"หนังสือเล่มเล็กของหลุมดำ"

แม้ว่าหัวข้อนี้จะมีความซับซ้อน แต่ศาสตราจารย์ Stephen Gubser แห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันก็นำเสนอบทนำที่กระชับ เข้าถึงได้ และสนุกสนานเกี่ยวกับสาขาวิชาฟิสิกส์ที่มีการถกเถียงกันมากที่สุดแห่งหนึ่งในปัจจุบัน หลุมดำเป็นวัตถุจริง ไม่ใช่แค่การทดลองทางความคิด! หลุมดำสะดวกอย่างยิ่งจากมุมมองทางทฤษฎี เนื่องจากในทางคณิตศาสตร์แล้วมันง่ายกว่าวัตถุทางดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ เช่น ดวงดาว มาก สิ่งต่างๆ จะแปลกขึ้นเมื่อปรากฎว่าหลุมดำไม่ได้ดำขนาดนั้นจริงๆ

มีอะไรอยู่ข้างในพวกเขาจริงๆ? คุณจินตนาการถึงการตกลงไปในหลุมดำได้อย่างไร? หรือบางทีเราอาจตกอยู่ในนั้นแล้วแต่ยังไม่รู้?

ในเรขาคณิตของเคอร์ มีวงโคจรจีโอเดสิกล้อมรอบอยู่ในเออร์โกสเฟียร์โดยสมบูรณ์ โดยมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้ อนุภาคที่เคลื่อนที่ไปตามพวกมันมีพลังงานศักย์เชิงลบที่มีค่ามากกว่าค่าสัมบูรณ์ของมวลที่เหลือและพลังงานจลน์ของอนุภาคเหล่านี้เมื่อนำมารวมกัน ซึ่งหมายความว่าพลังงานทั้งหมดของอนุภาคเหล่านี้เป็นลบ เป็นเหตุการณ์นี้เองที่ใช้ในกระบวนการเพนโรส ขณะที่อยู่ในเออร์โกสเฟียร์ เรือที่สกัดพลังงานจะยิงกระสุนปืนในลักษณะที่มันเคลื่อนที่ไปตามวงโคจรเหล่านี้ด้วยพลังงานเชิงลบ ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เรือจะได้รับพลังงานจลน์ที่เพียงพอเพื่อชดเชยมวลนิ่งที่สูญเสียไปซึ่งเทียบเท่ากับพลังงานของกระสุนปืน และนอกจากจะได้พลังงานบวกที่เทียบเท่ากับพลังงานลบสุทธิของกระสุนปืนด้วย เนื่องจากกระสุนปืนควรจะหายไปในหลุมดำหลังจากถูกยิง จึงเป็นการดีที่จะสร้างมันขึ้นมาจากขยะบางชนิด ในอีกด้านหนึ่ง หลุมดำจะยังคงกินทุกสิ่ง แต่ในทางกลับกัน มันจะส่งพลังงานกลับคืนมาให้เรามากกว่าที่เราลงทุนไป ดังนั้นนอกจากนี้พลังงานที่เราซื้อจะเป็น "สีเขียว"!

ปริมาณพลังงานสูงสุดที่สามารถดึงออกมาจากหลุมดำเคอร์นั้นขึ้นอยู่กับความเร็วของหลุมดำที่หมุนอยู่ ในกรณีที่รุนแรงที่สุด (ที่ความเร็วการหมุนสูงสุดที่เป็นไปได้) พลังงานการหมุนของกาลอวกาศคิดเป็นประมาณ 29% ของพลังงานทั้งหมดของหลุมดำ นี่อาจดูไม่มาก แต่จำไว้ว่ามันเป็นเพียงเศษเสี้ยวของมวลที่เหลือทั้งหมด! สำหรับการเปรียบเทียบ โปรดจำไว้ว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใช้พลังงานจากการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีใช้พลังงานน้อยกว่าหนึ่งในสิบของหนึ่งเปอร์เซ็นต์ของพลังงานเทียบเท่ากับมวลนิ่ง

