หลุมดำ (Black Hole) เป็นวัตถุแปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล มันเป็นสิ่งสุดขั้วที่แม้แต่วิทยาศาสตร์ปัจจุบันยังไม่สามารถอธิบายได้อย่างทะลุปรุโปร่ง
แม้ว่ามนุษยชาติจะรู้จักมันมานับร้อยปีแล้ว ทว่ามันก็ยังทำให้ฟิสิกส์ของทุกวันนี้สับสนวุ่นวาย ในหลายความพยายามที่จะเข้าใจมัน นักวิทยาศาสตร์บางคนได้เสนอแนวคิดที่ต่างออกไป
หลายคนกล่าวว่า “เราทั้งหมดอาศัยอยู่หลุมดำ” หรือพูดอีกอย่าง ตั้งแต่สสารไปจนถึงดาวฤกษ์ดวงใหญ่ กาแล็กซี และจักรวาลที่มองเห็นได้ทั้งหมดตอนนี้ อยู่ในหลุมดำ
ขณะที่อีกหลายคนก็อ้างว่าจักรวาลของเราคือโฮโลแกรม ซึ่งบอกว่าสิ่งที่เราเห็นและรับรู้ทั้งหมดนั้นแท้จริงแล้ว ถูกเข้ารหัสให้อยู่ภายในของจักรวาลของเราเอง โดยความรู้สึกที่ว่าจักรวาลของเราเป็นแบบ 3 มิตินั้นเกิดจากการแสดงผลแบบ 2 มิติบวกเวลา
แต่ที่สำคัญก็คือ หลุมดำนั้นเป็นวัตถุที่ดูดทุกอย่างเข้าไป นักวิทยาศาสตร์บางคนจึงเชื่อว่าสสารทุกอย่างเข้าไปในนั้นจะถูกย่อยสลายกลายเป็นข้อมูลในรูปแบบหนึ่งที่เรียบง่ายที่สุด นั่นทำให้ผู้เชี่ยวชาญหลายคนเชื่อต่อไปว่าอาจมีความเป็นไปได้ที่ ข้อมูลเหล่านั้นจะก่อร่างสร้างตัวใหม่เป็น ‘บางอย่าง’ อยู่ข้างใน
“ในทฤษฏีสัมพัทธภาพคลาสสิคทั่วไป หลุมดำป้องกันอนุภาคหรือรูปแบบของรังสีใด ๆ ไม่ให้หลุดออกจากคุกของจักรวาลของมัน” ฌอง-ปิแอร์ ลูมิเนต์ (Jean-Pierre Luminet) นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสกล่าว
“สำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอก เมื่อวัตถุข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ไป ความรู้ทั้งหมดเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุนั้นจะหายไป มีเพียงค่าใหม่ของ มวล (M), โมเมนตัมเชิงมุม (J) และประจุไฟฟ้า (Q) เท่านั้นที่ยังคงอยู่ ผลที่ตามก็คือหลุมดำกลืนกินข้อมูลจำนวนมหาศาล”
นั่นหมายความว่าหลุมกำลังทำตัวเหมือน ‘คลังเก็บข้อมูล’ ของทุกสิ่งที่มันกลืนกิน ดังนั้นหากเราเข้าไปแล้วแงะเอาข้อมูลดังกล่าวออกมา เราก็จะสามารถ ‘สร้าง’ สิ่งที่ข้อมูลนั้นเคยเป็นได้ ฟังดูน่าทึ่ง แต่หลุมดำเองในบางด้านมันก็ทำตัวตามฟิสิกส์ง่าย ๆ อยู่ นั่นคือทำตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ตามที่ สตีเฟน ฮอว์คิง ได้พิสูจน์ไว้ ซึ่งเรียกกันว่า ‘รังสีฮอว์คิง’ ก่อตัวที่ขอบเขตของหลุมดำ
“ฮอว์คิงชี้ไปที่ความขัดแย้ง หากหลุมดำสามารถระเหยออกไปได้ ข้อมูลบางส่วนในนั้นก็จะสูญหายไปตลอดกาล” ลูมิเนต กล่าวต่อ “ข้อมูลที่อยู่ในการแผ่รังสีความร้อนที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำจะถูกลดระดับลง โดยไม่มีข้อมูลสรุปเกี่ยวกับสสารที่ถูกหลุมดำกลืนเข้าไปก่อนหน้านี้”
