วิดีโอ

สรุป

หลุมดำเป็นสิ่งที่ทรงพลังที่สุดในจักรวาล

ทรงพลังพอที่จะฉีกดาวเคราะห์ทั้งดวงให้เป็นชิ้นๆ เหลือแค่ขนาดเท่ากับอะตอม

แม้ว่านี่จะน่ากลัวมากพอแล้ว

พวกมันยังมีคุณสมบัติที่น่ากลัวและลึกลับยิ่งกว่านี้

พวกมันอาจจะ"ลบจักรวาลหายไปได้เลย"

[เพลง]

หลุมดำพิศวง

หลุมดำนั้นเกิดขึ้นเมื่อมีสสารถูกอัดแน่นรวมกันอยู่ในจุดๆ เดียว

ณ จุดศูนย์กลางของมันนั้น แรงโน้มถ่วงของมันแทบจะมีค่าเป็นอนันต์

และไม่ว่าอะไรก็ตามที่เข้าไปไกล้มัน สิ่งนั้นจะถูกฉีกเป็นชิ้นๆ จนกลายเป็นแค่อนุภาคพื้นฐาน

ซึ่งแม้แต่แสงยังหนีไม่พ้น และนั่นทำให้เราเห็นมันเป็นทรงกลมสีดำขนาดใหญ่

แต่ถ้าคุณตกลงไปในหลุมดำ จะยังไม่มีอะไรเกิดขึ้นจนกว่า คุณจะข้ามเขตแดนนอกสุดของมันที่เรียกว่า “Event horizon”

คุณสามารถนึกภาพดูได้ว่า เหมือนกับการว่ายน้ำในแม่น้ำ แล้วคุณก็ตกลงไปที่น้ำตกยักษ์ตอนท้าย

เมื่อคุณลอยในแม่น้ำ กระแสน้ำก็เริ่มเชี่ยวกรากขึ้นเรื่อยๆ ต่อให้คุณยังมองไม่เห็นน้ำตกเลยก็ตาม

ถึงคุณจะว่ายน้ำได้อย่างปลอดภัย แต่คุณก็ว่ายเข้าใกล้จุดอันตรายมากขึ้นจนกระทั่งคุณเลยจุดนั้นไปโดยที่คุณไม่รู้ตัว

เมื่อถึงจุดนั้นแล้ว ต่อให้คุณพยายามว่ายน้ำกลับให้เร็วแค่ไหน กระแสน้ำก็จะลากคุณไปสู่ความตายที่ก้นเหว

เช่นกันกับน้ำตก ไม่มีอะไรที่จะหนีจากหลุมดำไปได้ เมื่อได้เข้าเขตไปแล้ว

เขตแดนนี้แหละที่แยกหลุมดำ ออกจากส่วนอื่นของเอกภพโดยสิ้นเชิง….

เราไม่สามารถเข้าไปได้ ยกเว้นแต่ เราจะยอมว่าแล้วว่า ออกมาไม่ได้แล้ว

ดังนั้นเราจึงไม่มีวิธีที่สามารถ จะบอกว่าเกิดอะไรขึ้นกันแน่ในหลุมดำ

แต่เรายังพอรู้ว่าเกิดอะไรขึ้นที่ขอบของพวกมัน

หลุมดำสลายมวลมวลของพวกมันออกมา

เหมือนหม้อร้อนๆ บนเตาแก๊สที่เสียน้ำออกไปเป็นไอน้ำ

สิ่งนี้นี่เองที่ถูกเรียกว่า"Hawking radiation" หรือ การแผ่รังสีของฮอว์คิง

หลุมดำนั้นสูญเสียมวลทีละน้อยมากๆ แต่ตลอดเวลา

เป็นกระบวนการที่ช้าอย่างไม่น่าเชื่อ

สำหรับหลุมดำที่มีมวลเท่าดวงอาทิตย์ของเรานั้นมันจะใช้เวลา

1หมื่นล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านล้านปี(นับผิดขออภัย)

เพื่อสูญเสียมวลไป 0.0000001% ของมวลของมัน

นี่จะเกิดขึ้นตลอดต่อเนื่องและไม่มีหยุด ดำเนินต่อไป

โดยเพิ่มอัตราเร็วขึ้นมากขึ้น มากขึ้น

ในอนาคตอันยาวไกล เมื่อดาวดวงสุดท้ายในจักรวาลได้ตายลงในหลายพันล้านปีข้างหน้า

หลุมดำจะเล็กลง เล็กลง จน มันหายไป

เหลือไว้เพียงกัมมันตรังสีเพียงเล็กน้อย

แต่นี่เป็นปัญหา

เพราะในกระบวนการหายไปของหลุมดำ

มันอาจลบพื้นฐานบางสิ่งไป นั่นคือ ข้อมูล

อะไรคือข้อมูล?

ข้อมูลนี้เป็นนามธรรม

มันถูกเข้าใจโดยทั่วไปว่าคือ

คุณสมบัติการจัดเรียงตัวของอนุภาค มันแปลว่าอะไรกัน?