เรขาคณิตของกาลอวกาศภายในขอบฟ้าของหลุมดำที่กำลังหมุนอยู่นั้นแตกต่างอย่างมากจากกาลอวกาศชวาร์ซชิลด์ มาติดตามการสอบสวนของเราแล้วดูว่าเกิดอะไรขึ้น ในตอนแรกทุกอย่างดูคล้ายกับคดีชวาร์สไชลด์ เหมือนเช่นเคย กาลอวกาศเริ่มพังทลายลง ลากทุกสิ่งไปด้วยไปยังศูนย์กลางของหลุมดำ และพลังน้ำขึ้นน้ำลงก็เริ่มเพิ่มมากขึ้น แต่ในกรณีของเคอร์ ก่อนที่รัศมีจะเป็นศูนย์ การพังทลายจะช้าลงและเริ่มย้อนกลับ ในหลุมดำที่หมุนรอบตัวอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้จะเกิดขึ้นก่อนที่แรงน้ำขึ้นน้ำลงจะรุนแรงพอที่จะคุกคามความสมบูรณ์ของยานสำรวจ เพื่อให้เข้าใจอย่างสัญชาตญาณว่าเหตุใดสิ่งนี้จึงเกิดขึ้น ขอให้เราจำไว้ว่าในกลศาสตร์ของนิวตัน ในระหว่างการหมุน สิ่งที่เรียกว่าแรงหนีศูนย์กลางจะเกิดขึ้น พลังนี้ไม่ใช่หนึ่งในพลังทางกายภาพพื้นฐาน แต่เกิดขึ้นจากการกระทำร่วมกันของแรงพื้นฐานซึ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีสภาวะการหมุน ผลลัพธ์สามารถมองได้ว่าเป็นแรงที่มีประสิทธิผลซึ่งพุ่งออกไปด้านนอก นั่นคือแรงหนีศูนย์กลาง คุณรู้สึกถึงการเลี้ยวหักศอกในรถที่เคลื่อนที่เร็ว และถ้าคุณเคยอยู่บนม้าหมุน คุณจะรู้ว่ายิ่งมันหมุนเร็วเท่าไร คุณก็ยิ่งต้องจับรางแน่นขึ้น เพราะถ้าคุณปล่อย คุณจะถูกโยนออกไป การเปรียบเทียบระหว่างกาล-อวกาศนี้ไม่เหมาะนัก แต่สามารถเข้าใจประเด็นได้อย่างถูกต้อง โมเมนตัมเชิงมุมในกาลอวกาศของหลุมดำเคอร์ทำให้เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่มีประสิทธิภาพซึ่งต้านแรงดึงโน้มถ่วง เนื่องจากการล่มสลายภายในขอบฟ้าดึงกาลอวกาศให้มีรัศมีเล็กลง แรงเหวี่ยงจะเพิ่มขึ้น และในที่สุดจะสามารถต้านการล่มสลายได้ก่อนแล้วจึงกลับทิศทางกลับคืนมา

