หลุมดำ อันตราย

เมื่อมนุษย์จะสร้างหลุมดำขึ้นมาเอง !

                                                                                                โดย: ณฤทธิ์ ปิฎกรัชต์ 
                                                                                           pnarre@hotmail.com
                                                                             www.geocities.com/goodnarit

พูดถึงหลุมดำ (Black holes) ใคร ๆ ก็ต้องเคยได้ยินแต่ความเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำนั้น มีอยู่หลายระดับ  ในภาพยนตร์เรื่อง Stratrek มีการกล่าวถึงคำว่า หลุมดำ อยู่บ่อย ๆ แต่ concept อย่างเป็นทางการ (หมายถึงทางวิทยาศาสตร์ที่ได้รับการยอมรับ) นิยามหลุมดำว่า  “ เป็นอาณาบริเวณในกาลอวกาศ (spacetime) ที่มี สนามโน้มถ่วงสูงมาก ๆ แม้กระทั่งแสง (อนุภาคโฟตอนซึ่งเป็นสิ่งที่เดินทาง ได้เร็วที่สุดในเอกภพ เท่าที่เรารู้จักกัน) ก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้ ทำให้อาณาบริเวณนั้นดูเหมือนเป็นสีดำ ” แน่นอนว่าเราไม่สามารถเห็นหลุมดำ ได้โดยตรง นักฟิสิกส์แบ่งหลุมดำออกเป็น 3 ประเภท ดังนี้

1. หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black holes)

 เชื่อกันว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ใจกลางของควอซ่าร์ (Quasars) ซึ่งเป็นใจกลางของgalaxy ที่มีการระเบิดเกิดขึ้น และมันดูดดาวจำนวนนับพันล้านดวง รวมถึงก๊าซและฝุ่น ในอวกาศ หรือแม้กระทั่งดาวเคราะห์เข้าไป ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าหลุมดำมวลยิ่งยวด ในปี 1994 กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ได้ถ่ายภาพที่ถือว่าเป็นหลักฐานแห่งการค้นพบหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางของ galaxy M87

(อ่านเพิ่มเติมเรื่องหลุมดำมวลยิ่งยวดได้จากบทความในฟิสิกส์สารฉบับแรกที่

http://physics.science.cmu.ac.th/ps/ps1/ps1a4.htm  )

2. หลุมดำที่เกิดจากดาวที่ตายแล้ว (Stellar black holes)

 หลุมดำประเภทนี้เกิดจากดาวยักษ์แดง (Red giant stars) ที่มีมวลมากกว่า 3 เท่าของ มวลของดวงอาทิตย์ตามวิวัฒนาการของดวงดาว (Stellar evolution) ส่วนดาวที่มีมวล น้อยกว่านี้ก็จะวิวัฒนาการไปสู่ ดาวแคระขาว (white dwarfs) หรือ ดาวนิวตรอน (neutron stars) หลุมดำประเภทนี้เกิดจากการที่ดาวฤกษ์เผาผลาญพลังงานทุกอย่าง จนหมดสิ้นทำให้เกิดการยุบตัวเป็น singularity ( หมายถึงบริเวณที่เป็นอนันต์และ กฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์ต่าง ๆไม่สามารถใช้ทำนายอะไรได้ถูกต้อง) ซึ่งถือว่าเป็นจุดตรงกลางของหลุมดำ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์ singularity จะเกิดขึ้นได้เมื่อดวงดาวได้ยุบตัวจนถึง รัศมีชว๊าซชิลด์ (Schwarzschild radius)  หรือ เรียกว่า ขอบเขตแห่งเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตที่ไม่มีอะไรสามารถ หลุดพ้นออกมาได้ (ยกเว้นแต่ว่าใครจะทำความเร็วได้มากกว่าความเร็วแสง แต่ความเป็นไปได้ก็ถูกจำกัดโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์ที่กล่าวว่า ไม่มีสิ่งใดที่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสง คุณจะมีมวลเป็นอนันต์ถ้าคุณเดินทาง ด้วยความเร็วเท่าแสง)  หลุมดำประเภทนี้เชื่อกันว่าอยู่ที่กระจุกดาว Cygnus X-1

3. หลุมดำจิ๋ว (Mini black holes)

เชื่อกันว่าหลุมดำพวกนี้ (ขนาดราว 10^-15 เมตร) เกิดขึ้นระหว่างการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (The Big Bang)  Stephen Hawking เป็นผู้นำในการเสนอทฤษฎีเกียวกับหลุมดำจิ๋ว ราวต้นทศวรรษ 70  อีกชื่อหนึ่งของหลุมดำจิ๋วคือ หลุมดำแรกเริ่ม (Primordial black holes)  ในทฤษฎีนี้ โปรตอนและปฏิโปรตอนอาจเกิดขึ้นได้ รอบ ๆ หลุมดำจิ๋ว ตามหลัก ของการสร้างและการทำลายล้างอนุภาค (Pair production and annihilation) โดยที่ถ้าตัวตัวหนึ่งตกลงไปในหลุมดำอีกตัวก็จะออกมา จากปรากฎการณ์นี้ทำให้เรารู้ว่า หลุมดำระเหยสาบสูญไป (Evaporate) และหลุมดำก็แผ่รังสีออกมา Stephen Hawking ได้สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับการแผ่รังสีของหลุมดำที่รู้จักกันในนาม Hawking Radiation

