การตกลงไปในหลุมดำน่ากลัวกว่าที่คิด... นักฟิสิกส์เสนอทฤษฎีใหม่ "ขอบหลุมดำมีกำแพงไฟ"

By: terminus
Writer
on Sun, 22/07/2012 - 00:06

คนที่ตกลงไปในหลุมดำ (หรือจะเรียกว่า "ถูกหลุมดำดูด" ก็ได้ แต่เรียกว่า "ตก" น่าจะถูกต้องกว่าเพราะมันคือการตกลงไปด้วยแรงดึงดูดจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ) สุดท้ายแล้วก็คงไม่รอด แต่ล่าสุดนักฟิสิกส์คิดว่าชะตาชีวิตของคนที่ตกลงไปในหลุมดำน่าจะโหดร้ายกว่าที่เคยเชื่อกัน

ภาพเหตุการณ์การถูกหลุมดำดูดแบบที่ปรากฏในภาพยนตร์หรือเกมส์คอมพิวเตอร์นั้นเป็นเรื่องที่ผิดจากความเป็นจริงไปมาก หลุมดำไม่ได้ดูดมวลสารเข้าไปเหมือนเครื่องดูดฝุ่นกระจอกๆ หรอก มรณะในหลุมดำซับซ้อนงดงามกว่านั้นมากมาย

สมมติเหตุการณ์ว่า ทักกี้ กับ มาร์กกี้ นั่งยานอวกาศไปด้วยกัน บังเอิญทั้งสองมีปากเสียงทะเลาะรุนแรง ทักกี้เลยถีบมาร์กกี้กระเด็นออกจากยาน นักฟิสิกส์บอกไว้ว่าทันทีที่มาร์กกี้ตกลงไปในสนามโน้มถ่วงของหลุมดำ สิ่งที่ทั้งสองคนเห็นจะแตกต่างกันอย่างมาก

สำหรับทักกี้ที่นั่งส่องกล้องดูมาร์กกี้จากในยานอวกาศที่อยู่นอกขอบเขตหลุมดำ เขาจะเห็นมาร์กกี้เคลื่อนที่ด้วยความเร่งเข้าหาหลุมดำชั่วระยะหนึ่ง จนกระทั่งเมื่อมาร์กกี้เข้าใกล้หลุมดำพอสมควร อิทธิฤทธิ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพก็จะทำให้ทักกี้เห็นมาร์กกี้เคลื่อนที่ช้าลงๆ ทุกอย่างรอบตัวมาร์กกี้ก็ช้าลง แม้แต่นาฬิกาบนข้อมือของมาร์กกี้ก็เดินช้าลง เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์บอกว่าสนามโน้มถ่วงบิด space-time ทำให้ผู้สังเกตภายนอกเห็นเวลาไหลช้าลง ยิ่งเคลื่อนที่เข้าใกล้หลุมดำ เวลาของมาร์กกี้จะยิ่งช้าลงเรื่อยๆ ในสายตาของทักกี้ และเมื่อมาร์กกี้ลอยไปถึงขอบเขตที่เรียกว่า event horizon (อะไรก็ตามที่ตกมาถึง event horizon จะไม่มีวันหนีออกไปจากหลุมดำได้อีก แม้แต่อนุภาคแสงก็หนีออกไปไม่ได้) เวลาของมาร์กกี้ก็จะหยุดค้างเติ่งอยู่อย่างนั้น ทักกี้จะไม่มีวันเห็นมาร์กกี้ข้ามเส้น event horizon ไปได้เลย ทักกี้จะเห็นภาพของมาร์กกี้จางลงๆ และขยับไปในทางสเปกตรัมสีแดง (red-shifted) ในที่สุดมาร์กกี้ก็จะระเหิดหายไป กลายเป็นรังสีจางๆ ที่หลุมดำเรอออกมา

