ปัญหาที่ยุ่งเหยิงภายใน “หลุมดำ”

ขณะที่คนทั่วไปอาจจะพอรู้จักหลุมดำในแง่ว่าเป็นวัตถุขนาดยักษ์ที่ดูดกลืนทุกสิ่งทุกอย่าง แต่ธรรมชาติที่แท้จริงของ “หลุมดำ” เป็นอย่างไรนั้นยังเป็นที่ถกเถียงกันในแวดวงวิทยาศาสตร์และยังคงศึกษาเพื่อเข้าใจในธรรมชาติอันยากจะเข้าใจของวัตถุลึกลับในเอกภพนี้

งานวิจัยล่าสุดโดย สตีเฟน ฮอว์กิง (Stephen Hawking) นักฟิสิกส์ทฤษฎีและนักจักรวาลวิทยา จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (University of Cambridge) อังกฤษ ได้เขย่าวงการจักรวาลวิทยาอีกครั้ง เมื่อเขาปรับเปลี่ยนมุมมองเกี่ยวกับจุดคงที่ของหลุมดำ (black hole) ที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (event horizon) ซึ่งเป็นจุดที่แม้แต่แสงก็ไม่อาจหนีออกมาได้ ว่าอาจไม่ใช่สิ่งที่ถูกต้อง และเสนอ “ขอบฟ้าปรากฏ”  (apparent horizon) ที่มีอยู่ชั่วคราวในหลุมดำขึ้นมาแทน  

ไบรอัน โกเบอร์ไลน์ (Brian Koberlein) นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และศาสตราจารย์ฟิสิกส์ประจำสถาบันเทคโนโลยีโรเชสเตอร์ (Rochester Institute of Technology) อธิบายผ่านบทความในยูนิเวอร์สทูเดย์ว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นลักษณะสำคัญของหลุมดำ เป็นตำแหน่งที่หากมีสิ่งใดผ่านเข้าไปจะไม่อาจหวนกลับออกมาได้

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นตำแหน่งที่กาล-อวกาศบิดเบี้ยวผิดรูป เนื่องจากแรงโน้มถ่วงจนเราไม่อาจหนีออกมาได้ และธรรมชาติของขอบฟ้าเหตุการณ์ที่เข้าไปแล้วออกไม่ได้นี้ได้ท้าทายความเข้าใจเกี่ยวกับฟิสิกส์ของแรงโน้มถ่วง เพราะดูเหมือนขอบฟ้าเหตุการณ์จะละเมิดกฎอุณหพลศาสตร์ (thermodynamics)  

ตัวอย่างที่โกเบอร์ไลน์ยกมาคือหนึ่งในกฎของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าไม่มีสิ่งใดที่จะมีอุณหภูมิเป็นศูนย์องศาสัมบูรณ์ (absolute zero) เพราะแม้แต่ของที่เย็นจัดก็ยังแผ่ความร้อนออกมาบ้าง แต่ถ้าหลุมดำกักแสงเอาไว้ทั้งหมด นั่นหมายคามว่าหลุมดำก็จะไม่ปลดปล่อยความร้อนใดๆ ออกมา ดังนั้น หลุมดำจะมีอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ ตามกฎอุณหพลศาสตร์

เจอเรนท์ ลูอิส (Geraint Lewis) ผู้เชี่ยวชาญจากมหาวิทยาลัยซิดนีย์ (University of Sydney) ออสเตรเลีย ได้เขียนบทความลงในสเปซด็อทคอม ชี้ถึงที่มาของปัญหาความขัดแย้งระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับกลศาสตร์ควอนตัมที่นำมาสู่ผลงานใหม่ของฮอว์กิง โดยเริ่มปูพื้นจากกำเนิดของหลุมดำที่คาร์ล ชวาร์ซไชลด์ (Karl Schwarzschild) นักฟิสิกส์เยอรมันนำสมการจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มาอธิบายถึงการมีหลุมดำ

สมการจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ไอน์สไตน์นำเสนอเมื่อปี 1915 ได้ปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง ซึ่งระหว่างที่เขาติดอยู่กับสมการของตัวเองนั้น ชวาร์ซไชลด์ก็นำสมการดังกล่าวมาอธิบายถึงสนามโน้มถ่วงที่กระจายอยู่รอบมวลเป็นทรงกลมรอบๆ และได้ข้อสรุปที่นำไปสู่การทำนายว่า มวลของวัตถุดังกล่าวจะยุบตัวลงมาปะทะกันตรงศูนย์กลางที่เรียกว่า “ซิงกูลาริตี” (singularity) ซึ่งมีสนามโน้มถ่วงอยู่รอบๆ และแม้แต่แสงก็ไม่อาจเล็ดลอดออกมาได้