โดยยึดหลักความไม่แน่นอนของไฮน์เซนเบอร์ก การที่หลุมดำแผ่รังสีทำให้มันมี อายุขัยที่จำกัด (หรือกล่าวว่าหลุมดำก็ตายได้) การสร้างอนุภาคในสูญญากาศต้องใช้ พลังงาน DE = 2mc²   ทำให้อายุขัยของหลุมดำ Dt ~  hbar /2mc²   นอกจากนี้ Hawking ได้พบด้วยว่าการแผ่รังสีของหลุมดำนั้นเป็นแบบ สเปกตรัมเชิงความร้อน (Thermal spectrum) โดยที่ T µ 1/M   ( M คือมวลของหลุมดำ T คือ อุณหภูมิของ หลุมดำ ) และอายุขัย (τ) ของหลุมดำมีความสัมพันธ์ τ µ M³   นั่นคือว่าหลุมดำจิ๋วที่มีมวล 10¹⁵ กรัม ซึ่งมีอายุขัยน้อยกว่าเอกภพได้ระเหยสาบสูญไปแล้ว สำหรับหลุมดำ ชนิดอื่นเราสามารถละทิ้งความสำคัญของการระเหยสาบสูญได้ (การระเหยสาบสูญ คือการที่ขนาดของหลุมดำลดลงจนถึงระดับขั้นของแพล๊งค์ (Planck ‘s scale) ซึ่งมีขนาดประมาณ 10^-35 เมตร ซึ่งเป็นขนาดที่มนุษย์ไม่มีทางสัมผัสได้ และเป็นขั้นที่ ศึกษากันในวิชาแรงโน้มถ่วงควอนตัม หรือ Quantum gravity)

 จากที่กล่าวมาข้างต้นเป็นหลุมดำทั้ง 3 ชนิดที่นักฟิสิกส์เป็นผู้แบ่งกลุ่ม แต่ชนิดไหนละที่ มนุษย์จะสร้างขึ้น ถ้าให้เดากันผู้อ่านก็คงจะเลือกหลุมดำจิ๋ว ซึ่งก็ถูกต้องแล้ว เพราะถ้า เราสร้างหลุมดำชนิดที่ 1 และ 2 ได้จริง ๆ ก็ไม่มีอะไรเหลืออยู่ เพราะเราและ ทุกอย่าง บนโลกจะถูกดูดหายไป และเราก็คงไม่ได้เรียนรู้อะไรอีก  หลุมดำจิ๋วที่นักฟิสิกส์จะสร้างขึ้นมาอยู่ที่ CERN (ห้องทดลองทางฟิสิกส์อนุภาคที่กรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์)โดยเครื่องมือที่จะสร้างมีชื่อว่า LHC (Large Hadron Collider) ซึ่งเป็นที่ที่นักฟิสิกส์ จะจับ เอา Hadron มาชนกันที่พลังงานสูงยิ่งยวด Hadron คืออนุภาคที่มีอันตรกิริยา อย่างแรง  นั่นคือ Meson (ประกอบด้วยควาก และปฏิควาก (quark - antiquark) ) และ Baryon (ประกอบด้วย ควาก 3 ตัว เช่น โปรตอน นิวตรอน  เป็นต้น)  LHC ได้รับการ คาดหมายว่าจะสร้างเสร็จในปี 2005 และเดินเครื่องได้ในปี 2006  นักฟิสิกส์เชื่อว่า มันจะสร้างหลุมดำจิ๋วทุก ๆ วินาที  และเมื่อ LHC สร้างเสร็จจะเป็น เครื่องเร่งอนุภาค ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยสร้างมา การที่อนุภาควิ่งมาชนกันที่ LHC นั้น จะเกิดพลังงาน ในระดับเดียวที่เกิดขึ้น 1 ในล้านล้านของวินาทีหลังจากการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ ซึ่งอุณภูมิของเอกภพ ตอนนั้นจะอยู่ที่ประมาณ 1 หมื่นล้านล้านองศาเซลเซียส (10¹⁶ ) ที่พลังงานสูงมาก ๆ ระดับนี้ เราคาดหวังว่าสสารจะเปิดเผยความลับอันลึกซึ้งออกมา เช่น มวลสารนั้น มาจากไหนกัน นักฟิสิกส์คาดว่าจะเกิดหลุมดำจิ๋วขึ้นเป็นจำนวนมาก ในการชนที่พลังงานระดับนั้นแต่ขนาดของ หลุมดำจิ๋วจะไม่ใหญ่ไปกว่า  1 ในล้าน ของขนาดของนิวเคลียสของอะตอมและจะมีช่วงอายุขัยเพียงเศษเสี้ยวของวินาที ดังนั้นจึงไม่ต้องกังวลว่านักฟิสิกส์ที่ทดลองจะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำจิ๋ว เรารู้ได้อย่างไรว่าได้เกิดหลุมดำจิ๋วขึ้นจริง ๆ  เรารู้เพราะว่านักฟิสิกส์มีเครื่องมือวัด

