หลุมดำ (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

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 )

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

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 (?) ของหลุมดำมีความสัมพันธ์ ? 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 คาดหมายว่าจะสร้างเสร็จและเดินเครื่องได้ 10 กันยายน 2008 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 2008 การสร้าง LHC นั้นต้องใช้เงินทุนมหาศาล ดังนั้นจะเห็น ได้ว่า ความรู้ความอยากเห็นของมนุษย์ต้องแลกมาด้วยการท่มเทอย่างมากและเป็นไปไม่ได้ ที่ทุกประเทศในโลกจะทำสิ่งนี้ได้สำเร็จ เพื่อให้ผู้อ่านเห็นจำนวนเงินที่ต้องลงทุน เพื่อสร้างหลุมดำจิ๋วที่มีขนาดเล็ก (10-15 เมตร) ในเวลาเศษเสี้ยวของวินาที ในปี 2001 CERN ได้วางจำนวนเงินไว้ประมาณ 3,400 ล้านฟรังค์สวิส คิดเป็นเงินไทยก็ 86,000 ล้านบาทไม่มากไม่น้อยไปกว่านี้ สำหรับประเทศไทยคงไม่จำเป็นต้องริเริ่มโครงการ เช่นนี้ เพียงแค่ส่งบุคลากรไปเรียนรู้และทำความเข้าใจปรากฎการณ์เหล่านี้ก็คงจะเพียง พอแล้ว

สรุปคือเครื่องเร่งอนุภาค เพื่อจะทำให้ตัว LHC ทำความเร็วไปแตะระดับความเร็วแสง เพื่อทำให้เกิดปรากฎการใหม่ที่มนุษยชาติไม่เคยมีไครทำและทำได้ ถ้าทำได้สำเร็จจริงจะเป็นผลแห่งความรู้ใหม่อันมหาศาลทางวิทยาศาสตร์ของ มนุษย์โลก เอาแบบง่ายๆ ถ้าทำสำเร็จจะเป็นพื้นฐานของการทำเครื่อง Time Machine แต่ถ้าสำเร็จจริงผลเสียที่ตามมา ที่มีกลุ่มคนต่อต้านกันอยู่คือ มันเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่มาก การประเมินผลเสียที่เกิดขึ้นเป็นแค่การสมมุติฐานและคำนวนตามทฤษฎีเท่านั้น จึงเป็นไปได้ทั้งสองทางคือ อาจจะเป็นผลที่ดีมาก หรือผลเสียมากต่อมนุษยชาติก็ได้ ดีก็ดีไปแต่ข้อเสียก็คือ การทำให้อะไรสักอย่างบนโลกใบนี้เร็วในระดับไปแตะก้นความเร็วแสงได้จริงมัน อาจทำให้เกิดหลุมดำขนาดหนึ่งขึ้นมาได้ และอาจจะดูดกลืนทุกสิ่งบนโลกใบนี้ให้หายไปเลยก็ได้ครับ ทั้งผลร้ายและผลดีนั้น คำนวนตามทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์ทั้งนั้นครับ ซึ่งไม่เคยมีใครมีประสบการณ์ในการทดลองจริงได้สำเร็จ

… อ่านบทความนี้ต่อ » …

Large Hadron Collider (LHC) เป็นเครื่องเร่งความเร็วอนุภาค ของศูนย์วิจัย CERN ในสวิตเซอร์แลนด์ มีลักษณะเป็นท่อใต้ดินวนเป็นวงกลมยาว 27 กิโลเมตร เป้าหมายของ LHC คือใช้ทดลองเร่งความเร็วอนุภาคแล้วเอามาวิ่งชนกัน เพื่อตรวจสอบทฤษฎีทางฟิสิกส์อนุภาคว่าเป็นไปได้จริงหรือไม่ โดยเฉพาะ Higgs Boson ซึ่งถ้าสร้างขึ้นมาได้จริงตามทฤษฎี วงการฟิสิกส์จะก้าวหน้าขึ้นไปอีกมาก LHC ตอนนี้กำลังสร้างอยู่และมีกำหนดเปิดใช้งานเดือนพฤษภาคมนี้

อย่างไรก็ตาม มีกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ที่คาใจเรื่องความปลอดภัยของ LHC ในหลายประเด็น เช่นว่า การใช้งาน LHC อาจก่อให้เกิดแบล็คโฮลขนาดเล็กขึ้นมาทำลายล้างโลก หรือเปลี่ยนขั้วแม่เหล็กโลกให้เหลือข้างเดียวได้ ล่าสุดได้มีคนยื่นฟ้องต่อศาลสหรัฐ ให้กระทรวงพลังงานสหรัฐและห้องทดลอง Fermilab ซึ่งเป็นภาคีสมาชิกของ LHC ชะลอการใช้งานไปอีก 4 เดือนเพื่อตรวจสอบความปลอดภัย ซึ่งทางฝ่ายสนับสนุน LHC เองก็ออกมาโต้แย้งว่าไม่มีหลักฐานใดๆ ว่าจะเกิดอันตรายขึ้นแต่อย่างใด ส่วนศาลจะรับฟ้องหรือไม่นั้นอยู่ระหว่างกระบวนการด้านเอกสาร.

ลุ้นอย่างเดียวครับ ขอให้โลกไม่แตกก็แล้วกันนะครับ

ข้อมูลประกอบ

• เว็บไซต์กลุ่มผู้เป็นห่วงเรื่องความปลอดภัยของ LHC
• ข้อมูลด้านความปลอดภัยของ CERN
• หน้าตา LHC แบบเต็มๆ เผื่อใครอยากเห็น
• xkcd

ที่มา - MSNBC ผ่าน Slashdot (คอมเมนต์เยอะมาก ซัดกันมันเลย)