หลุมดำกับปริศนาควอนตัม ที่จะนำไปสู่การปฎิวัติมุมมองของเราเกี่ยวกับเวลาและอวกาศ

หลุมดำกับปริศนาควอนตัม ที่จะนำไปสู่การปฎิวัติมุมมองของเราเกี่ยวกับเวลาและอวกาศ

พูดคุยกับผศ. ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ผู้เชี่ยวชาญด้านทฤษฏีสตริง แรงโน้มถ่วงยิ่งยวด เรื่องการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่ในโลกของวิทยาศาสตร์ซึ่งจะนำไปสู่การปฎิวัติมุมมองของเราเกี่ยวกับเวลาและอวกาศได้

Gerard ’t Hooft เป็นใคร มาจากไหน แล้วทำไมถึงได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ครับ

Gerard ’t Hooft (นามสกุลอ่านว่า ทูฟ) เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวเนเธอร์แลนด์ ผลงานสำคัญที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ก็คือ การทำความเข้าใจ พฤติกรรมในระดับควอนตัมของทฤษฎีที่รวมเอาแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนเข้าด้วยกัน (หรือที่เรียกว่าทฤษฎีอิเล็กโตรวีค)

Gerard ’t Hooft
Gerard ’t Hooft

อาจจะต้องท้าวความนิดหนึ่งนะครับ คือปัจจุบันเราทราบว่าแรงพื้นฐานในธรรมชาติมีอยู่ด้วยกัน 4 แรง ได้แก่ แรงโน้มถ่วง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และ แรงนิวเคลียร์แบบเข้ม สองชนิดแรกคือแรงโน้มถ่วง และแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแรงที่เราคุ้นเคยกันดีในชีวิตประจำวัน สำหรับแรงนิวเคลียร์นั้นเราอาจจะได้ยินชื่อน้อยกว่า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนอธิบายการสลายตัวของธาตุกัมตรังสี และปฎิกริยานิวเคลียร์บนดวงอาทิตย์ ส่วนแรงนิวเคลียร์แบบเข้มอธิบายว่าทำไมอนุภาคต่าง ๆ ถึงรวมอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมได้

ในยุคปี 60 นักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จในการอธิบายแรงโน้มแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงนิวเคลียร์แบบอ่อนได้ภายใต้ทฤษฎีเดียวที่เรียกว่า ทฤษฎีอิเล็กโตรวีค (Electro-weak theory) แต่อย่างไรก็ตามในระดับควอนตัมฟิสิกส์ทฤษฎีนี้ยังมีปัญหาทางเทคนิคอยู่ นักฟิสิกส์กังวลกันว่าผลทางควอนตัมจะทำให้ทฤษฎีให้คำทำนายที่มีค่าเป็นอนันต์ ซึ่งไม่สมเหตสมผล จนกระทั่ง ’t Hooft กับอาจารย์ที่ปรึกษาของเขา Martinus Veltman ได้แสดงให้เห็นว่า ทฤษฎีอิเล็กโตรวีคไม่ได้ประสบปัญหาจากค่าที่เป็นอนันต์ดังที่กังวลกัน ซึ่งผลงานชิ้นนี้ยังเป็นวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาอีกด้วย

นอกจากผลงานทางด้านฟิสิกส์อนุภาคแล้ว ศาสตราจารย์ ’t Hooft ยังมีผลงานสำคัญอีกหลายด้าน เช่น ทางด้านทฤษฎีของหลุมดำ เป็นต้น

หลุมดำในหนังฮอลลีวูดมีหน้าตาเหมือนกับหลุมกลางอวกาศที่ดูดทุดอย่างเข้าไปและไม่มีอะไรออกมาได้เลย จริง ๆ แล้วหลุมดำมีหน้าตาแบบนี้รึเปล่าครับ

