สตีเฟน ฮอว์คิง บอกว่า "ไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่มีหลุมดำ"

By: terminus
Writer
on Sat, 25/01/2014 - 19:03

ว่ากันตามคำจำกัดความที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน หลุมดำ (Black Hole) คือบริเวณที่กาล-อวกาศ (space-time) มีความโค้งงอสูงจนไม่มีอะไรสามารถวิ่งหนีออกจากหลุมดำได้แม้แต่อนุภาคแสง และนักวิทยาศาสตร์เรียกเส้นที่กำหนดขอบเขตของหลุมดำว่า "ขอบฟ้าเหตุการณ์" (event horizon) อะไรก็ตามที่ข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ ก็จะไม่มีทางยูเทิร์นหนีหลุมดำได้อีกเลย

ใน ค.ศ. 1975 สตีเฟน ฮอว์คิง ได้เสนอว่าหลุมดำไม่ได้ดำมืดอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิดกัน เขาทำนายว่าหลุมดำจะเปล่งอนุภาคแสงออกมาจากขอบฟ้าเหตุการณ์ตลอดเวลาซึ่งจะทำให้หลุมดำระเหิดเล็กลงไปเรื่อยๆ และหายไปเองในที่สุด ต่อมาปรากฏการณ์นี้ก็ได้ชื่อว่า "Hawking radiation"

เมื่อฮอว์คิงพิจารณาทฤษฎีของตัวเองต่อ เขาก็พบว่าการระเหิดของหลุมดำสร้างปัญหาชุดใหม่ขึ้นมาซะแล้ว เนื่องจากหากหลุมดำระเหิดไปจนหมด สิ่งที่ถูกดูดตกลงไปในหลุมดำก็จะต้องสูญหายไปจากเอกภพด้วย ซึ่งการหายไปนี้ขัดกับหลักการ Unitarity ของฟิสิกส์ควอนตัมที่ระบุชัดเจนว่าข้อมูลทางควอนตัมจะสูญหายไปเฉยๆ ไม่ได้ พอเรื่องนี้ประกาศสู่วงการฟิสิกส์ มันก็กลายเป็นประเด็นใหญ่ทันที นักฟิสิกส์เรียกความขัดแย้งทางทฤษฎีนี้ว่า Black Hole Information Paradox และเปิดฉากถกเถียงกันอย่างดุเดือด ทั้งผ่านหน้าสื่อและบทความวิชาการ

ล่วงผ่านไปเกือบ 30 ปี สตีเฟน ฮอว์คิง ก็นั่งรถเข็นออกมายอมรับใน ค.ศ. 2004 ว่าเขาคิดผิด ผลจาก AdS/CFT correspondence แสดงให้เห็นว่าข้อมูลของสิ่งที่ตกลงไปในหลุมดำไม่ได้สูญหายไปไหน หนึ่งในสมมติฐานที่ได้รับการยอมรับที่สุด ณ เวลานั้น คือ Holographic Principle ซึ่งอธิบายว่าข้อมูลของสิ่งที่ตกไปในหลุมดำจะยังคงถูกอนุรักษ์ไว้ในรูปของข้อมูลสองมิติบนผิวนอกของหลุมดำ แต่ปัญหาก็ไม่ได้จบลงที่ตรงนั้น เพราะยังไม่มีใครรู้อยู่ดีว่าข้อมูลหลุดเล็ดลอดออกจากหลุมดำหรือถูกนำมาแปะเป็นโฮโลกราฟที่ผิวหลุมดำได้อย่างไร

นักฟิสิกส์พยายามที่จะปิดคดีของ Black Hole Information Paradox ให้เสร็จสมบูรณ์ ต่างคนก็พยายามหาทางอธิบายไปเรื่อย จนกระทั่งเมื่อราวกลางปี ค.ศ. 2012 นักฟิสิกส์ผู้หาญกล้า 5 คนอันมีหัวหอก ได้แก่ Joseph Polchinski แห่ง University of California ณ Santa Barbara กับ Leonard Susskind แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้เสนอทฤษฎีพลิกโลกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำมีกำแพงไฟ นั่นคือ อะไรก็ตามที่ตกลงมาในขอบฟ้าเหตุการณ์จะถูกกองสะสมเป็นกำแพงไฟของชั้นอนุภาคพลังงานสูงล้อมรอบหุ้มหลุมดำเอาไว้ สสารจะถูกสลายและถูกพ่นเป็นข้อมูลออกมา ด้วยการนี้ข้อมูลจึงถูกอนุรักษ์ไว้ ไม่ได้หายไปพร้อมกับการระเหิดของหลุมดำ