ในขณะที่การยุบตัวหยุดลง ยานสำรวจจะไปถึงระดับที่เรียกว่าขอบฟ้าด้านในของหลุมดำ ณ จุดนี้ แรงขึ้นน้ำลงมีน้อย และเมื่อยานสำรวจข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์แล้ว ก็ใช้เวลาเพียงระยะเวลาจำกัดเท่านั้นจึงจะไปถึงได้ อย่างไรก็ตาม เพียงเพราะกาลอวกาศหยุดการยุบไม่ได้หมายความว่าปัญหาของเราจบลงแล้ว และการหมุนเวียนได้ขจัดเอกภาวะในหลุมดำชวาร์ซไชลด์ออกไป นี่ยังอีกยาวไกล! ท้ายที่สุดแล้ว ย้อนกลับไปในช่วงกลางทศวรรษ 1960 โรเจอร์ เพนโรส และสตีเฟน ฮอว์คิง ได้พิสูจน์ระบบทฤษฎีบทเอกภาวะ ซึ่งตามมาว่าหากมีการล่มสลายของแรงโน้มถ่วง แม้แต่กรณีสั้นๆ ก็ตาม ผลที่ตามมาของภาวะเอกฐานบางรูปแบบก็ควรก่อตัวขึ้น ในกรณีของชวาร์สไชลด์ นี่คือเอกภาวะเอกภาวะที่ครอบคลุมทุกด้านและบดขยี้ทุกด้านที่พิชิตพื้นที่ทั้งหมดภายในขอบฟ้า ในการแก้ปัญหาของเคอร์ ภาวะเอกฐานมีพฤติกรรมแตกต่างออกไป และฉันต้องบอกว่าค่อนข้างไม่คาดคิดเลย เมื่อยานสำรวจไปถึงขอบฟ้าด้านใน ภาวะเอกฐานของเคอร์เผยให้เห็นการมีอยู่ของมัน—แต่ปรากฎว่าอยู่ในอดีตที่เป็นสาเหตุของเส้นโลกของยานสำรวจ ราวกับว่าความเป็นเอกเทศอยู่ที่นั่นมาโดยตลอด แต่ตอนนี้ผู้สอบสวนรู้สึกว่าอิทธิพลของมันมาถึงแล้วเท่านั้น คุณจะบอกว่ามันฟังดูมหัศจรรย์และมันเป็นเรื่องจริง และมีความไม่สอดคล้องกันหลายประการในภาพกาล-อวกาศ ซึ่งเป็นที่ชัดเจนว่าคำตอบนี้ไม่สามารถถือเป็นที่สิ้นสุดได้

ปัญหาแรกเกี่ยวกับภาวะเอกภาวะที่ปรากฏในอดีตของผู้สังเกตการณ์ที่ไปถึงขอบฟ้าด้านในก็คือ ในขณะนั้น สมการของไอน์สไตน์ไม่สามารถทำนายได้อย่างเฉพาะเจาะจงว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับกาลอวกาศนอกขอบฟ้านั้น ในแง่หนึ่ง การมีอยู่ของเอกภาวะสามารถนำไปสู่ทุกสิ่งได้ บางทีสิ่งที่จะเกิดขึ้นจริงสามารถอธิบายให้เราฟังได้ด้วยทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัม แต่สมการของไอน์สไตน์ทำให้เราไม่มีโอกาสรู้ โดยไม่สนใจ เราอธิบายไว้ด้านล่างว่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราต้องการให้จุดตัดของขอบฟ้ากาลอวกาศราบรื่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ (หากฟังก์ชันเมตริกเป็นไปตามที่นักคณิตศาสตร์เรียกว่า "วิเคราะห์") แต่ไม่มีพื้นฐานทางกายภาพที่ชัดเจน สำหรับสมมติฐานดังกล่าวหมายเลข โดยพื้นฐานแล้ว ปัญหาที่สองของขอบฟ้าด้านในแสดงให้เห็นสิ่งที่ตรงกันข้าม นั่นคือในจักรวาลที่แท้จริงซึ่งมีสสารและพลังงานอยู่นอกหลุมดำ กาลอวกาศที่ขอบฟ้าด้านในจะหยาบมาก และเอกภาวะเอกภาวะคล้ายวงวนก็พัฒนาขึ้นที่นั่น มันไม่ได้ทำลายล้างเท่ากับพลังคลื่นที่ไม่มีที่สิ้นสุดของภาวะเอกฐานในสารละลาย Schwarzschild แต่ไม่ว่าในกรณีใดการมีอยู่ของมันทำให้เกิดข้อสงสัยเกี่ยวกับผลที่ตามมาที่ตามมาจากแนวคิดของฟังก์ชันการวิเคราะห์ที่ราบรื่น บางทีนี่อาจเป็นสิ่งที่ดี - สมมติฐานของการขยายการวิเคราะห์นำมาซึ่งสิ่งที่แปลกมาก