ให้นึกภาพกลุ่มอะตอมคาร์บอน

ถ้าจัดเรียงพวกมันในแบบหนึ่ง จะได้ถ่าน

จัดเรียงมันอีกแบบหนึ่ง จะได้เพชร

ทั้งที่อะตอมเหมือนกัน ข้อมูลการจัดเรียงตะหากที่ต่างไป

ถ้าเราทำให้มันซับซ้อนขึ้นไปอีก และใส่อะตอมอื่นๆ อีกหน่อย เราจะได้กล้วย

เปลี่ยนแปลงการจัดเรียงอะตอมอีกแบบ

คราวนี้ได้กระรอก

หน่วยพื้นฐานของทุกสิ่งในจักรวาลนั้นเหมือนกัน

และมันไม่ได้สนใจว่า

มันจะเป็นส่วนหนึ่งของก้อนหินหรือแก้วกาแฟ

โดยปราศจากข้อมูลการจัดเรียงตัวนี้

ทุกสิ่งในจักรวาลจะเหมือนกันหมด

ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมบอกไว้ว่า ข้อมูลทำลายไม่ได้

มันอาจจะเปลี่ยนรูป

แต่ไม่มีทางสูญหายไป ยกตัวอย่าง ถ้าคุณเผากระดาษ คุณจะได้ขี้เถ้า

แต่ขึ้เถ้าจะไม่กลายเป็นกระดาษอีก

แต่ถ้าหากสามารถเก็บอะตอมคาร์บอนจากถ่านไว้ได้ทั้งหมด

และวัดคุณสมบัติของควันและ ความร้อนจากการเผาไหม้ได้เป๊ะๆ แล้วล่ะก็

ในทางทฤษฎีนั้น คุณสามารถฟื้นคืนชีพกระดาษขึ้นมาได้

ข้อมูลการเป็นกระดาษนี้ยังคงอยู่ในจักรวาล

ไม่สูญหายไป มันแค่อาจจะยากสักหน่อยที่จะได้ข้อมูลกลับมา

ถ้าคุณสามารถวัดทุกอะตอม อณุภาค และ

คลื่นการแผ่รังสีเอาไว้ได้ทุกๆ อย่างในจักรวาล

คุณสามารถเห็นและติดตามทุกๆ บิตของข้อมูลนั้น

ในทางทฤษฎี คุณสามารถเห็นประวัติศาสตร์ทั้งจักรวาล

ย้อนหลังไปถึงบิ๊กแบงโน่นเลย

และนี่แหละ หลุมดำทำให้เราย้อนประวัติศาสตร์

ข้อมูลบอกเราว่าสิ่งต่างๆ แตกต่างกันอย่างไร และอะไรเคยเป็นอะไร

ส่วนหลุมดำทำตรงกันข้าม

มันเอาสิ่งที่แตกต่างกันมาทำให้เป็นเหมือนกัน

มันทำลายข้อมูลทิ้งไป

นี่ทำให้เกิดการขัดแย้งข้อมูล

และทำให้เกิดปัญหาร้ายแรง

การขัดแย้งข้อมูล (information paradox)

มันเป็นพื้นฐานสำหรับกฏสี่ข้อทางฟิสิกส์ของเรา ที่ข้อมูลจะไม่สูญหาย

การมีอยู่ การไม่มีอยู่

เมื่อไม่มีข้อมูล ทุกสิ่งสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกันไปหมด

เพื่อให้สมองเราเข้าใจได้ง่าย

เราต้องการสิ่งที่แน่นอนสัมบูรณ์

เราจะแก้การขัดแย้งนี้ได้อย่างไร?

มีทางเป็นไปได้อยู่บ้าง

1. ข้อมูลสูญหาย

กลับคืนมาไม่ได้และตลอดกาล

นี่หมายถึงเราต้องโยนกฏทางฟิสิกส์ของเรา

ที่ใช้อธิบายสิ่งต่างๆไว้ได้ดี นี่ต้องเริ่มใหม่กันเลย

กฏใหม่ทางฟิสิกส์หน้าตาเป็นยังไง

หรือมีความหมายอย่างไร ไม่มีใครรู้

นี่ชักเริ่มขวัญหนีดีฝ่อ และก็ยังน่าตื่นเต้น

2. ข้อมูลถูกซ่อนไว้

บางที บางส่วนของหลุมดำแยกตัวออกมา กลายเป็นจักรวาลน้อยๆ

ข้อมูลอาจจะถ่ายสู่สถานที่แปลกๆนี้

เป็นสถานที่ที่ไม่สามารถเฝ้าสังเกตการณ์ หรือมีปฏิสัมพันธ์กับมันได้

แต่ในทางเทคนิคแล้ว มันไม่ได้สูญหาย

มันเหมือนกับเรามีฮาร์ดดิสก์เสียที่เก็บรูปครอบครัวเอาไว้ ก็แค่เปิดดูรูปไม่ได้อีกนั่นเอง

