ทฤษฎีบท “หลุมดำมีเส้นผม” แก้ความย้อนแย้งเชิงข้อมูลของฮอว์คิงได้อย่างไร

วัตถุอวกาศลึกลับที่มีทั้งมวล ความหนาแน่น และแรงโน้มถ่วงมหาศาลอย่างหลุมดำนั้น เดิมถูกมองว่าไม่มีสิ่งใดที่ตกลงไปโดยข้ามพ้นขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของมันไปแล้ว จะหวนกลับคืนออกมาได้

แต่ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้ล่วงลับ ได้เสนอแนวคิดทางกลศาสตร์ควอนตัมที่มองว่า มีบางสิ่งอย่างเช่นข้อมูลควอนตัมที่ตกลงไปในหลุมดำ สามารถจะกลับออกมาได้อีกครั้งผ่านกระบวนการแผ่รังสีความร้อนที่เรียกว่า “รังสีฮอว์คิง” (Hawking radiation) ซึ่งอาจทำให้หลุมดำค่อย ๆ ระเหยและหดหายจนหมดสิ้นไปในวันหนึ่ง

ทว่ารังสีความร้อนที่ถูกปลดปล่อยคืนออกมาจากหลุมดำนั้น ไม่อาจจะบรรจุข้อมูลควอนตัมเอาไว้ หรือนำพาข้อมูลควอนตัมกลับออกมาจากหลุมดำได้ ปัญหานี้ทำให้เกิดปริศนาสำคัญเรื่องหนึ่งของวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ นั่นก็คือความย้อนแย้งเชิงข้อมูลของหลุมดำ (black hole information paradox) หรือ “ความย้อนแย้งเชิงข้อมูลของฮอว์คิง” (Hawking’s information paradox) นั่นเอง

ปัญหาดังกล่าวคือความขัดแย้งระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับหลักการกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อเราต้องการตอบคำถามที่ว่า ชะตากรรมของข้อมูล (information) หรือร่องรอยของสสารและพลังงานที่ตกลงไปในหลุมดำ รวมทั้งข้อมูลเรื่ององค์ประกอบของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดที่ยุบตัวลงจนกลายเป็นหลุมดำนั้น จะเป็นอย่างไรต่อไปกันแน่ จะสูญสิ้นไปตลอดกาลเมื่อหลุมดำระเหยหมดไป หรือจะยังคงอยู่ใน “รังสีฮอว์คิง” ที่หลุมดำค่อย ๆ แผ่ออกมาทีละน้อย

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มองว่า ทุกสิ่งที่ข้ามพ้นขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำไปแล้ว ย่อมไม่อาจหนีแรงโน้มถ่วงมหาศาลกลับออกมาได้อีก เท่ากับว่าข้อมูลนั้นจะสูญสิ้นไปตลอดกาลเมื่อหลุมดำสลายตัวหมดไป แต่แนวคิดนี้ขัดแย้งกับหลักการทางกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งระบุว่าข้อมูลต่าง ๆ ย่อมไม่มีวันสูญหายไปโดยเด็ดขาด

ADVERTISMENT

ที่ผ่านมานักฟิสิกส์ทฤษฎีได้พยายามใช้คณิตศาสตร์เข้าช่วย เพื่อไขปัญหานี้กันในหลากหลายแนวทาง โดยนักฟิสิกส์ที่ยึดถือในหลักของกลศาสตร์ควอนตัมเชื่อว่า การแผ่รังสีฮอว์คิงซึ่งทำให้หลุมดำค่อย ๆ ระเหยและหดตัวเล็กลงจนหมดสิ้นไปนั้น คือกระบวนการหนึ่งที่สามารถนำข้อมูลซึ่งตกลงไปในหลุมดำก่อนหน้านี้กลับคืนมาได้ โดยข้อมูลอาจถูกเข้ารหัสให้แฝงอยู่ในอนุภาคของรังสีที่แผ่ออกมา ซึ่งอาจไม่ใช่รังสีความร้อนที่นำพาข้อมูลไม่ได้ไปเสียทั้งหมด

ที่ผ่านมานักฟิสิกส์หลายกลุ่มได้พยายามแก้ปัญหาความย้อนแย้งเชิงข้อมูลดังกล่าว แต่ก็หนีไม่พ้นจะต้องหวนกลับไปแก้ไขทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรือไม่ก็ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งก็ไม่อาจทำได้เพราะล้วนเป็นหลักการสำคัญของวงการฟิสิกส์ทั้งคู่

อย่างไรก็ตาม ศาสตราจารย์ซาเวียร์ คาลเมต จากมหาวิทยาลัยซัสเซกซ์ของสหราชอาณาจักร ผู้นำทีมวิจัยที่ตีพิมพ์ผลการศึกษาล่าสุดลงในวารสาร Physics Letter B. ฉบับเดือนมีนาคมปีนี้ รวมทั้งเคยเผยแพร่แนวคิดดังกล่าวครั้งแรกในวารสาร Physical Review Letters เมื่อปีที่แล้ว ได้ออกมาแถลงว่า

“เราค้นพบวิธีแก้ไขความย้อนแย้งเชิงข้อมูลของหลุมดำ โดยไม่ต้องไปปรับเปลี่ยนทฤษฎีหลักทางฟิสิกส์ที่ขัดแย้งกันมานานให้ยุ่งยากเลย”