แต่สำหรับมาร์กกี้แล้ว เหตุการณ์จะเป็นอีกเรื่องเลย เขาจะตกลงด้วยความเร่งตลอดเวลา โดยที่ไม่รู้ตัวด้วยซ้ำว่าได้ข้ามเขตเส้น event horizon ตั้งแต่เมื่อไร และหากหลุมดำมีรัศมีกว้างมาก มาร์กกี้ก็จะตกลงเข้าไปเรื่อยๆ แต่ก่อนที่จะถึงจุด singularity ที่ใจกลางหลุมดำ ร่างกายเขาก็จะเจอกับการเปลี่ยนแปลงของสนามโน้มถ่วงอย่างรวดเร็ว สมมติว่าเขาตกโดยหันเท้าเข้าหา singularity ของหลุมดำ แรงโน้มถ่วงที่เท้าของเขาจะสูงกว่าที่ศีรษะมาก ร่างกายของเขาจึงถูกดึงให้ยืดยาวออกเหมือนเส้นสปาเก็ตตี้ นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า spaghettification (คนที่ริเริ่มทำให้คำนี้เป็นที่นิยมคือ Stephen Hawking ซึ่งกล่าวไว้ในหนังสือ A Brief History of Time) ในที่สุดแรงโน้มถ่วงของหลุมดำก็จะฉีกอะตอมในร่างกายของมาร์กกี้ออกจากกัน แล้วทุกอย่างก็ร่วงลงไปสู่ singularity อย่าง happy ending

เมื่อวันที่ 13 กรกฏาคม 2012 ที่ผ่านมา นักฟิสิกส์สี่ท่านแห่ง University of California ณ Santa Barbara ได้แก่ Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski, และ James Sully ได้เขียนบทความแย้งว่ามาร์กกี้ไม่ควรที่จะข้ามเส้น event horizon ได้อย่างสบายๆ ความจริงเขาไม่ควรข้ามผ่านเส้น event horizon โดยยังมีชีวิตอยู่ได้ด้วยซ้ำ หลังจากนั้นไม่กี่วันนักฟิสิกส์อีกคน คือ Leonard Susskind แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ก็เขียนบทความสนับสนุนแนวคิดดังกล่าว

นักฟิสิกส์ทั้งห้าคนข้างต้นได้ลองสมมติเหตุการณ์ว่า หากเส้น event horizon เป็นแค่อวกาศปกติที่ไม่มีอะไรนอกจากเป็นที่ปักป้าย "ห้ามยูเทิร์น" ของหลุมดำ คู่อนุภาคที่โผล่ขึ้นมาหรือวิ่งเฉียดเส้น event horizon ก็น่าจะคงสภาพเหมือนเดิมทุกประการแม้ว่าอนุภาคดัวใดตัวหนึ่งจะหลุดตกลงไปในหลุมดำและอีกตัววิ่งเลยหลุมดำไป ถ้ามันเคย entangled กันทางควอนตัมก่อนแยกจากกัน มันก็จะต้อง entangled กันอยู่อย่างนั้น (quantum entanglement หมายถึงอนุภาคสองตัวหรือมากกว่าเกิดความสัมพันธ์ในทางสถานะควอนตัม) ซึ่งพวกเขาเห็นว่าเรื่องแบบนี้เป็นไปไม่ได้ เพราะเหตุการณ์ภายในหลุมดำและอวกาศภายนอกเป็นคนละระบบที่แยกออกจากกัน อนุภาคจึงไม่ควรจะคงสถานะ quantum entanglement ไว้ได้ต่อไป

ดังนั้นพวกเขาจึงเห็นตรงกันว่าตรงเส้น event horizon จะต้องมีสถานะเป็น singularity ประเภทหนึ่ง (ในทางคณิตศาสตร์ singularity หมายถึง จุดที่สมการซึ่งอธิบายทุกจุดรอบๆ มันได้อย่างดีมาโดยตลอดเกิดอาการสะดุดใช้การไม่ได้ เราอธิบายจุด singularity ตรงหลุมดำไม่ได้เพราะความโค้งงอของ space-time ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีสภาพเป็นอนันต์) และถ้าหากหลุมดำนั้นมีอายุแก่มากพอ อนุภาคต่างๆ ทั้งที่วิ่งเข้ามาในอิทธิพลสนามโน้มถ่วงของหลุมดำจะคงค้างตรงเส้น event horizon เป็น "กำแพงไฟ" (firewall) ของอนุภาคพลังงานสูงล้อมรอบหลุมดำไว้

มาร์กกี้หรือตัวอะไรก็ตามที่ตกลงมาจนถึงกำแพงไฟตรง event horizon จะถูกอนุภาคพลังงานสูงเหล่านั้นฉีกทึ้งเป็นชิ้นๆ ไม่มีทางที่ผู้สังเกตคนไหน(หรืออันไหน)จะผ่านเส้น event horizon ไปได้เลย