พอนักฟิสิกส์คนอื่นๆ เห็นทฤษฎีกำแพงไฟของหลุมดำ หลายคนก็ดีใจที่จะได้คำอธิบายมายุติข้อกังขาของ Black Hole Information Paradox อย่างสมบูรณ์แบบสักที แต่พอกำลังจะอ้าปากร้องว้าว กำแพงไฟของหลุมดำก็สร้างปัญหาของตัวมันเองขึ้นมาซะแล้ว เพราะว่าหากหลุมดำมีกำแพงไฟตามหลักฟิสิกส์ควอนตัม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก็ต้องผิดทันที เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปบอกไว้ว่าสสารที่ผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่รู้สึกอะไรเลยขณะกำลังข้ามผ่าน มันจะลอยผ่านไปเฉยๆ ราวกับไม่มีอะไรเกิดขึ้น ความขัดแย้งนี้ได้ชื่อเรียกว่า "Firewall Paradox"

Firewall Paradox ได้ไปกระตุกความสนใจของ สตีเฟน ฮอว์คิง ซึ่งเป็นตัวการต้นเรื่องทั้งหมดทั้งมวล เขาขบคิดอยู่นานจนได้ข้อสรุปว่า "ถ้าไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์ ก็จะไม่มีกำแพงไฟ เมื่อไม่มีกำแพงไฟ ก็จะไม่มี Firewall Paradox ฉะนั้นก็แปลได้ว่าหลุมดำไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์"

สตีเฟน ฮอว์คิง มองว่าเมื่อมวลสารยุบตัวลงเป็นหลุมดำ กาล-อวกาศในอาณาบริเวณรอบศูนย์กลางจะโค้งงอจนเป็นขอบฟ้าที่กักเก็บอนุภาคต่างๆ รวมถึงแสงเอาไว้ แต่การแกว่งทางควอนตัม (Quantum Fluctuation) จะทำให้อาณาบริเวณนี้อยู่ในภาวะอลหม่านและเปลี่ยนรูปร่างไปตลอดเวลา มันจึงไม่ได้เป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ตามความจำกัดความดั้งเดิมเพราะอนุภาคที่ถูกกักไว้ในขอบฟ้าดังกล่าวมีโอกาสที่จะหลุดหนีออกจากหลุมดำได้ ฮอว์คิงเรียกขอบฟ้าของหลุมดำแบบใหม่นี้ว่า "apparent horizon" และแม้ข้อมูลที่ตกลงมาสู่ apparent horizon จะยังคงถูกอนุรักษ์อยู่ แต่มันจะกระจายเละเทะอลหม่าน ใช้การอะไรไม่ได้ เสมือนกับว่าหลุมดำย่อยข้อมูลนี้หายไป

นอกจากนี้การเปลี่ยนจาก event horizon มาเป็น apparent horizon ทำให้คำจำกัดความเดิมของหลุมดำใช้การไม่ได้อีกด้วย ฮอว์คิงเสนอให้เปลี่ยนคำจำกัดความของหลุมดำใหม่โดยอธิบายหลุมดำว่าเป็นสถานะขอบเขตของสนามแรงโน้มถ่วงรูปแบบหนึ่ง

The absence of event horizons mean that there are no black holes - in the sense of regimes from which light can’t escape to infinity. There are however apparent horizons which persist for a period of time. This suggests that black holes should be redefined as metastable bound states of the gravitational field.