ศ. คาลเมต อ้างถึงทฤษฎีบท “หลุมดำไร้เส้นผม” (No-hair theorem) ซึ่ง ศ. จอห์น วีลเลอร์ พัฒนาขึ้นจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี 1971 โดยทฤษฎีบทดังกล่าวชี้ว่า หลุมดำทั้งหมดไม่มีอะไรแตกต่างกันในรายละเอียด นอกจากความแตกต่างข้อใหญ่ ๆ ในเรื่องมวล โมเมนตัมเชิงมุม และประจุไฟฟ้าเท่านั้น เปรียบเสมือนกับคนหัวล้านที่ไร้เส้นผมบนศีรษะ ซึ่งทำให้ผู้พบเห็นจากด้านหลังโดยไม่เห็นใบหน้า ไม่สามารถจะจดจำหรือแยกแยะได้ว่าคนหัวล้านผู้หนึ่งแตกต่างจากคนหัวล้านคนอื่น ๆ อย่างไรนั่นเอง

“เราอยากจะเสนอแนวคิดใหม่ที่ขัดแย้งกัน ซึ่งเราตั้งชื่อทฤษฎีบทนี้ว่า ‘หลุมดำมีเส้นผม’ (Yes-hair theorem) เรามองว่าหลุมดำมีความแตกต่างกันอย่างซับซ้อนในรายละเอียดยิบย่อย ซึ่งพบได้ในสิ่งที่เรียกว่าเส้นผมควอนตัมหรือควอนตัมแฮร์ (quantum hair) นั่นเอง” ศ. คาลเมต กล่าว

“แท้ที่จริงแล้วเส้นผมนี้ก็คือร่องรอยจาง ๆ ของข้อมูลที่ไม่ได้สูญหายไปไหน แต่ถูกประทับไว้ในสนามความโน้มถ่วงของหลุมดำ ปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้ โดยหลักการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมจะไม่ขัดแย้งกันเลย”

แนวคิดดังกล่าวชี้ว่า หลุมดำแต่ละแห่งอาจมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวเป็นเส้นผมบาง ๆ หรือ “ขนอ่อน” (soft hair) ที่แตกต่างกันได้ โดยอนุภาคของแสงหรือโฟตอนที่กระจายอยู่โดยรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ จะเก็บรักษาข้อมูลของสารพัดสิ่งที่ตกลงไปภายในหลุมดำเอาไว้ ถือเป็นความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่ทำให้แยกแยะหลุมดำแต่ละแห่งออกจากกันได้ เหมือนกับที่ลักษณะของเส้นผมบนศีรษะช่วยให้เราแยกแยะหรือจดจำบุคคลต่าง ๆ โดยไม่ต้องเห็นหน้าได้

ในงานวิจัยชิ้นล่าสุด ศ. คาลเมตและคณะได้แก้ไขการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของฮอว์คิงเมื่อปี 1976 ในเรื่องการแผ่รังสีของหลุมดำ โดยนำตัวแปรในส่วนของความโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (quantum gravity) เข้ามาคิดคำนวณร่วมด้วย ทำให้พบว่าหลุมดำอาจแผ่รังสีในรูปแบบที่ไม่ใช่ความร้อนได้เช่นกัน ซึ่งจะส่งผลให้รังสีฮอว์คิงสามารถบรรจุและนำพาข้อมูลกลับออกมาจากหลุมดำได้

ข้อมูลที่ไม่สูญหายไปในหลุมดำนี้ สามารถถูกตรวจจับได้โดยผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ภายนอก ซึ่งอาจจะนำข้อมูลดังกล่าวไปวิเคราะห์ถอดรหัส เพื่อให้ทราบถึงเรื่องราวในอดีตของดาวฤกษ์ที่กลายเป็นหลุมดำแห่งนั้นได้ด้วย ตัวอย่างเช่นข้อมูลเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานอย่างโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ที่เป็นองค์ประกอบหลักในอะตอมของดาวเป็นต้น

อย่างไรก็ตาม การที่จะพิสูจน์ว่าทฤษฎีบทใหม่นี้ถูกต้องหรือไม่ ยังคงต้องรอให้มีความก้าวหน้าของวิทยาการสูงกว่าในปัจจุบัน เพื่อที่จะได้พิสูจน์กับหลุมดำของจริงโดยตรง หรืออย่างน้อยก็มีโอกาสตรวจสอบกับหลุมดำจำลองในห้องปฏิบัติการ

อันที่จริงแล้ว ศ. คาลเมตบอกว่า เรายังคงต้องรออีกนาน เพื่อให้มีการพัฒนาทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัมที่สมบูรณ์เสียก่อน จึงจะสามารถนำทฤษฎีดังกล่าวซึ่งอธิบายหลักการฟิสิกส์ยุคใหม่ได้อย่างครอบคลุม มาช่วยไขความกระจ่างในเรื่องนี้ได้อย่างแจ่มแจ้งต่อไป

หมายเหตุ : ข่าว บีบีซีไทย ที่เผยแพร่ในเว็บไซต์ประชาชาติธุรกิจ เป็นความร่วมมือของสององค์กรข่าว