ภาพยนตร์ที่ทำรูปหลุมดำหรือภาพของหลุมดำได้ชัดเจนที่สุดก็คือ Interstellar เพราะว่าผู้ช่วยของ โนแลน คือ ศาสตราจารย์ Kip Thorne ท่านได้ใช้หลักการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในการสร้างภาพนั้นออกมา ในทางดาราศาสตร์หลุมดำอาจเกิดจากดาวฤกษ์ที่เผาผลาญเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดแล้ว ถ้ามวลของมันมีค่ามากพอมันจะสามารถยุบตัวเกิดเป็นหลุมดำข้นมา ในแง่นี้หลุมดำก็คือดาวฤกษ์ที่ตายแล้ว มันจึงควรมีลักษณะเป็นทรงกลมมากกว่าเป็นหลุม เพียงแต่แรงโน้มถ่วงมหาศาลรอบ ๆ ตัวมันทำให้ภาพที่เห็นดูบิดเบี้ยวไปเนื่องจากความโค้งของเวลาและอวกาศ ซึ่งในภาพยนตร์ Interstellar ได้สร้างภาพของหลุมดำออกมาได้อย่างสมบูรณ์

หลุมดำมีมวลอนันต์จริงมั้ยครับ แล้วเวลาเราหรือสสารอะไรก็ตามเข้าไปแล้วจะออกมาไม่ได้จริงรึเปล่า

คนส่วนใหญ่มักจะเข้าใจในประเด็นนี้ครับ คือจริง ๆ แล้วหลุมดำไม่ได้มีมวลเป็นอนันต์นะ หลุมดำส่วนใหญ่เกิดจากดาวฤกษ์ และดาวฤกษ์ก็มีมวลเป็นค่าจำกัดค่านึง ดังนั้นหลุมดำจึงมีมวลเป็นค่าจำกัดด้วยเช่นกัน ส่วนขอบเขตของหลุมดำนั้นโดยทั่วไปอาจจะกำหนดโดยสิ่งที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (หรือ Event horizon) ถ้าวัตถุใดก็ตาม เข้าใกล้หลุมดำมากกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ก็จะถูกดูดลงไปในนั้นและไม่มีทางหลุดออกมาได้อีก และขอบฟ้าเหตุการณ์หรือขอบเขตของหลุมดำนี้ก็ไม่ได้กว้างเป็นอนันต์ด้วยแต่ขึ้นกับมวลของหลุมดำ ดังนั้นหลุมดำไม่ได้น่ากลัวอย่างที่กังวลถ้าเราไม่เข้าใกล้มันมากเกินไป

ส่วนประเด็นที่ว่าทำไมสสารที่หลุดเข้าไปขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วถึงกลับออกมาไม่ได้ อันนี้เป็นผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งอายุครบร้อยปีไปเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไอน์สไตน์บอกเราว่าความโน้มถ่วงทำให้อวกาศและเวลาบิดงอได้ สำหรับอวกาศโค้งนี่อาจจะจินตนาการง่ายหน่อย ลองนึงถึงเอาลูกเหล็กไปวางไว้บนแผ่นผ้าใบที่ขึงตึง น้ำหนักของมวลทำให้แผ่นผ้าโค้ง อันนี้คล้ายกับการที่โลกทำให้อวกาศรอบ ๆ โลกบิดโค้ง วัตถุอื่นเช่น ดวงจันทร์ และดาวเทียม ต่างโคจรรอบโลกไปตามอวกาศที่บิดโค้งนั้น ในส่วนของเวลาการบิดโค้งของมันอาจจะจินตนาการยากหน่อย แต่เป็นสิ่งที่เราวัดได้และใช้กันอยู่ในเทคโนโลยีปัจจุบัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอนสไตน์ว่าเวลาเป็นสิ่งสัมพัทธ์ เช่น นาฬิกาของผู้สังเกตที่เคลื่อนที่จะเดินช้ากว่าผู้สังเกตที่อยู่นิ่ง ๆ แต่นอกจากการเคลื่อนที่แล้วเนี่ย ความโน้มถ่วงก็ทำให้เวลาเดินเร็วเดินช้าต่างกันด้วย ในที่ ๆ มีแรงโน้มถ่วงเข้มมากเวลาจะเดินช้าลง อันนี้เป็นสิ่งที่พิสูจน์ได้เช่นระบบจีพีเอส ดาวเทียมของระบบจีพีเอสต้องคำนึงถึงตรงนี้ ไม่งั้นระบบจีพีเอสก็จะใช้ไม่ได้