โดยพื้นฐานแล้ว ไทม์แมชชีนจะทำงานในบริเวณเส้นโค้งคล้ายเวลาแบบปิด ห่างไกลจากความเป็นเอกเทศ ไม่มีเส้นโค้งที่เหมือนกาลเวลาปิด และนอกเหนือจากพลังที่น่ารังเกียจในบริเวณเอกภาวะแล้ว กาลอวกาศยังดูเป็นปกติโดยสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม มีวิถี (ไม่ใช่เนื้อที่ ดังนั้นคุณต้องมีเครื่องยนต์จรวด) ที่จะพาคุณไปยังบริเวณเส้นโค้งคล้ายเวลาปิด เมื่อคุณอยู่ที่นั่น คุณสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางใดก็ได้ตามพิกัด t ซึ่งเป็นเวลาของผู้สังเกตการณ์ระยะไกล แต่ในเวลาของคุณเอง คุณจะยังคงเคลื่อนที่ไปข้างหน้าเสมอ ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถไปได้ทุกเมื่อที่ต้องการ แล้วกลับไปยังส่วนที่ห่างไกลของกาล-เวลา และไปถึงที่นั่นก่อนที่คุณจะไปด้วยซ้ำ แน่นอนว่าตอนนี้ความขัดแย้งทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับแนวคิดเรื่องการเดินทางข้ามเวลากลับมามีชีวิตอีกครั้ง: ตัวอย่างเช่นจะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณโน้มน้าวตัวเองในอดีตให้ยอมแพ้โดยการเดินข้ามเวลา? แต่อวกาศ-เวลาแบบนั้นสามารถดำรงอยู่ได้หรือไม่ และความขัดแย้งที่เกี่ยวข้องกับมันสามารถแก้ไขได้อย่างไร นั้นเป็นคำถามที่อยู่นอกเหนือขอบเขตของหนังสือเล่มนี้ อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับปัญหาของ “ภาวะเอกฐานสีน้ำเงิน” บนขอบฟ้าด้านใน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีข้อบ่งชี้ว่าบริเวณของอวกาศ-เวลาที่มีเส้นโค้งคล้ายเวลาปิดนั้นไม่เสถียร ทันทีที่คุณพยายามรวมมวลหรือพลังงานจำนวนหนึ่งเข้าด้วยกัน ขอบเขตเหล่านี้สามารถกลายเป็นเอกพจน์ได้ ยิ่งไปกว่านั้น ในหลุมดำที่กำลังหมุนซึ่งก่อตัวในจักรวาลของเรา มันคือ "เอกภาวะสีน้ำเงิน" นั่นเองที่สามารถป้องกันการก่อตัวของบริเวณมวลลบ (และจักรวาลอื่นๆ ของเคอร์ที่มีหลุมสีขาวพาไป) อย่างไรก็ตาม ความจริงที่ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้เกิดวิธีแก้ปัญหาแปลกๆ เช่นนั้นได้ก็เป็นเรื่องที่น่าสนใจ แน่นอนว่าเป็นเรื่องง่ายที่จะประกาศให้พวกเขาทราบถึงพยาธิสภาพ แต่อย่าลืมว่าไอน์สไตน์เองและคนรุ่นเดียวกันหลายคนพูดแบบเดียวกันกับหลุมดำ

» ดูรายละเอียดหนังสือเพิ่มเติมได้ที่ เว็บไซต์ของผู้จัดพิมพ์

สำหรับ Khabrozhiteley ส่วนลด 25% โดยใช้คูปอง - หลุมดำ

เมื่อชำระค่าหนังสือฉบับกระดาษแล้ว หนังสือฉบับอิเล็กทรอนิกส์จะถูกส่งทางอีเมล

ที่มา: will.com