ขณะที่เราทราบว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นอธิบายถึงแรงของความโน้มถ่วง แต่ลูอิสก็อธิบายต่อว่าในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นั้นก็มีการปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงพื้นฐานอื่นๆ ด้วย ซึ่งกลศาสตร์ควอนตัมสามารถให้รายละเอียดเกี่ยวกับแรงพื้นฐานอื่นๆ ได้อย่างงดงาม ทว่าปัญหาคือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมกลับไปด้วยกันได้ไม่สวยนัก โดยกลศาสตร์ควอนตัมไม่สามารถอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงได้ ขณะที่สัมพัทธภาพทั่วไปก็อธิบายถึงแรงโร้มถ่วงได้เพียงอย่างเดียว  

“เมื่อพูดถึงทฤษฎีทั้งสองในสถานการณ์ที่มีแรงโน้มถ่วง และก็ไม่อาจเมินเฉยต่อกลศาสตร์ควอนตัมได้ สิ่งที่เราทำได้ดีที่สุดคือแปะสมการทั้งสองเข้าด้วยกัน จนกว่าเราจะมีทฤษฎีสรรพสิ่ง (unified theory) ที่รวมแรงโน้มถ่วงและแรงพื้นฐานอื่นๆ เข้าเป็นสมการเดียวกันได้ นั่นคือสุดความสามารถที่เราทำได้” ลูอิสชี้ถึงปัญหาที่นักฟิสิกส์ทฤษฎีกำลังเผชิญ และบอกว่าฮอว์กิงเป็นตัวอย่างหนึ่งของผู้พยายามแก้ปัญหาดังกล่าว

ในช่วงต้นทศวรรษ 1970 ฮอว์กิงได้พยายามแก้ปัญหาดังกล่าว โดยเขาสงสัยว่าเกิดอะไรขึ้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ในแง่ของกลศาสตร์ควอนตัม จุดที่มวลของอนุภาคที่กำลังครุ่กรุ่นผลุบเข้าและผลุบออก โดยที่ขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเกิดกระบวนการแยกอนุภาคที่ส่วนหนึ่งถูกดึงเข้าสู่ซิงกูลาริตี และส่วนหนึ่งหนีออกไปได้ ซึ่งฮอว์กิงได้แสดงให้เห็นว่า หลุมดำมีการแผ่รังสีสู่อวกาศ และดูดกลืนพลังงานจากแกนความโน้มถ่วงอย่างช้าๆ ซึ่งทำให้มีเวลาพอที่หลุมดำจะแผ่รังสีได้ และนั่นก็เป็นจุดจบของหลุมดำแบบดั่งเดิมตามคำอธิบายของลูอิส

ทว่าเมื่อรวมทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมเข้าไปในการศึกษาเรื่องแรงโน้ม ลูอิสระบุว่าเราเจอปัญหาที่ใหญ่กว่านั่นคือปัญหาเรื่อง “ข้อมูล” (information) โดยตามทฤษฎีกลศาสตร์คอวนตัมนั้นจะให้ความสำคัญต่อข้อมูลอย่างมาก โดยใส่ใจต่อรายละเอียดของสิ่งที่ประกอบขึ้นเป็นวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำ ซึ่งหากยกตัวอย่างเป็นกาน้ำชา ตามทฤษฎีนี้ก็สนใจว่ากาน้ำชานั้นมีโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่าไร อยู่ตำแหน่งไหน การจัดเรียงขององค์ประกอบเหล่านั้นเป็นอย่างไร ซึ่งเป็นสิ่งที่บ่งบอกว่า ากาน้ำชานั้นต่างจากวัตถุอื่นๆ

“เมื่อโยนกาน้ำชาเข้าไปในหลุมดำ มันจำถูกทำลายอย่างสิ้นเชิง โดยเริ่มจากแตกละเอียดเป็นชิ้นๆ จากนั้นจะแตกสลายเป็นอะตอม และถูกแยกจากกันก่อนจะถูกดูดกลืนสู่ซิงกาลาริตี แต่การแผ่รังสีของฮอว์กิงนั้นพยากรณ์ถึงการแผ่รังสีของหลุมดำ โดยที่ไม่ให้ข้อมูลว่าวัตถุอะไรที่ตกลงไป และไม่ว่าจะพิจารณาการแผ่รังสีดีแค่ไหนก็ไม่อาจระบุได้ว่านั่นคือกาน้ำชา ตู้เย็น หรือ กิ้งก่าอีกัวนา” ลูอิสระบุปัญหา