เนื่องจากภายในหลุมดำเนี่ย มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ทำให้กาล-อวกาศถูกบิดมากจนกระทั่งทิศทางของเวลามันชี้เข้าสู่จุดศูนย์กลาง คือทิศทางของเวลากลายเป็นทิศทางของอวกาศ โดยที่มีทิศทางชี้เข้าสู่จุดศูนย์กลางของหลุมดำ แน่นอนว่าวัตถุทุกชนิดเนี่ยมีทิศทางที่ชัดเจนในแกนของเวลา คือ ทิศทางพุ่งสู่อนาคต ประเด็นอยู่ที่ว่าเมื่อวัตถุใดก็ตามเคลื่อนที่เข้าใกล้หลุมดำเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ มิติเวลาของเขาจะถูกบิดให้ชี้เข้าสู่ใจกลางหลุมดำ นั่นหมายความว่าอนาคตของคุณเนี่ยไปหยุดอยู่ที่ใจกลางหลุมดำ ถ้าเวลาชี้ไปทิศนั้น คุณก็ต้องไปทางนั้น นั่นคือเหตุผลว่าทำไมถึงไม่มีอะไรหลุดออกจากหลุมดำได้ แต่อย่างไรก็ตามสิ่งที่พูดไปนี้มีข้อยกเว้นเพื่อนำเอาผลทางควอนตัมฟิสิกส์เข้ามาพิจารณา

งั้นคำถามต่อไปนะครับ ควอนตัมคืออะไร และเกี่ยวอะไรกับเหรียญควอนตัมที่เคยเป็นข่าวรึเปล่าครับ

ทฤษฎีควอนตัมคือทฤษฎีฟิสิกส์ที่อธิบายธรรมชาติในระดับสเกลเล็ก ๆ ยกตัวอย่างเช่นฟิสิกส์ของอะตอม ธรรมชาติของอะตอม ปัจจุบันฟิสิกส์ควอนตัมก็เข้ามาอยู่ในเทคโนโลยีต่าง ๆ มากมาย พวกอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ก็ต้องใช้ความรู้ทางฟิสิกส์ควอนตัม และในอนาคตก็จะมีบทบาทมากยิ่งขึ้น เราอาจจะมีควอนตัมคอมพิวเตอร์ใช้ แต่ไม่เกี่ยวกับเหรียญควอนตัม คุณอาจจะต้องไปสัมภาษณ์ อาจารย์เจษฎา ให้ไขข้อข้องใจเรื่องนั้นครับ 🙂

ในเมื่อการศึกษาทางควอนตัมเป็นการศึกษาในสเกลเล็ก ๆ แล้วควอนตัมเกี่ยวอะไรกับหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ ๆ ล่ะครับ

