไม่มีตัวตนในทางพลังงาน กลับมีพลังงานได้จากหลุมดำครับ

เมื่อหลุมดำสลายตัว คาดการณ์ว่าน่าจะหายไปเฉยๆ เพราะพลังงานระเหยออกมาหมด

-Rookies-'s picture

คงไม่ตู้มมมมม....กลายเป็นโกโก้ครันช์หรอกนะ...

neizod's picture

หายไปเบาๆ ครับ :)

เหมือนกับระรอกคลื่นผิวน้ำ ที่จางหายไปธรรมดาๆ

mementototem's picture

แล้วแกนกลางของหลุมดำล่ะครับ หรือว่าไม่มี แล้วสิ่งที่มันดูดไปล่ะ นอกจากทฤษฎีเรื่องหลุมดำ-หลุมขาว แล้วมีทฤษฎีอื่นอธิบายการหายไปของสิ่งที่หลุมดำดูดเข้าไปอีกไหมครับ?

neizod's picture

อันนี้ผมก็ไม่ค่อยแน่ใจแล้ว เพราะไม่ได้ติดตามเรื่องพวกนี้มาพักใหญ่เลยครับ

ส่วนตัวคิดว่า จากโมเดลที่ผมเห็นว่าเข้าท่าที่สุด คือการจำลองว่าอวกาศคือแผ่นยาง
เมื่อมีมวลอยู่ในอวกาศ มวลนั้นจะไปบิดอวกาศให้เป็นรูปร่างต่างๆ ตามลักษณะของมวล
ดาวฤกษ์ก่อนที่จะเกิดหลุมดำนั้น ก็เป็นมวลอย่างหนึ่งเช่นกัน จึงน่าจะใช้เรื่องนี้อธิบายได้

แต่ก่อนอื่น คงต้องท้าวความถึงเรื่องกิจกรรมภายในดาวฤกษ์กันหน่อย

ดาวฤกษ์นั้นก่อนกำเนิดมาจากกลุ่มแก๊สในอวกาศที่เราเรียกกันว่า เนบิวลาครับ
เมื่ออนุภาคต่างๆ ภายในเนบิวลาอยู่ใกล้ชิดกันมากพอ มันจะเริ่มดึงดูดกันและกันเข้ามาเรื่อยๆ
โดยอนุภาคส่วนใหญ่นั้นคือไฮโดรเจน (โปรตรอนเดี่ยวๆ) ที่มีมากประมาณ 70-80%
(ในที่นี้ขออนุโลมว่า อนุภาคเมื่อเริ่มต้นคือไฮโดรเจนทั้งหมดเลยละกันครับ)

เมื่อไฮโดรเจนเหล่านี้เข้าใกล้กันมากขึ้น มันก็จะชนกันบ่อยขึ้นๆ และก็ร้อนขึ้นๆ
พอร้อนถึงจุดหนึ่ง e- จะถูกสลัดหลุดออกมา เหลือแต่โปรตรอนเดี่ยวๆ เท่านั้น
ซึ่งโปรตรอนเหล่านั้นมีประจุ + ทั้งหมด ซึ่งโดยธรรมชาติแล้ว ประจุเดียวกันจะผลักกันออกไป
แต่มันก็ยังโดนบีบอัดเข้ามาเรื่อยๆ เพราะมวลที่มหาศาลของมันได้ดึงดูดตัวมันเองให้เล็กลงๆ
จนแกนกลางมันแออัดถึงขีดสุด แทบไม่มีที่ให้ขยับไปไหนได้
โปรตอนเหล่านี้จึงหลอมรวมกันเป็นดิวทีเรียม (โปรตอน+นิวตรอน) เป็นปรากฎการณ์ฟิวชันครับ

ตรงนี้เองที่เราได้ใช้สูตร E = mc2 เพราะมวลของโปรตอน 2 ตัวมีค่ามากกว่ามวลของโปรตอน+นิวตรอน
ส่วนต่างนี้ก็คือพลังงานที่ดาวฤกษ์ปลดปล่อยออกมาครับ
และพลังงานนี้เองที่ทำให้ดาวฤกษ์หยุดยุบตัวลงด้วยแรงโน้มถ่วงจากตัวมันเอง

คราวนี้ ดาวฤกษ์ก็จะเริ่มหลอมไฮโดรเจนให้เป็นธาตุฮีเลียมครับ
จนแกนกลางของมันมีฮีเลียมเต็มไปหมด ก็จะกลับไปเกิดเหตุการณ์คล้ายกับตอนที่แกนกลางมีแต่ไฮโดรเจน
นั่นคือฮีเลียมที่แกนกลางไม่สามารถสร้างพลังงานออกมาได้ ส่วนไฮโดรเจนที่ไม่อยู่แถวแกนกลางก็ร้อนไม่พอจะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันอีก
ถึงตอนนี้ ดาวก็จะกลับมายุบตัวด้วยแรงดึงดูดของมันเองอีกครั้ง

ยุบไปเรื่อยๆ จนถึงจุดหนึ่งที่แกนกลางร้อนมากพอที่จะหลอมฮีเลียม ก็จะเกิดเหตุการณ์ยุบหนอ-พองหนอแบบข้างบนซ้ำไปซ้ำมาเรื่อยๆ
จนเมื่อแกนกลางของดาวฤกษ์เหลือแต่ธาตุเหล็ก ซึ่งพลังงานจากการหลอมธาตุเหล็กเข้าด้วยกันนั้นกลายเป็นติดลบ
ถึงตอนนี้ก็ได้เวลาเลือกแล้วว่าอนาคตจะเดินทางสายมืดหรือสว่าง