ขณะนี้ บทความของสตีเฟน ฮอว์คิง ได้ถูกฝากไว้บน arXiv ภายใต้ชื่อหัวข้อ "Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes" arXiv:1401.5761 ตัวเนื้อหาบทความมีสั้นๆ เพียงสองหน้ากระดาษและไม่มีการพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ประกอบเลย เนื้อหาส่วนใหญ่เป็นการรวบรวมความคิดจากการบรรยายเมื่อปีที่แล้วของฮอว์คิงเอง (วิดีโอการบรรยายอยู่ที่เว็บไซต์ของ Kavli Institute for Theoretical Physics ซึ่งเป็นเจ้าภาพงานประชุมวิชาการครั้งนั้น)

วงการฟิสิกส์ตอบรับทฤษฎีใหม่ของฮอว์คิงด้วยความตื่นเต้น เราคงต้องรอคอยต่อไปว่าสุดท้ายแล้วนี่จะเป็นการกู้หน้าตัวเองหรือเป็นความผิดพลาดอีกครั้งของสตีเฟน ฮอว์คิง

ที่มา - New Scientist, Nature News

12 Comments

moondrop's picture

สุดยอดเลยครับคุณ terminus แปลเรื่องยากๆออกมาให้เข้าใจง่ายสุดๆ

hoolala's picture

ขอบคุณมากครับ ชอบเรื่องแบบนี้มาก แต่อ่านไม่ค่อยเข้าใจเท่าไหร่ ^-^"
รบกวนช่วยอธิบายหน่อยได้หรือเปล่าครับว่าคำว่า "ข้อมูล" นี่คืออะไรหรอครับ?
สงสัยเพิ่มอีกอย่างครับ ว่าถ้าเกิดว่าไม่มีหลุมดำ ก็แสดงว่าจะไม่มีรูหนอนด้วย ใช่หรือเปล่าครับ?

terminus's picture

หลุมดำยังมีอยู่ครับ สิ่งที่หายไปคือหลุมดำในแบบคำจำกัดความที่ทุกสิ่งทุกอย่างถูกดูดเข้าไปอย่างไม่มีวันกลับ ผมก็อ่านไม่ค่อยเข้าใจว่าคำจำกัดความใหม่ของหลุมดำของฮอว์คิงคืออะไร เปเปอร์สองหน้ามีแต่ศัพท์ฟิสิกส์ล้วนๆ

ส่วน "ข้อมูล" หมายถึง สถานะที่กำหนดระบบนั้นๆ ผมก็ไม่ค่อยเข้าใจคอนเซ็ปต์สักเท่าไร แต่ผมรู้สึกว่ามันไม่แตกต่างจากความหมายที่เราคุ้นเคยในทางคอมพิวเตอร์สักเท่าไร ถ้าจินตนาการให้เอกภพของเราคือระบบคอมพิวเตอร์สักอัน อนุภาค, ก้อนอนุภาค, ดาวฤกษ์, ดาวเคราะห์, กาแล็กซี่ และทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพก็คือข้อมูลที่อยู่ในฮาร์ดดิสก์จักรวาล เช่น 100 แทนอิเล็กตรอน, 010 แทนโฟตอน, 111 แทนนิวตริโน ฯลฯ ค่าของบิตจะเป็น 0 หรือ 1 ยังไงก็ได้ แต่จำนวนบิตในฮาร์ดดิสก์ก็ยังเท่าเดิมเสมอ

hisoft's picture

สตีเฟน ฮอว์คิง บอกว่า "ไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่มีหลุมดำ"

ไม่มีหลุมดำตรงนี้หมายถึงอะไรเหรอครับ? หมายถึงไม่มีหลุมดำในคำจำกัดความแบบเดิม แต่มีแบบใหม่ขึ้นมาแทน?

The Phantom Thief

phziaz's picture

ที่จริงใช้คำว่าไม่มีหลุมดำ ก็ชอบอยู่นะครับ เพราะถ้าหลุมดำนิยามว่า A ถ้ามันกลายเป็น AA จะเรียกว่าหลุมดำมันก็ไม่ค่อยถูกสักเท่าไหร่นะครับ จนกว่าจะมีการนิยามคำใหม่ หรือเปลี่ยนคำจำกัดความ ผมว่าพูดถูกแล้วว่า ไม่มีหลุมดำ

hisoft's picture

พอดีว่าคอมเมนท์ด้านบนใช้คำว่า "หลุมดำยังมีอยู่ครับ" น่ะครับเลยสับสน - -"

ส่วนตัวผมเองเกิดไปมองว่าหลุมดำคือส่วนที่มีมวลมหาศาลสร้างแรงดึงดูด ลืมไปว่าหลุมดำคือพื้นที่ที่มีสิ่งที่มีส่วนที่เป็นมวลมหาศาลนั่น ขอบฟ้าเหตุการณ์ แล้วก็หลายๆ อย่างประกอบกัน ถ้าขอบฟ้าเหตุการณ์หายไป ถึงส่วนที่มีมวลมหาศาลนั่นจะยังอยู่แต่มันก็ไม่น่าใช่หลุมดำอีกต่อไป

ว่าแต่ ส่วนที่เป็นมวลมหาศาลนั่นเขาเรียกว่าอะไรครับ?