จริง ๆ ต้องย้อนกลับไปตอนต้นที่ว่าเราพูดถึงว่าปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในเอกภพเนี่ยถูกควบคุมโดยแรงธรรมชาติสี่แรง ทีนี้สามแรงที่พูดถึงเนี่ย คือแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน แบบเข้ม และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เราเข้าใจพฤติกรรมในระดับควอนตัมของมันพอสมควร คือมีทฤษฎีที่จะอธิบายได้ดีในระดับหนึ่ง นั่นคือทฤษฎีสนามควอนตัม แต่กับแรงโน้มถ่วงเนี่ยเรายังไม่เข้าใจธรรมชาติของมันในระดับสเกลเล็ก ๆ แน่นอนว่าเวลาเราพูดถึงแรงโน้มถ่วง เราก็มักจะนึกถึงอวกาศซึ่งเป็นระบบใหญ่ ๆ ปกติในระบบนั้นจะไม่ค่อยมีผลจากควอนตัม แต่มีหลาย ๆ ปรากฏการณ์ที่แรงโน้มถ่วงมีความเข้มข้นมาก ๆ ยกตัวอย่างเช่นจุดเริ่มต้นของเอกภพที่เอกภพมีขนาดเล็ก เราเชื่อว่าเอกภพหรือจักรวาลเกิดขึ้นมาเมื่อหนึ่งหมื่นห้าพันล้านปีที่แล้ว และก็ขยายตัวออก เกิดบิกแบงแล้วขยายตัวออก แต่ถ้าคุณมองย้อนกลับไปที่จุดกำเนิดของเอกภพ เอกภพก็จะมีขนาดเล็กมากเกือบเป็นจุดเลย ลองจินตนาการว่ามวลทั้งจักรวาลอัดแน่นกันอยู่ในปริมาตรเล็ก ๆ ความโน้มถ่วงจะมหาศาลขนาดไหน แน่นอนว่ามนุษย์ก็อยากจะรู้ว่าทุกสิ่งทุกอย่างเกิดขึ้นมาได้อย่างไร เราอยากทราบว่าเอกภพเกิดมาอย่างไรและจะวิวัฒนาการไปอย่างไร แต่การจะอธิบายตรงนั้นได้ เราก็ต้องเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงในระดับสเกลเล็ก ๆ ที่มีความเข้มมาก ๆ นั่นคือเราต้องการรู้ทฤษฎีควอนตัมของความโน้มถ่วง (Quantum gravity) นั่นคือจุดหนึ่งที่ทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะต้องมาบรรจบกัน

อีกขอบเขตหนึ่งที่เราสนใจความโน้มถ่วงในระดับควอนตัมก็คือที่หลุมดำ เมื่อกี้เราพูดว่าตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ วัตถุเมื่อผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้วมันจะหลุดเข้าไปได้อย่างเดียวไม่มีทางออกมา แต่จริง ๆ แล้วไม่ถูกตั้งซะทีเดียวนักเพราะถ้าเราคำนึงถึงกฎของฟิสิกส์ควอนตัมที่ดูในระดับสเกลเล็ก ๆ เนี่ย หลุมดำไม่ใช่วัตถุที่ดำอย่างเดียว แต่สามารถแผ่รังสีได้ ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบโดย Stephen Hawking เมื่อราว ๆ ยุค 70 ซึ่งเมื่อนำผลของทฤษฎีสนามควอนตัมเข้ามาวิเคราะห์ระบบของหลุมดำแล้วจะพบว่ามันแผ่รังสีได้ ซึ่งนำไปสู่ปัญหาอีกหลาย ๆ เรื่อง เพราะว่าการศึกษาโดย Hawking พบว่าพอเอาหลุมดำมาพิจารณาแล้วพบว่ามันมีความไม่สอดคล้องบางอย่างระหว่างหลุมดำกับกลศาสตร์ควอนตัม โดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัมกำหนดว่าข้อมูลทางควอนตัม (Quantum information) ไม่สามารถสูญหายได้ แต่ Hawking เชื่อว่าเมื่ออนุภาคหล่นเข้าไปในหลุมดำ ข้อมูลบางอย่างของมันจะหายไป แนวคิดนี้นำไปสู่สิ่งที่เรียกว่า information paradox  นักฟิสิกส์หลายคนไม่ชอบแนวคิดนี้เพราะว่ามั่นใจว่าทฤษฎีควอนตัมถูก ในแง่ที่ว่ามันสอดคล้องกับผลการทดลอง และข้อมูลไม่ควรจะหายไป ศาสตราจารย์ t’Hooft เป็นคนหนึ่งที่เชื่อว่าข้อมูลไม่ได้หายไปไหน โดย t’Hooft เสนอว่าอันที่จริงแล้วข้อมูลถูกซ่อนหรือเข้ารหัสอยู่ที่ผิวขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ

ความน่าสนใจอยู่ที่ว่าข้อมูลที่เข้ามาในอวกาศทั้งหมดเป็นข้อมูลในโลกสามมิติที่มีความกว้าง-ยาว-ลึก แต่พื้นผิวของหลุมดำมีลักษณะเป็นสองมิติ มันน่ามหัศจรรย์ที่ข้อมูลในโลกสามมิติสามารถถึงจัดเก็บและอธิบายได้โดยใช้ข้อมูลที่อยู่ในโลกที่มีมิติน้อยกว่า ซึ่งเป็นไอเดียที่เรียกว่า Holography  คล้ายกับการที่ข้อมูลที่บนผิวโฮโลแกรมสองมิติสามารถฉายออกมาเป็นภาพสามมิติได้