อายุของหลุมดำที่แก่พอจะสร้างกำแพงไฟนั้นยังไม่มีข้อสรุปแน่ชัด แต่คาดกันว่าอย่างต่ำก็ต้องเป็นอายุที่นานพอให้หลุมดำพ่นข้อมูลครึ่งหนึ่งของข้อมูลที่มันเก็บไว้ก่อนยุบตัวเป็นหลุมดำออกมา สำหรับหลุมดำที่มีมวลเท่าดวงอาทิตย์ อายุที่นับได้ว่าแก่พอน่าจะอยู่ที่ประมาณ 1 ในส่วนล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านวินาที หรือไม่ก็ 1 ใน 10 วินาที (ความแก่ของหลุมดำขึ้นอยู่กับว่ามองด้วยเกณฑ์อายุอะไร นักฟิสิกส์ตกลงกันไม่ได้ก็ตรงเรื่องเกณฑ์เวลาที่ใช้วัดความแก่นี่แหละ)

อย่างไรก็ตาม ทักกี้ยังคงเห็นเหตุการณ์ตามเดิม เขาจะไม่รู้เลยว่าเกิดอะไรขึ้นกับมาร์กกี้ตรงเส้น event horizon เพราะอนุภาคแสงหรือโฟตอนจากจุดนั้นเดินทางมาถึงทักกี้ไม่ได้ ถ้าโฟตอนไม่ถูกดูดเข้าไปยังใจกลางหลุมดำ มันก็จะโคจรรอบหลุมดำ (ถ้ามาร์กกี้โชคดีไม่ตายเสียก่อน เขาจะได้เห็นภาพท้ายทอยของตัวเองมาปรากฏอยู่ตรงหน้าด้วย)

  • บทความวิจัย "Black Holes: Complementarity or Firewalls?" ของ Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski, และ James Sully อยู่ที่ http://arxiv.org/abs/1207.3123

  • บทความวิจัย "Complementarity And Firewalls" ของ Leonard Susskind อยู่ที่ http://arxiv.org/abs/1207.4090

ที่มา - YouTube Channel ของ Sixty Symbols

22 Comments

hisoft's picture
  • (ถ้ามาร์กกี้โชคดีไม่ตายเสียก่อน เขาจะได้เห็นภาพท้ายทอยของตัวเองมาปรากฏอยู่ตรงหน้าด้วย)

ไม่น่าเป็นไปได้หรือเปล่าครับ เพราะอนุภาคที่ร่างกายน่าจะกระแทกโฟตอนที่เป็นส่วนประกอบของภาพท้ายทอยกระเด็นไปจนไม่เหลือภาพท้ายทอยแล้ว

แต่ก็ - -" ได้แค่เดาล่ะครับ

The Phantom Thief

terminus's picture

ก็อาจจะเป็นแบบนั้นครับ ที่จริงเรื่องเห็นท้ายทอยมันมาพร้อมกับการอธิบายแบบเก่าที่คนเคลื่อนผ่าน event horizon ไปเฉยๆ

LazarusSP1's picture

ตั้งชื่อคาแรกเตอร์ ได้ล่อติ่งการเมืองระดับ 2+ เลยครับ

terminus's picture

คิดว่าจะใช้ชื่อ "ณเดชน์-ญาญ่า" เหมือนกันครับ แต่ทำใจกับฉากจบไม่ได้

astider's picture

คุณ terminus นี่เขียนบทความถูกใจผมมากเลย อ่านแล้วเพลินทุกเรื่อง ชอบครับ
ไอ้เรื่องหลุมดำนี่มันก็ยังเป็นปริศนาต่อไป ตราบใดที่ยังไม่มีวิธีไปพิสูจน์ - -"

sunback's picture

อ่านแล้วแอบลุ้นเอาใจช่วยทักกี้ให้ก่อการส่่งคนเข้าหลุมดำให้สำเร็จ ฮ่าๆ

-Rookies-'s picture

เป็นข่าววิชาก๊ารวิชาการที่ฮามากและเห็นภาพมากครับ ผมว่า Jusci เกิดขึ้นมาเพื่อสิ่งนี้ (และคุณ terminus ก็เกิดมาเพื่อ Jusci อร๊ายยยย)