ถ้าเลือกเดินทางสว่าง ดาวฤกษ์จะอัดมวลเข้ามาจนถึงจุดวิกฤต และรับรู้ความจริงว่า เรานั้นก็โปรตรอนเหมือนกัน จะรังเกียจเดียจฉันไปใย
เมื่อไม่ชอบหน้ากันแต่อยากอยู่ด้วยกันก็ต้องยอมเปลี่ยน ดังนั้นโปรตรอนทั้งหลายที่ถูกบีบคั้นจึงสลัดตัวเองเปลี่ยนเป็นนิวตรอน
ปล่อยพลังงานตูมใหญ่ออกมา เปลือกทั้งหลายถูกสลัดทิ้งไป (ซุเปอร์โนวา) เหลือแกนกลางที่มีแต่นิวตรอนล้วนๆ กลายเป็นดาวนิวตรอน

ส่วนถ้าเลือกเดินทางสายมืดหละก็ กระบวนการเหมือนด้านบนเลย
แต่ตอนจบนั้นต่างออกไป ถึงแม้ว่าทั้งดาวจะเป็นนิวตรอนที่อยู่ชิดติดกันจนไม่มีที่ว่างให้ขยับได้แล้ว มันก็ยังอึดอัดจากการที่โดนแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของมันบีบเข้ามาเรื่อยๆ
ดังนั้น มันจึงยุบตัวลงอีกครั้ง กลายเป็นหลุดำซึ่งยังไม่มีใครรู้ว่าตรงกลางคืออะไรกันแน่

ทีนี้ เราลองมาเปรียบเทียบอวกาศเป็นแผ่นยางดูกันครับ
สมมติว่าผมมีแผ่นยางที่ใหญ่มากๆ ซักแผ่นหนึ่ง ผมโยนลูกแก้วเล็กจิ๋วหลายร้อยหลายพันลูกลงไปอย่างสุ่มๆ
มันจะมีซักจุดหนึ่งแหละครับ ที่ได้รับผลกระทบการกระจายเป็นไปอย่างไม่สม่ำเสมอ ตรงนั้นจะมีลูกแก้วเยอะเป็นกระจุกๆ
ลูกแก้วแถวนั้นก็จะทำให้แผ่นยางหย่อนลง ดึงดูดลูกแก้วลูกอืนๆ ให้พุ่งเข้ามาหามันเมากขึ้นๆ
และยิ่งมันมีสมาชิกมากขึ้นเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งดึงดูดลูกแก้วที่กระจายตามจุดต่างๆ ให้เข้ามามากึ้นด้วย
จนถึงจุดที่แผ่นยางทนไม่ได้ มันก็จะขาดและลูกแก้วก็จะร่วงลงไปใต้แผ่นยางนั้นครับ

ความเห็นผมคือ สิ่งที่เข้าไปในหลุมดำน่าจะหายไปอยู่ในอีกมิติหนึ่ง (หรืออาจอีกเอกภพหนึ่ง) เลยครับ

neizod's picture

555+ คิดถูกละ ที่วางแผนไว้ว่าจบมาจะไม่เป็นอาจารย์
ไม่งั้นลูกศิษย์จบจากผมไปเรียนต่อนี้ต้องขายหน้าเค้าแย่แน่เลย ^^"

ถูกต้องครับ โปรตรอนมีมวลประมาณ 1.007 276 u
(u เป็นหน่วยวัดน้ำหนักอะตอมครับ ใช้หน่วยนี้อธิบายง่ายดี ไม่งั้นได้ใส่เลขยกกำลังเยอะ)
ส่วนนิวตรอนนั้นมีมวลที่ประมาณ 1.008 664 u ครับ

สำหรับสมการก็คงไม่ผิดหรอกครับ เพราะได้รับการยืนยันด้วยทฤษฎีและการทดลองแล้ว
เอ๋... แล้วผมผิดตรงไหนเนี่ย? ;)

ตรงที่ว่า ผมดันบอกว่ามวลของโปรตรอน 2 ตัวน้อยกว่ามวลของโปรตรอน+นิวตรอนไงครับ
จริงๆ ต้องบอกว่า มวลของโปรตรอน 2 ตัวน้อยกว่ามวลของดิวทีเรียม
ซึ่งดูเผินๆ ดิวทีเรียมก็คือโปรตรอน+นิวตรอนนั่นแหละ ...อ้าว แล้วตกลงว่าผิดตรงไหนเนี่ย

ลองนั่งนึกดูดีๆ ก็ระลึกได้ว่า เวลาอนุภาคเหล่านี้มันมารวมตัวกัน มันจะสูญเสียมวลไปส่วนหนึ่งเสมอ
เปิดดูตารางธาตุก็พบว่า ดิวทีเรียมมีมวล 2.014 101 u ไม่เท่ากับมวลของโปรตรอน+นิวตรอนจริงๆ ด้วย
ขออภัยที่อธิบายผิดพลาดมา ณ ที่นี้ด้วยครับ

ส่วนตัวปฏิกิริยานี้ยังมีอีกหลายขั้นตอนมากๆ ครับ สนใจลองไปดูสมการเคมีได้ที่นี่

virusfowl's picture

+like เล่าได้บรรเจิดมวากกกกก

ผมชอบฟิสิกส์ก็เพราะมันสนุกอย่างนี้แหละ