The Phantom Thief

hisoft's picture

ว่าแต่ เรื่องทั้งหมดที่เกิดขึ้นนี่เพราะต้องการข้อสรุปที่หลุมดำสามารถปลดปล่อยมวลหรือข้อมูลออกมาได้ใช่ไหมครับ? ถ้าอย่างนั้นแล้วหลุมดำในนิยามดั้งเดิมที่ไม่มีอะไรเล็ดลอดออกมาเลยแบบในย่อหน้าแรกนี่ทำไมถึงถูกตัดทิ้งไปล่ะครับ?

The Phantom Thief

terminus's picture

น่าจะเพราะถ้าไม่มีอะไรปล่อยออกมาเลย หลุมดำต้องอยู่อย่างนั้นไปตลอด ซึ่งฮอว์คิงแสดงให้เห็นว่ามันไม่จริง หลุมดำจะมี Hawking radiation ประมาณนั้นมั้งครับ

hisoft's picture

ที่เป็นแบบนั้นเพราะว่า Hawking radiation นี่ได้รับความเชื่อมั่นว่าควรเป็นจริงมากกว่าใช่มั้ยครับ? เลยต้องล้มทฤษฎีเก่าไป

The Phantom Thief

ComSci-MFU's picture

จากเดิม หลุมดำ จะมีขอบ ที่ถ้าอะไรข้าไปแล้วจะกลับออกมาไม่ได้ และจะมีการระเหิดของหลุมดำไปเรื่อยๆ จนหลุมดำหายไป ซึ่งจะทำให้สิ่งที่ถูกดูดเข้าไป หายไปด้วย ซึ่งมันผิดกับที่บอกว่า สสารไม่มีวันหายไปไหน

ต่อมามีคนบอกว่าของที่ตกลงไปไม่ได้หายไปในแต่ถูกย่อยเป็นข้อมูลแล้วแปะอยู่กับผิวหลุมดำนั้น แต่ก็ยังอธิบายว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร

จนมีทฤษฎีกำแพงไฟที่ว่าข้ามขอบหลุมดำไปแล้ว มันจะไปไปกองกันเป็นกำแพงแล้วค่อยๆ ย่อยสลายกลายเป็นข้อมูลแล้วถูกพ้นออกมา แต่มันก็ขัดกับที่ว่า พอข้ามขอบไปแล้ว ทุกอย่างจะหยุดนิ่ง ไม่มีอะไรเกิดขึ้น เพราะกาลเวลาก็โดนดูดไป ไม่มีกระบวนการอะไรอีก

สุดท้ายสตีเฟน ก็เสนอว่า ถ้าอย่างนั้น ก็ไม่มีขอบซะ จะได้ไม่มีปัญหา(ขอบที่มีอญาเขตชัดเจนตายตัว) ตอนเกิดหลุมดำจะเป็นรูปแบบที่ไม่คงทีคาดเดาไม่ได้ ไม่มีรูปแบบตายตัว เปลี่ยนแปลงไปเรื่อยๆ ของที่ตกลงไปในขอบนั้นจะมีโอกาสรอดออกมาได้ เพราะขอบนั้นเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้ แต่ว่าของที่ตกไปจะโดนย่อยเป็นข้อมูล ที่ไม่เหมือนเดิม หรือพูดได้ว่าของที่ตกไปก่อนหน้านั้นหายไปแล้ว

พูดถึง "ข้อมูล" นั้นจะเรียกว่าสารตั้งต้นของทุกสิ่งก็ได้ ไม่ว่าอะไรพอถูกย่อยจนถึงขีดสุด ก็จะกลายเป็นแค่ข้อมูล (นึกถึงว่าในอวกาศมีเลข 0 กับ 1 ลอยเต็มไปหมดอ่ะครับ)

hisoft's picture

ผมหมายถึงก่อนปี 1975 ก่อนจะมีการพูดถึงเรื่องระเหิดน่ะครับ

The Phantom Thief