การตัดข้อมูลออกจากการศึกษาตามทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมจึงถือเป็นเรื่องใหญ่ และในช่วงไม่กี่ปีมานี้นักวิจัยหลายคนพยายามที่จะหาว่าบางที่อาจจะมีร่องรอยของข้อมูลที่หลุมดำดูดกลืนลงไป ซึ่งปัญหาของฟิสิกส์ยุคใหม่ที่เราเผชิญอยู่คือยังไม่มีกรอบทางคณิตศาสตร์ที่ทั้งกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วงทำงานไปด้วยกันได้  

ลูอิสระบุว่า ในปี 2012 โจเซฟ พอลชินสกี (Joseph Polchinski) นักฟิสิกส์สหรัฐฯ ได้ศึกษาการแผ่รังสีฮอว์กิง (Hawking radiation) ที่บริเวณใกล้ๆ ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ โดยเฝ้าดูนุภาคคู่ถูกแยกด้วยสุญญากาศควอนตัม โดยอนุภาคส่วนหนึ่งถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ และอีกส่วนหนึ่งหนีออกสู่อวกาศได้อย่างอิสระ และใช้เคล็ดทางคณิตศาสตร์ตั้งคำถามว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่ข้อมูลของอนุภาคที่ถูกดูดกลืนเข้าไปในหลุมดำนั้นไม่ได้หายไป แต่ถูกประทับลงบนอนุภาคที่หนีออกมาได้

ตามการเปรียบเทียบของลูอิสเมื่อโยนกิ้งก่าอีกัวนาลงหลุมดำ อีกัวนาจะผ่ากำแพงไฟที่เรียกว่า “ไฟร์วอลล์” (firewall) ซึ่งทำให้กิ้งก่าไหม้เกรียม แต่อย่างน้อยข้อมูลไม่ได้หายไปด้วย ซึ่งกิ้งก่าจะรู้ตัวว่าผ่านสู่กำแพงดังกล่าวหรือขอบฟ้าเหตุการณ์จากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นสิ่งที่ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ผู้สังเกตจะผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์โดยไม่รับรู้ถึงการมีอยู่ของกำแพงดังกล่าว

งานวิจัยล่าสุดของฮอว์กิงแก้ปัญหาดังกล่าวด้วยการกวนทฤษฏีกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยมวลที่กำลังเดือดอยู่ในสุญญากาศของหลุมดำนั้นก็คือข้อมูลของวัตถุที่ใหม้เกรียม และยังเสนอว่าหลุมดำมีขอบฟ้าเหตุการณ์ที่คงอยู่ชั่วคราวที่เรียกว่า “ขอบฟ้าปรากฏ” (apparent horizon) แทนขอบฟ้าเหตุการณ์ที่มีตำแหน่งคงที่ โดยขอบฟ้าปรากฏจะทำน้าที่ในการดักสสารและแผ่รังสีอยู่ภายในหลุมดำ แต่การดักดังกล่าวก็เกิดขึ้นเพียงชั่วคราว และท้ายสุดสสารและการแผ่รังสีจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับข้อมูล  

“สิ่งที่ฮอว์กิงกำลังบอกคือด้วยการรวมกลศาสตร์ควอนตัมเข้าไป แนวคิดเกี่ยวกับหลุมดำที่ควบคุมโดยสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเพียงอย่างเดียวหรือหลุมดำแบบดั้งเดิมนั้น ไมีมีอยู่ และขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งเป็นขอบเขตระหว่างการหนีและไม่อาจหนีนั้นก็มีความซับซ้อนมากกว่าที่เราเคยเข้าใจ แต่เราก็ระแคะระคายในเรื่องมานานกว่า 40 ปี นับแต่เขาเริ่มแก้ปัญหานี้ตั้งแต่ยุคแรกๆ” ลูอิสสรุปถึงผลงานวิจัยใหม่ของฮอว์กิง

อย่างไรก็ดี ท้ายสุดลูอิสระบุว่า แม้ว่าฮอว์กิงจะเป็นอัจฉริยะแห่งยุค แต่วิทยาศาสตร์ก็ต่างจากศาสนา ตรงที่นักวิทยาศาสตร์ไม่ต้องเชื่อในสิ่งที่ยักษ์ใหญ่ของวงการบอก และนักวิทยาศาสตร์ยังต้องถกเถียงถึงปัญหาในเรื่องนี้ต่อไป