hisoft's picture

ระวังหลุมดำจะโดนกลุ่มคนยกไปปิดปากทางเส้นขอบฟ้านะครับ XP

แล้ว ถ้าผมเข้าใจไม่ผิดวัตถุที่ไม่มีมวลจะเคลื่อนไหวด้วยความเร็วแสงเสมอ ถ้าอย่างนั้นคือแสงตรงขอบด้านนอกหลุมดำจะพุ่งด้วยความเร็วแสงไปทางอื่น ขณะที่แสงที่ขอบด้านใน (ที่ห่างออกไประยะนิดเดียว) จะพุ่งเข้าหลุมดำด้วยความเร็วแสงเหรอครับ? แล้วในเมื่อมันไม่มีมวลทำไมมันถึงถูกดูดเข้าไปได้ครับ?

พักหลังเหมือนผมจะเริ่มสงสัยละเอียด ๆ เยอะหน่อย จะรำคาญหรือควรย้ายไปถามที่เว็บอื่นไหมครับเนี่ย - -"

The Phantom Thief

terminus's picture

ทำไมอนุภาคแสงถึงโดนหลุมดำดูดทั้งที่ไม่มีมวล?

ตอบ เพราะแสงเดินทางเป็นเส้นตรงครับ แต่มันเป็นเส้นตรงใน space-time 4 มิตินะ

ในสภาพที่เราสังเกตเห็นทั่วไปบนโลก space-time มันค่อนข้างราบเรียบ ไม่ได้โค้งงอเท่ากับขนาดที่บริเวณหลุมดำ เราจึงเห็นแสงเดินทางเป็นเส้นตรง แต่ตรงหลุมดำ เราจะเห็นการเดินทางเป็นเส้นตรงของแสงเป็นเส้นโค้ง หมุนเกลียวเข้าหาหรือโคจรรอบหลุมดำ เสมือนหนึ่งว่ามันถูกดูดด้วยหลุมดำ

เราจินตนาการถึงรูปธรรมของการโค้งงอในสี่มิติไม่ได้ (ไม่น่าจะมีมนุษย์คนไหนทำได้ สมองเราไม่ได้ถูกสร้างมาให้รับกับอะไรแบบนี้) ดังนั้นเราจึงต้องเปรียบเทียบเป็นการโค้งงอแบบที่เราพอจะจินตนาการได้...

ลองนึกถึงการขีดเส้นตรงบนลูกโป่งแบนๆ ที่ยังไม่ได้เป่า เราก็จะได้เส้นที่เป็นเส้นตรงบนพื้นสองมิติ คราวนี้ลองเป่าลมเข้าไปในลูกโป่งแล้วกลับมาดูเส้นตรงที่เราลาก ตอนนี้มันก็จะกลายเป็นเส้นโค้งไปแล้วทั้งที่มันก็คือเส้นเดียวกัน เราแค่เพิ่มมิติอีกมิติเข้าไปให้ลูกโป่งเท่านั้นเอง (มิติความพองกลมของลูกโป่ง)

เราเรียกอะไรแบบนี้ว่า "geodesic" การเดินทางของแสงก็เป็นแบบนี้แหละครับ มันวิ่งเป็นเส้นตรงด้วยความเร็วแสงของมันไปเรื่อยๆ แหละ แต่ว่า space-time มันโค้งงอ เราจึงเห็นแสงวิ่งโค้งไปตาม space-time และที่หลุมดำถัด event horizon เข้าไป มันมี space-time โค้งงอจนกระทั่งแสงวิ่งโค้งหนีออกมาไม่ได้เลย

ความจริงแล้ว ที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์ ก็เป็นเพราะดาวเคราะห์วิ่งไปตาม geodesic บน space-time ที่โค้งงอจากมวลของดาวฤกษ์นั่นเอง นี่เป็นผลที่ออกมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยตรงเลยครับ ไอน์สไตน์อธิบายแรงโน้มถ่วงไว้ตามนี้ และมันก็ได้รับการพิสูจน์ด้วยการวัด precession of the perihelion ของดาวพุธ ผลปรากฏว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายได้ถูกต้องตรงกับผลที่สังเกตได้ (ไอน์สไตน์ดีใจกับการพิสูจน์นี้มากนะครับ บอกว่าวินาทีที่ทราบข่าวนี้เป็นเวลาที่ดีที่สุดในชีวิต)