แต่มันก็เกิดปัญหาตามมาด้วยเช่นกัน เนื่อจากทฤษฏีควอนตัมในปัจจุบันบอกเอาไว้ว่าจะไม่มีสิ่งใดหายไป ตามสมการของชโรดิงเจอร์แล้ว ระบบทางกายภาพที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ไม่สามารถสร้างหรือทำลายข้อมูลได้ ความขัดแย้งทั้งหมดจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องกุมขมับมานานหลายสิบปี และเกิดการถกเถียงมากมาย
แต่กลับกลายเป็นว่าวิธีที่แก้ปัญหาได้ดีที่สุดก็คือ ‘เราอยู่ในหลุมดำ’ ตามที่กล่าวไปในข้างต้น บางคนเชื่อว่ามันเป็นสิ่งที่ทำให้ทุกอย่างลงตัว เจอราร์ด ฮูฟต์ (Gerard ’t Hooft) ได้ใช้ทฤษฏีสตริงเข้ามาช่วยเหลือ เขาชี้ว่าระดับความอิสระทั้งหมดสามารถอยู่ภายในหลุมดำได้ โดยใช้พื้นที่ผิวของขอบฟ้าเป็นตัวกำหนดขอบเขตของมัน แทนที่จะเป็นปริมาตรของหลุมดำ
“จากมุมมองของข้อมูล แต่ละบิตที่อยู่ในรูปของ 0 หรือ 1 สอดคล้องกับพื้นที่พลังค์สี่จุด ซึ่งช่วยให้สามารถค้นหาสูตรเบเกนสไตน์-ฮอว์คิงสำหรับเอนโทรปีได้” ลูมิเน็ตกล่าว “สำหรับผู้สังเกตการณ์ภายนอก ข้อมูลเกี่ยวกับเอนโทรปีของหลุมดำซึ่งครั้งหนึ่งเกิดจากโครงสร้างสามมิติของวัตถุที่ข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ดูเหมือนจะหายไป
แต่ในมุมมองนี้ ข้อมูลจะถูกเข้ารหัสในสองมิติ พื้นผิวของหลุมดำเหมือนกับโฮโลแกรม ดังนั้น ‘ฮูฟต์จึงสรุปว่า ข้อมูลที่หลุมดำกลืนเข้าไปสามารถกู้คืนได้อย่างสมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการระเหยของควอนตัม”
อาจฟังดูงงงวยสำหรับคนทั่วไป แต่เราสามารถสรุปได้ง่าย ๆ ว่า สสารที่ถูกดูดเข้าไปจะย่อยกลายเป็นข้อมูลบิตแบบ 0 หรือ 1 ซึ่่งจะไปเข้ารหัสแบบ 2 มิติซึ่งเก็บอยู่ในสภาวะคล้ายโฮโลแกรม ซึ่งหากเราอยุ่ในหลุมดำที่ใหญ่เท่าจักรวาล เราสามารถกู้คืนข้อมูลทุกอย่างที่หลุมดำในจักรวาลกลืนเข้าไปได้ เพราะทั้งเราและหลุมดำก็อยู่ในหลุมดำอีกที และข้อมูลที่ระเหยจากรังสีฮอว์คิง ก็ยังคงอยู่ในหลุมดำที่เราอาศัยอยู่
นั่นสามารถนำไปสู่ข้อสรุปที่ว่า ‘โลกก่อตัวขึ้นในหลุมดำ’ หรือพูดอีกนัย จักรวาลก่อตัวขึ้นในหลุมดำ
“หลุมดำเหมือนกับบิ๊กแบงมาก ในทางกลับกัน คณิตศาสตร์ก็ดูคล้ายกัน” กัวเรฟ คันนา (Gaurav Khanna) นักฟิสิกส์หลุมดำจากมหาวิทยาลัยโรดไอส์แลนด์ กล่าว ในขณะที่หลุมดำยุบตัวลงจนเหลือจุดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นสูงมาก “จนกระทั่งมันระเบิดขึ้นและจักรวาลทารกก็ก่อตัวขึ้นในหลุมดำ” เขาเสริม
