พบหลุมดำมีแรงดันเป็นลบ ชี้เป็นตัวแปรสู่การรวม 2 ทฤษฎี “กลศาสตร์ควอนตัม-สัมพัทธภาพทั่วไป”

Image # 2. 120612282_blackholerealisticgettyimages

นักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์จากมหาวิทยาลัยซัสเซกซ์ของสหราชอาณาจักร ค้นพบคุณสมบัติใหม่ของหลุมดำเข้าโดยบังเอิญ ขณะที่กำลังคำนวณเพื่อแก้ไขข้อมูลบางอย่าง

พวกเขาพบว่าหลุมดำนั้นมีแรงดันที่กระทำต่อสิ่งแวดล้อมภายนอก แต่ทว่าเป็น “แรงดันลบ” (negative pressure) ซึ่งคุณสมบัตินี้บ่งชี้ว่า หลุมดำมีอุณหภูมิและมีการหดตัวผ่านการแผ่รังสีความร้อน ทำให้มันมีขนาดเล็กลงทีละน้อยจนระเหยหายไปได้ในที่สุด ตรงตามหลักการแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation) ซึ่งเป็นมุมมองเชิงฟิสิกส์ควอนตัมที่มีมาก่อนหน้านี้

Image # 3. รูปหลุมดำแบบสมจริง
Getty Images

ผลการศึกษาข้างต้นได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review D โดยศาสตราจารย์ เซเวียร์ คาลเม็ต ผู้นำทีมวิจัยบอกว่า ในขณะที่เขากับฟอล์เคิร์ต ไคเปอร์ นักศึกษาวิจัยระดับปริญญาเอก กำลังใช้หลักความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (Quantum Gravity) ทำการคำนวณ เพื่อแก้ไขค่าเอนโทรปีหรือความปั่นป่วนที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำชวาร์ซชิลด์ (Schwarzschild black hole) ให้มีความถูกต้องมากขึ้นอยู่นั้น กลับมีตัวเลขหนึ่งปรากฏขึ้นมาในสมการซ้ำกันหลายครั้ง จนต้องหยุดเพื่อตรวจสอบ

พวกเขาต้องประหลาดใจ เมื่อพบว่าตัวเลขดังกล่าวคือค่าของความดันที่มีหน่วยเป็นบาร์ (Bar) ซึ่งชี้ว่าหลุมดำชวาร์ซชิลด์ที่มีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์และเป็นต้นแบบในการศึกษาครั้งนี้มีแรงดันอยู่ แต่ทว่าเป็นแรงดันในระดับต่ำมาก ซ้ำยังเป็นค่าติดลบเสียอีก

เราสามารถเขียนค่าของแรงดันจากหลุมดำดังกล่าวเป็นเลขยกกำลังได้เท่ากับ -2E ^(-46) โดย E นั้นคือค่าความดันบรรยากาศ 1 บาร์ ที่ระดับน้ำทะเลของโลก

Image # 4. การค้นพบแรงดันลบของหลุมดำ สอดคล้องกับหลักการแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)
Getty Images

การค้นพบแรงดันลบของหลุมดำ สอดคล้องกับหลักการแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)

การที่หลุมดำมีแรงดันเป็นลบนั้น แสดงว่ามันกำลังหดตัวลงอย่างไม่ต้องสงสัย ซึ่งถือว่าสอดคล้องกับหลักการแผ่รังสีฮอว์คิงมากจนทำให้เชื่อได้ว่า ปรากฏการณ์ทั้งสองอย่างนี้จะต้องมีความเกี่ยวข้องสัมพันธ์กันในทางกลศาสตร์ควอนตัมเป็นแน่

ศ. คาลเม็ตคาดว่า ความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมน่าจะเป็นตัวการที่ทำให้เกิดแรงดันลบนี้ขึ้น และความเชื่อมโยงระหว่างแรงดันลบกับการแผ่รังสีของหลุมดำ จะเป็นกุญแจสำคัญที่เปิดทางสู่การใช้ทฤษฎีควอนตัมเข้ามาไขปริศนาต่าง ๆ ของหลุมดำได้มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของภาวะเอกฐาน (singularity) ซึ่งเป็นจุดที่หลุมดำมีความหนาแน่นเป็นอนันต์ จนกฎของความโน้มถ่วงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เคยใช้อธิบายหลุมดำกันมาก่อน กลับใช้การไม่ได้อีกต่อไป

“ผมหวังว่าเมื่อเราสามารถผสานทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory) ให้รวมเข้ากับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้สำเร็จ เมื่อนั้นเราจะสามารถนิยามและให้คำอธิบายใหม่แก่เรื่องหลุมดำได้ดียิ่งกว่านี้” ศ. คาลเม็ตกล่าว