นักวิทยาศาสตร์สังเกตพบว่าเมื่อแสงเดินทางผ่านวัตถุที่มีมวลมากๆ เช่น ดาวฤกษ์ ฯลฯ มันก็จะโค้งงอ เรียกว่า gravitational lensing นี่ก็เป็นหนึ่งในหลักฐานที่ยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เป็นจริง แรงโน้มถ่วงไม่ได้ดึงดูดมวลในแบบที่เหมือนมันมีเชือกที่มองไม่เห็นผูกกันเอาไว้แบบที่ยุคนิวตันเคยคิดกัน

คำถามนี้ไม่ใช่เล่นๆ นะครับ gravitational lensing เป็นเครื่องมือที่นักดาราศาสตร์ใช้ค้นหาหลุมดำ, วัดมวลดาวฤกษ์ ฯลฯ และมันยังเป็นหลักฐานที่พิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปด้วย

hisoft's picture

อ้อ ครับ เข้าใจขึ้นมาเยอะเลย ผมก็ชอบลืมเรื่องที่ space-time มันโค้งงอด้วย - -" ขอบคุณมากครับ

The Phantom Thief

-Rookies-'s picture

ถามที่นี่เถอะครับ ผมจะได้อ่านด้วย ^^

ป.ล.คุณ terminus ตอบด้านบน อ่านแล้วกระจ่างเลย

hisoft's picture

ฮา แต่คุณ terminus อธิบายให้เข้าใจง่าย ๆ ได้ดีนะครับ ถึงแม้ว่าเวลาเข้าตามความจริงแล้วจะผิดจากนั้นไปอีกเยอะแต่นำร่องมาได้ถูกทางก็แถกไถไปได้ (อย่างน้อยผมก็แปลงจากเส้นบนลูกโป่งเข้า space-time บิดได้ระดับนึง XD)

The Phantom Thief

mementototem's picture

ถ้าอายุได้ 1/10 วินาทีเรียกว่า แก่ ได้แล้ว หลุมดำคงจะเป็นพวกแก่ง่ายตายยากของแท้

hisoft's picture

แต่มวลน้อยขนาดนี้คงไม่เกิดเป็นหลุมดำง่าย ๆ สิครับ

The Phantom Thief

EThaiZone's picture

คำว่า กำแพงไฟ นี้มาจากคำว่า firewall ใช่ไหมครับ จากความรู้สึกผมๆ ว่ามันน่ามีความหมายเหมือนกับ firewall ที่ใช้ป้องกันการบุกรุกของไวรัสหรือการแฮค (ลบข้อมูลหรือแพ็กเกตที่เป็นอันตรายทิ้ง) คือไม่รู้จะมีบางคนเข้าใจเป็น กำแพงติดไฟ กำแพงพ่นไฟ หรืออะไรพวกนี้แทน

terminus's picture

ต้นฉบับก็ใช้คำว่า firewall นั่นแหละครับ ผมใส่วงเล็บเพิ่มให้แล้ว

ในทางทฤษฎีมันก็ดูจะมีความหมายทั้งเหมือนกับ firewall ของระบบคอมพิวเตอร์และ firewall แบบที่เป็นกำแพงติดไฟจริงๆ คือมันป้องกันไม่ให้ "ข้อมูล" ของผู้สังเกตไหลเข้ามาในหลุมดำและไม่ให้ข้อมูลของหลุมดำไหลออกไปข้างนอก Susskind เรียกว่าผู้สังเกตจะ terminated ไปเลย แต่บทความแรกใช้คำว่า burned up เหมือนถูกเผาไป

virusfowl's picture
  • ภาพเหตุการณ์การถูกหลุมดำดูดแบบที่ปรากฏในภายยนตร์หรือเกมส์คอมพิวเตอร์นั้นเป็นเรื่องที่ผิดจากความเป็นจริงไปมาก << ภายยนตร์ > ภาพยนตร์

บทความเจ๋งมากครับ อ่านสนุกเลย ^_^

PS: ว่าแต่ถ้าตัวละคร = ณเดชน์ - ญาญ่า แล้วใครจะ"ถีบ"ใครล่ะเนี่ย ฮาฮา