Quantum black hole คืออะไรครับ มันต่างกับหลุมดำธรรมดาอย่างไร และมันเล็กขนาดไหนครับ

ในทางทฤษฎีก็มีนักฟิสิกส์คนเชื่อว่าถ้าเร่งอนุภาคถึงจุดนึงแล้ว มันจะมีพลังงานมันสูงพอมันก็อาจจะกลายเป็นหลุมดำ หลุมดำเหล่านี้มีขนาดเล็ก ๆ ระดับจุลภาค และมีการสลายตัวผ่านกระบวนการ Hawking radiation ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าสนใจเพราะว่าหลุมดำจิ๋วพวกเนี้ยมันก็มีผลทางควอนตัมเข้ามา ทำให้เราสามารถเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัมและ quantum gravity ซึ่งก็คือธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงได้มากขึ้นจากเดิมที่เราไม่ค่อยเข้าใจ

ตอนนี้เรามีความเข้าใจในหลุมดำธรรมดา ๆ ที่อยู่ในอวกาศมากน้อยแค่ไหนครับ

คือเรารู้ว่าหลุมดำมีอยู่จริง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลุมดำขนาดใหญ่ เพราะว่าเรามีผลการสังเกตทางดาราศาสตร์ และเมื่อเร็ว ๆ นี้ก็มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่ได้จากการชนกันหลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบ นอกจากนั้นเรายังตรวจพบว่าที่ใจกลางกาแลกซีทุกกาแลกซีส่วนมากก็จะมีหลุมดำอยู่ แม้แต่ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา และพวกมันไม่ใช่หลุมดำธรรมดานะ แต่คือ super massive black holes เป็นหลุมดำที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์เป็นล้านหรือพันล้านเท่า

แต่หลุมดำขนาดเล็ก พวก quantum black hole พวกนี้ยังไม่มีหลักฐานว่าพวกมันมีอยู่จริง ทั้งหมดยังเป็นเพียงทฤษฎี

คำถามสุดท้ายนะครับ มีข่าวว่ามีนักฟิสิกส์ที่พยายามอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงแท้จริงแล้วเป็นความไม่แน่นอนทางอุณหพลศาสตร์ อาจารย์คิดเห็นว่ายังไงครับ

https://qz.com/876531/a-theory-that-challenges-newtons-and-einsteins-gravity-and-nixes-dark-matter-passed-its-first-test/

คงหมายถึงทฤษฎีของศาสตราจารย์ Erik Verlinde ในเรื่อง Entropic gravity ที่เสนอว่า แรงโน้มถ่วงอาจไม่ใช่แรงพื้นฐานในธรรมชาติ แต่เป็นมายาคติที่เกิดขึ้นจากข้อมูลตำแหน่งของวัตถุต่าง ๆ ในเอกภพ ซึ่งจะว่าไปแนวคิดนี้ส่วนหนึ่งต่อยอดมาจากแนวคิด Holography ของ ’t Hooft ที่กล่าวถึงไปก่อนหน้านี้ ความเห็นส่วนตัวคือ ผมคิดว่าเป็นแนวคิดที่น่าสนใจ แต่ยังอยู่ในขั้นที่ต้องได้รับการตรวจสอบอีกมาก และส่วนหนึ่งตัวทฤษฎียังไม่ได้ให้คำทำนายที่แตกต่างจากทฤษฎีอื่นที่มีอยู่แล้ว การจะเป็นทฤษฎีพื้นฐานใหม่นั้น ต้องสามารถทำนายปรากฏการณ์ใหม่ที่แตกต่างจากทฤษฎี

ขอขอบคุณผศ. ดร. อรรถกฤต ฉัตรภูติ ไว้ ณ ที่นี้ครับ

15942146_1306810966007161_266249377_n

เขียนโดย

Vichayanun Wachirapusitanand