ถ้าเกิดหลุมดำจิ๋วขึ้นจริงที่ LHC ตามทฤษฎีการแผ่รังสีของ Hawking ซึ่งบอกเราว่า หลุมดำจะแผ่รังสีออกมา  ซึ่งจะทำให้นักฟิสิกส์สามารถวัดการแผ่รังสีในรูปแบบของสัญญาณได้ พูดอีกแง่หนึ่งคือ การทดลองสร้างหลุมดำจิ๋วเป็นการทดสอบทฤษฎีของ Hawking ว่าถูกต้องหรือไม่ ที่น่าสนใจเช่นกันคือ การทดลองครั้งนี้จะทำให้นักฟิสิกส์เรียนรู้อะไรใหม่ ๆ เกี่ยวกับมิติในเอกภพนี้ นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ว่าในช่วงเริ่มแรกของ เอกภพ มีมิติมากกว่า 3+1 มิติที่เรามีอยู่ทุกวันนี้ (+1 หมายถึงรวมเวลาเข้าไปด้วย)

นั่นคือมีมิติเสริม (Extra dimensions) อยู่ที่มนุษย์ไม่สามารถสัมผัสได้ด้วยประสาท สัมผัสทั้ง 5 เชื่อกันว่ามิติเสริมนี้จะเกิดขึ้นในกระบวนการที่มีพลังงานสูงมาก ๆ เช่น การเกิดหลุมดำจิ๋ว  จำนวนของมิติเสริมจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของหลุมดำจิ๋วและ ความเข้มของการแผ่รังสี Hawking  องค์ความรู้เกี่ยวกับมิติเสริมจะเป็นกุญแจที่สำคัญ ไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นในวิชาความโน้มถ่วงควอนตัม เพราะนักฟิสิกส์เชื่อกันว่า แรงโน้มถ่วงนั้นมีความแรงเท่ากับแรงอื่น ๆ ทั้ง 3 ชนิด (แรงไฟฟ้าแม่เหล็ก แรงนิวเคลียร์อย่างแรง และ แรงนิวเคลียร์อย่างอ่อน) เพียงแต่ซ่อนเร้นอยู่ในมิติเสริม

ความฝันของนักฟิสิกส์คือการนำแรงทั้ง 4 มารวมกันโดยการสร้างทฤษฎีเพียงหนึ่งเดียว ที่ใช้อธิบายปรากฎการณ์ต่าง ๆ ได้ แต่ก็ไม่เคยมีใครสามารถยืนยันได้ว่าความฝันอันนี้จะเป็นจริง การสร้าง LHC ขึ้นมาเป็นหนึ่งในความพยายามของนักฟิสิกส์ที่จะทำความฝัน นั้นให้เป็นจริงได้  จากที่กล่าวมาทั้งหมดสามารถสรุปได้ดังนี้

 1. การสร้าง LHC เพื่อเป็นห้องทดลองสร้างหลุมดำจิ๋วเป็นความหวังที่จะทดสอบ ทฤษฎีการแผ่รังสีของ Hawking เพื่อที่จะนำ ความรู้อันนั้นไปขยายความเข้าใจ เกี่ยวกับมิติเสริม ซึ่งเป็นกุญแจไปสู่วิชาความโน้มถ่วงควอนตัม เป็นไปได้ว่าถ้าเรามีความรู้ ความเข้าใจที่ลึกซึ้งในวิชานี้ ก็อาจทำให้ทฤษฎีการรวมแรงทั้ง 4 เป็นไปได้

 2. ไม่เป็นที่แน่นอนและไม่มีสามารถยืนยันได้ 100 % ว่าหลุมดำจิ๋วจะเกิดขึ้นได้จากฝีมือของมนุษย์จริง ๆ ภายในปี 2006 การสร้าง LHC นั้นต้องใช้เงินทุนมหาศาล ดังนั้นจะเห็น  ได้ว่า ความรู้ความอยากเห็นของมนุษย์ต้องแลกมาด้วยการท่มเทอย่างมากและเป็นไปไม่ได้ที่ทุกประเทศในโลกจะทำสิ่งนี้ได้สำเร็จ เพื่อให้ผู้อ่านเห็นจำนวนเงินที่ต้องลงทุน เพื่อสร้างหลุมดำจิ๋วที่มีขนาดเล็ก (10^-15 เมตร) ในเวลาเศษเสี้ยวของวินาที ในปี 2001  CERN ได้วางจำนวนเงินไว้ประมาณ 3,400 ล้านฟรังค์สวิส คิดเป็นเงินไทยก็ 86,000 ล้านบาทไม่มากไม่น้อยไปกว่านี้   สำหรับประเทศไทยคงไม่จำเป็นต้องริเริ่มโครงการ เช่นนี้ เพียงแค่ส่งบุคุคลากรไปเรียนรู้และทำความเข้าใจปรากฎการณ์เหล่านี้ก็คงจะเพียงพอแล้ว