แนวคิดนี้ได้รับการสนับสนุนจากงานวิจัยเมื่อเดือนตุลาคมปี 2023 ซึ่งทาง ดร. ชาร์ลส์ ไลน์วีเวอร์ (Charles Lineweaver) และนักวิจัยระดับบัณฑิตศึกษา ไวฮาน พาเทล (Vihan Patel) ได้สร้างแผนภูมิที่ทำให้เกิดประเด็นที่น่าคิดขึ้นมา ทั้งคู่เรียกมันว่า ‘แผนภูมิของทุกสิ่ง’
ด้วยการใช้ อุณหภูมิ ความหนาแน่น มวล และรัศมีของวัตถุ พวกเขาก็ได้รวบรวมทุกสิ่งตั้งแต่อะตอม ผู้คน ดาวเคราะห์ กาแล็กซี และใหญ่ที่สุดคือจักรวาล เมื่อหากมองเห็นแผนภูมิ เราจะได้เห็นสิ่งที่เล็กที่สุดระดับควอนตัมอยู่ในกราฟจุดล่างสุด แต่เมื่อเราไล่ขึ้นไปเรื่อย ๆ ทั้งคู่สังเกตว่าจักรวาลนั้นอยู่ในขอบเขตใหญ่ของ อุณหภูมิ ความหนาแน่น มวล และรัศมีของวัตถุนั้นจะสูงที่สุดเท่าที่เป็นไปได้
ซึ่งมันสอดคล้องกับหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เช่นกัน นั่นทำให้ขอบเขตของจักรวาลที่เราสังเกตได้ทั้งหมดอยู่ในหลุมดำ
“จักรวาลอาจเป็นหลุมดำจากในไปข้างนอก” ดร. ไลน์วีเวอร์ กล่าว ขณะที่ สก็อต ฟิล์ด (Scott Field) รองศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ ดาร์ทเมาท์ เสริมว่า “ถ้าเราอยู่ในหลุมดำ มันจะต้องมีขนาดใหญ่มาก
และหากเป็นเช่นนั้น นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้เห็นการบิดเบือนเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงรุนแรงเช่น เวลาที่ช้าลง และการยืดหดตัวของสสาร ในขณะที่ผู้คนเคลื่อนที่อยู่ภายในหลุมดำ
อย่างไรก็ตาม ในตอนนี้ไม่ใครที่สามารถตรวจจับความผิดปกติที่เกิดขึ้นได้ เช่น ถ้าโลกอยู่ในหลุมดำขนาดเท่าโลก ผู้คนจะสังเกตเห็นผลกระทบของแรงขึ้นน้ำลง สสารถูกยืด และเวลาที่ช้าลงขณะที่เดินทางจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง
แต่เราทุกคนต่างใช้ชีวิตปกติ ดังนั้นหากเราอยู่ในหลุมดำจริง ๆ หลุมดำดังกล่าวจะต้องมีขนาดใหญ่เท่าจักรวาล จนไม่สามารถเดินทางได้เร็วพอที่จะเห็นความแตกต่าง หรือมองเห็นความบิดเบี้ยวของแรงโน้มถ่วง ซึ่งความรู้ของเราในตอนนี้ยังไม่พอที่จะตอบคำถามต่าง ๆ
แต่ก็ไม่ได้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์จะไม่หยุดค้นหาต่อไป กับหนึ่งในคำถามที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ณ ตอนนี้ เวลานี้ เราสามารถสนุกกับจินตนาการเกี่ยวกับจักรวาลที่เราอาศัยอยู่ได้โดยไม่ต้องกังวลอะไร
สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา
https://arxiv.org/abs/1602.07258
https://mailchi.mp/anu/a-new-view-of-all-objects-in-the-universe?e=39aaed2a9d
https://www.iflscience.com/why-some-physicists-think-we-are-living-inside-a-black-hole-74111
https://www.livescience.com/space/could-earth-be-inside-a-black-hole