นักวิจัยอิสราเอลทดลองสร้างหลุมดำเสมือนผลสอดคล้องกับทฤษฎีแผ่รังสี Hawking

ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีอิสราเอลได้ตีพิมพ์ผ่านวารสาร Nature เกี่ยวกับผลการทดลองเทียบเคียง เพื่อเป็นการทดสอบเทียบเคียงทฤษฎีการแผ่รังสีของ Hawking

Stephen hawking เป็นนักฟิสิกส์คนหนึ่งที่หลายคนรู้จักจากภาพลักษณ์ผู้ชายที่มีภาวะกล้ามเนื้ออ่อนแรงและนั่งอยู่บนรถเข็นเกือบตลอดเวลา

หนึ่งในทฤษฎีชื่อดังของเขาก็คือ การอธิบายว่าหลุมดำสามารถปลดปล่อยคู่อนุภาคออกมาได้ ซึ่งขัดกับความเชื่อเดิมที่ว่า

ไม่มีสสารใดหลุดออกจากแรงดึงดูดอันมหาศาลของหลุมดำได้

การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking Radiation)

การหนีของอนุภาคจากหลุมดำถูกเรียกว่า “การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking Radiation)” ซึ่งทฤษฎีของเขาทำนายไว้ว่าการแผ่รังสีออกจากหลุมดำจะอยู่ในรูปความร้อน (Thermal) และขึ้นอยู่กับขนาดของหลุมดำอีกทอดหนึ่ง

ทฤษฎีนี้ทำให้นักฟิสิกส์มองหลุมดำเปลี่ยนไป แสดงว่าหลุมดำสามารถสูญเสียพลังงานและอาจมีขนาดเล็กลงจนหายไปในที่สุดเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “การระเหยของหลุมดำ (Black hole evaporation)”

ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กหรือมักเรียกว่า “หลุมดำจิ๋ว” จะมีอัตราการปล่อยรังสีมากกว่าและระเหยเร็วกว่าหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ แอดมินขอให้ผู้อ่านจินตนาการขณะที่ลูกโป่งถูกปล่อยลมจะสังเกตว่าตอนลูกโป่งมีขนาดเล็กจะมีอัตราการปล่อยลมอย่างรวดเร็ว ฟึ่บบบ!

แต่ทฤษฎีนี้ค่อนข้างพิสูจน์ได้ยาก เพราะธรรมชาติของหลุมดำ – รังสีใด ๆ ที่ถูกปลดปล่อยออกมาค่อนข้างเบาบางและยากต่อการสังเกตโดยตรงหรือตรวจจับด้วยเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน

ประดิษฐ์หลุมดำ Analog

เพื่อแก้ปัญหาการสังเกตหรือศึกษาหลุมดำในธรรมชาติโดยตรง นักวิจัยจึงอาศัยการเทียบเคียงจากการทดลองโดยสร้างหลุมดำ analog ในห้องแลป (ประมาณว่าหลุมดำเสมือนครับ แต่ไม่ได้มีแรงโน้มถ่วงเหมือนกับในธรรมชาติ ไม่ต้องกังวล)

นักวิจัยได้ดีไซน์ตัวดูดซับเสียงซึ่งเทียบเคียงได้กับหลุมดำ และใช้คู่เสียง phonons ซึ่งเป็นแนวคิดในการกำหนดให้คลื่นเสียงมีลักษณะเหมือนอนุภาค โดย phonons จะทำหน้าที่เป็นเหมือนนักแสดงที่ได้รับบทบาทเป็นอนุภาคที่อยู่ในหลุมดำจริง

ตัวดูดซับ Phonos ดังกล่าว สร้างได้โดยการทำให้อะตอมของ Rubidium ค่อย ๆ เย็นลงจนอยู่ในสภาวะ Bose-Einstein condensate หรือเย็นอย่างยิ่งยวดด้วยเลเซอร์ (ระดมยิ่งเป็นห้วง ๆ ในอะตอม Rubidium) ในสภาวะนั้นอะตอมจะไหลเวียนลักษณะคล้ายหลุมดำจริงที่ไม่ยอมให้สสารหลุดออกไปโดยง่าย

เมื่อนักแสดงพร้อมแล้วนักวิจัยก็เริ่มชมการแสดง

ที่สภาวะนี้เสียงก็ไม่สามารถหนีออกจากสภาวะ bose-einstein condensate ได้ นักวิจัยพบว่า phonon ติดอยู่ในกับดักของอะตอมรูบิเดียมได้ และขณะเดียวกันคู่ของมัน หรือ phonon อีกตัวสามารถหลุดออกจากอะตอมของ Rubidium ได้

เมื่อนักวิจัยวัดระดับความร้อนจากการแยกกันของ phonons พบว่ามีอุณหภูมิประมาณ 0.000000000035 พันล้านเคลวินที่ถูกปลดปล่อยออกจากอะตอม Rubidium จากการทดลองดังกล่าวจึงมีความสอดคล้องและใกล้เคียงกับทฤษฎีการแผ่รังสี Hawking เป็นอย่างมาก โดยทีมต่างลงความเห็นว่าการแผ่พลังงานออกจากอะตอมรูบิเดียมก็อยู่ในรูปของความร้อน (Thermal) เช่นกัน

ท้ายที่สุดนี้นักวิจัยย้ำว่าการทดลองดังกล่าวไม่ได้ต้องการจะพิสูจน์ทฤษฎีของ hawking อย่างร้อยเปอร์เซ็นต์ เพียงแต่การทดลองนี้อาจเป็นวิธีหนึ่งในการพัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถตรวจจับการแผ่รังสีจากหลุมดำของจริงได้ในอนาคต (Real Black Hole) และอย่างน้อยการทดลองดังกล่าวก็ดูทำให้ทฤษฎีการแผ่รังสี Hawking มีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้น

Sources:
[1]. Thermal analog black hole agrees with Hawking radiation theory, phys.org, 2019
[2]. Hawking radiation., wikipedia, 2019