กรณี รังสีฮอว์คิง จากการศึกษาทฤษฎีหลายทฤษฎีเกี่ยวกับจักรวาลของนักฟิสิกส์ชื่อดัง สตีเฟน ฮอว์คิง เหล่านักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ต่างก็ให้ความสนใจกับการศึกษา รังสีฮอว์คิง เพราะเชื่อว่ารังสีชนิดนี้ทำให้หลุมดำค่อยๆ ระเหยจนหมดสิ้นไปในวันหนึ่ง
รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation) เป็นการแผ่รังสีของวัตถุดำ (balck body) ที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำ อันเนื่องจากกรากฎการณ์ทางควอนตัม ณ บริเวณใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์
ชื่อของรังสีฮอว์คิง ตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ สตีเฟน ฮอว์คิง นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ผู้ให้เหตุผลเชิงทฤษฎีไว้เมื่อปี 1974 ว่า รังสีชนิดนี้มีอยู่จริง เป็นช่วงเวลาหลังจากที่จาคอบ เบเกนสไตน์ ได้เสนอสมมติฐานไว้ว่า หลุมดำควรมีอุณหภูมิและเอนโทรปีจำกัดมากกว่าศูนย์
โดยปกติแล้วหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงมหาศาลหากวัตถุ หรือพลังงานใดผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไปแล้วย่อมไม่สามารถเร่งออกมาจากหลุมดำได้ แม้แต่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือแสงก็ตาม ดังนั้น หลุมดำจึงน่าจะมีขนาดใหญ่ขึ้นมีมวลมากขึ้น
อย่างไรก็ตาม จากการค้นพบรังสีฮอว์คิง ทำให้หลุมดำมีมวลและพลังงานลดลงได้ เพราะหากหลุมดำสูญเสียพลังงานจากการปล่อยรังสีฮอว์คิงมากกว่าได้รับจากการดูดมวลและพลังงานต่าง ๆ เข้าไปเป็นเวลานานมากพอ ก็จะทำให้หลุมดำมีขนาดเล็กลงและหายไปในที่สุด เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การระเหยของหลุมดำ ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็ก เช่น หลุมดำจิ๋ว จะแผ่รังสีมากกว่าและระเหยหายไปเร็วกว่าหลุมดำที่มีขนาดใหญ่
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับการตั้งสมมติฐานของการมีอยู่ของหลุมดำ
หลุมดำ (black hole) หมายถึงเทหวัตถุในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมาก ไม่มีสรรพสิ่งใดเคลื่อนออกจากบริเวณนี้ได้ ยกเว้นหลุมดำด้วยกัน ที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์จึงมองไม่เห็นใจกลางของหลุมดำ
หลุมดำมีพื้นที่เป็นขอบเขตของตัวเองเรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ ถ้าหากวัตถุหลุดเข้าไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุจะต้องเร่งความเร็วให้มากกว่าความเร็วแสงจึงจะหลุดออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ แต่ในความเป็นจริง ยังไม่มีวัตถุใดที่มีความเร็วมากกว่าแสง ดังนั้น จึงถูกแรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำกลืนเข้าไป
ในปี 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of general relativity) หนึ่งในการคาดการณ์จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ลึกลับและน่าประหลาดใจที่สุด คือการมีอยู่ของหลุมดำ ไอน์สไตน์ทำนายว่าเมื่อดาวฤกษ์มวลมากพังทลายลงเมื่อสิ้นอายุขัย มันจะทิ้งแกนเล็กๆ ที่เหลืออยู่แต่มีความหนาแน่นมาก
ถ้ามวลของแกนกลางมากกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จากสมการสนามว่าด้วยกฎแห่งความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่า ความโน้มถ่วงจะเอาชนะแรงอื่นๆ ทั้งหมด และบีบอัดแกนกลางจนกว่าจะมีปริมาตรเพียงเล็กน้อยและก่อให้เกิดหลุมดำ
หลังจากการประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ไม่นาน คาร์ล ชวาร์ซชิลด์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ค้นพบวิธีแก้สมการสนามของไอน์สไตน์เป็นครั้งแรก โดยชวาร์ซชิลด์พบว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ ดูเหมือนจะอนุญาตให้มีพื้นที่พิเศษบางแห่งในกาลอวกาศที่ความโน้มถ่วงมีค่าสูงมาก ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon)” ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีสิ่งใดสามารถย้อนกลับมาได้ไม่ว่าแสงหรือวัตถุใดๆ
จนถึงปัจจุบัน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลุมดำในจักรวาลแล้วอย่างน้อย 6 แห่ง แบ่งได้เป็น 4 ประเภท คือ
1. หลุมดำมวลยวดยิ่ง เป็นหลุมดำในใจกลางของดาราจักร
2. หลุมดำขนาดกลาง
3. หลุมดำจากดาวฤกษ์ ซึ่งเกิดจากการแตกดับของดาวฤกษ์
4. หลุมดำจิ๋วหรือหลุมดำเชิงควอนตัม ซึ่งเกิดขึ้นในยุคเริ่มแรกของเอกภพ
ทุกวันนี้ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนไหนมองเห็นรูปร่างที่แท้จริงของหลุมดำ คล้ายกับว่าเรามองไม่เห็นสายลม แต่รับรู้ถึงการมีอยู่ ดังนั้น การศึกษาตลอดช่วงเวลาที่ผ่านมา เป็นการศึกษาผ่านการแสดงตัวตนของหลุมดำที่มีผลกระทบกับวัตถุที่อยู่ในวงโคจรภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์
ตัวอย่างเช่น หลุมดำอาจจะถูกสังเกตเห็นได้โดยการติดตามกลุ่มดาวที่โคจรอยู่ภายในศูนย์กลางหลุมดำ หรืออาจมีการสังเกตก๊าซ (จากดาวข้างเคียง) ที่ถูกดึงดูดเข้าสู่หลุมดำ ก๊าซจะม้วนตัวเข้าสู่ภายใน และจะร้อนขึ้นถึงอุณหภูมิสูง ๆ และปลดปล่อยรังสีขนาดใหญ่ที่สามารถตรวจจับได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่โคจรอยู่รอบโลก
ดังนั้น การสำรวจให้ผลในทางวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริงในเอกภพ ตามความเข้าใจล่าสุด หลุมดำถูกอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งทำนายว่าเมื่อมีมวลขนาดใหญ่มากในพื้นที่ขนาดเล็ก เส้นทางในพื้นที่ว่างนั้นจะถูกทำให้บิดเบี้ยวไปจนถึงศูนย์กลางของปริมาตร เพื่อไม่ให้วัตถุหรือรังสีใดๆ สามารถออกมาได้
ขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่า หลุมดำเป็นพื้นที่ว่างที่มีความเป็นภาวะเอกฐานที่จุดศูนย์กลางและที่ขอบฟ้าเหตุการณ์บริเวณขอบ คำอธิบายนี้เปลี่ยนไปเมื่อนักฟิสิกส์ค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม การค้นคว้าในหัวข้อนี้แสดงให้เห็นว่านอกจากหลุมดำจะดึงวัตถุไว้ตลอดกาล แล้วยังมีการค่อย ๆ ปลดปล่อยพลังงานภายใน เรียกว่ารังสีฮอว์คิง และอาจสิ้นสุดลงในที่สุด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับหลุมดำที่ถูกต้องตามทฤษฎีควอนตัม
เมื่อทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปผสานรวมกับกลศาสตร์ควอนตัม
เพื่ออธิบายวิธีการทำงานของธรรมชาติ การศึกษาเกี่ยวกับฟิสิกส์ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ให้ความสนใจศึกษาสองทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และกลศาสตร์ควอนตัม โดยความขัดแย้งระหว่างทั้งสองซีกของฟิสิกส์เกิดขึ้นมานานกว่าหนึ่งศตวรรษ
ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำเป็นพื้นที่ที่มีค่าสนามความโน้มถ่วงสูง สามารถดึงดูดสสารโดยรอบเข้าไปได้ และสสารเหล่านั้นไม่สามารถหลุดพ้นแรงดึงดูดของหลุมดำได้ ดังนั้นหลุมดำจึงควรมีสีดำสนิท และมีการสะสมมวลจนมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ
ในทางกลับกัน เมื่อพิจารณาหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก (Heisenberg’s Uncertainty Principle) ซึ่งเป็นทฤษฎีพื้นฐานในกลศาสตร์ควอนตัม จะพบความไม่แน่นอนในตำแหน่งของอนุภาค และความไม่แน่นอนในโมเมนตัมหรือความเร็ว จึงเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตเห็นอนุภาคที่เคลื่อนที่เร็วกว่าแสง หลักการนี้จึงอนุญาตให้อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความรวดเร็วยิ่งยวดหนีออกจากหลุมดำได้
จนกระทั่งในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง ได้ปฏิวัติทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำ โดยค้นพบว่า เมื่อนำกฎควอนตัมที่ควบคุมฟิสิกส์ของอะตอมและอนุภาคมูลฐานไปใช้กับหลุมดำ สมการคณิตศาสตร์ของเขาแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าประหลาดใจ
นั่นคือ ที่จริงแล้วหลุมดำไม่ใช่ สีดำอย่างสมบูรณ์ มีบางสิ่งสามารถหลบหนีออกจากหลุมดำได้ เนื่องจากปรากฏการณ์ทางควอนตัมเป็นแบบสุ่ม (random) จึงไม่สามารถระบุได้อย่างมั่นใจว่า อนุภาคชนิดใดจะหลบหนีออกมาได้ หรือในเวลาใดที่จะเกิดเหตุการณ์เช่นนั้น
ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นคือ เมื่อเวลาผ่านไปจะเกิดการไหลของอนุภาคและพลังงานจากหลุมดำอย่างต่อเนื่อง ซึ่งถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีความร้อนเช่นเดียวกับวัตถุดำที่แผ่ความร้อนออกไปสู่สิ่งแวดล้อม
รังสีนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า “รังสีฮอว์คิง” ซึ่งเป็นผลให้หลุมดำเรืองแสงได้เล็กน้อย พลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสีฮอว์คิงจะทำให้หลุมดำมีมวลลดลงอย่างช้าๆ และระเหยไปในที่สุด ทฤษฎีนี้จึงเป็นหนึ่งในการเชื่อมโยงที่ลึกซึ้งที่สุดที่เคยเกิดขึ้นระหว่างโลกของฟิสิกส์ควอนตัมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์
การแผ่รังสีฮอว์คิงมีอิทธิพลอย่างมากต่อการแสวงหาฟิสิกส์สมัยใหม่ ซึ่งเป็นทฤษฎีของทุกสิ่ง (Theory of Everything) ที่สามารถรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัม หากทฤษฎีของฮอว์คิงถูกต้อง อาจเป็นหนทางนำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับการศึกษาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้อย่างลึกซึ้งมากขึ้น
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงตั้งคำถามเกี่ยวกับการมีอยู่ของสรรพสิ่งว่า “หรือจุดจบของเอกภพ คือการระเหยหายไปจนหมดสิ้นของทุกสรรพสิ่ง”
สืบค้นและเรียบเรียง ณภัทรดนัย
ข้อมูลอ้างอิง
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/hawking-radiation
https://www.nature.com/articles/s41567-020-01076-0
https://www.sciencefocus.com/space/what-is-hawking-radiation/
https://www.britannica.com/science/Hawking-radiation
https://www.sciencealert.com/hawking-radiation
อ่านเพิ่มเติม ซาก เรือไททานิค แท้จริงแล้วถูกพบระหว่าง “ภารกิจลับ” ของกองทัพเรือสหรัฐฯ