แน่ล่ะ มันดีจังที่ไม่ได้โดนลบทิ้ง แต่ก็เปิดดูไม่ได้อ่ะนะ - -"

หรือ บางที หลุมดำอาจจะไม่ได้หายไป หลังจากจบรอบชีวิตของมัน

แต่มีหนึ่งชิ้นเล็กๆ ทิ้งเอาไว้ คือ อัญมณีข้อมูล

ดังเช่น รถตัวตลกที่เต็มไปด้วย

ข้อมูลของตัวตลกแบบนับไม่ถ้วน

แต่มีแบบที่สาม

3. ข้อมูลยังอยู่ดี ไม่หาย หรือไม่ถูกซ่อนไว้

บางที เราอาจจะมองมันผิดไปหมดเลยก็ได้

เรารู้ว่า หลุมดำดักข้อมูลไว้ และอาจจะลบมันทิ้งต่อไป

แต่เราไม่เคยคิดว่า มันจะทำอะไรในระหว่างช่วงเวลานั้น

หลุมดำเก็บข้อมูลที่ไหน?

การเก็บกวาดคอสมิค

มาจำลองหลุมดำว่าบรรจุด้วยตะกร้าที่มีผ้าเต็มมากมาย

อันดับแรก เราเติมตะกร้าผ้าเข้าไปในห้อง

ยิ่งต้องการเก็บตะกร้าผ้าไว้มากเท่าไหร่ คุณก็ใส่มันลงไปในห้องเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

แต่ถึงจุดหนึ่ง ตระกร้าที่มีผ้าเต็มก็เต็มพื้นที่

แม้แต่ถุงเท้าข้างหนึ่งจะสอดเอาไว้ในห้องอีกยังลำบาก

ห้องจุเต็มพิกัดแล้ว

แต่ถ้าเรายัดถึงเท้าโดยใช้แรงและพลังงานมากๆ ห้องจะยุบลงในตัวมันเอง

และกลายเป็นหลุมดำ

แต่ความจุของห้องเองนั้นไม่ได้เปลี่ยนแปลง

การใส่ของหรือข้อมูลเข้าไปยังคงเป็นไปไม่ได้

แล้วจะเกิดอะไรขึ้นถ้าใส่ผ้าเข้าไปอีก

ตัวห้องเองจะใหญ่ขึ้นเล็กน้อยเพื่อให้พื้นที่แก่ข้อมูลใหม่

กลายเป็นว่า หลุมดำเพิ่มพื้นที่ผิวมันได้

โดยเพิ่มพิกเซลเล็กๆสำหรับแต่ละบิตของข้อมูลที่โยนใส่เข้าไป

ในที่นี้ ใส่ข้อมูลมากขึ้นแปลว่าพื้นที่ผิวเพิ่มมากขึ้น

ข้อมูลที่ใส่เพิ่มแปะไว้ที่พื้นผิว เหมือนดังเช่น สิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อเราโยนก้อนหินลงสระ

หลังจากก้อนหินจม เราไม่เห็นมันอีกแล้ว

แต่เราสามารถบอกได้ว่ามีบางสิ่งตกลงไป จากการกระเพื่อมที่ผิวน้ำ

แม้หลุมดำที่เล็กที่สุดก็ยังเก็บข้อมูลไว้ที่ผิวมันได้มากกว่าข้อมูลทั้งหมดที่มนุษย์สร้างขึ้น

ตลอดทั้งประวัติศาสตร์เลย

มันทำได้โดยเก็บข้อมูลในรูปแบบของพิกเซล ที่เล็กมากอย่างเหลือเชื่อ

หลุมดำเป็นฮาร์ดดิสก์ชนิดอย่างเทพ

นี่เหมือนกับ แทนที่หนังสือด้วย อีบุค

สองสิ่งที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง

แต่เนื้อหาเหมือนเดิม

มันแค่เก็บไว้ในรูปแบบที่แตกต่างกัน

หลุมดำกลืนกินดวงดาวต่างๆ ก็เหมือนกับ

เปลี่ยนทั้งห้องสมุดเป็น เครื่องอ่านอีบุค

ทางออกนี้ถูกเรียกว่า หลักการโฮโลกราฟฟิก

ถ้าหากสิ่งนี้ถูกต้องล่ะก็

งั้นทุกสิ่งที่เรารู้มาเกี่ยวกับจักรวาลนั้นก็ผิด

จักรวาลเป็นโฮโลแกรม

ถ้าข้อมูลถูกเก็บไว้ที่ขอบของหลุมดำจริง

การแผ่รังสีของฮอว์คิง ก็มีโอกาสเรียนรู้เกี่ยวกับข้อมูล

ที่เข้ารหัสไว้ที่นั่น

และสามารถพกติดตัวไปได้

ดังนั้น ข้อมูลไม่สูญหายเมื่อหลุมดำลบเลือนไป

และเราไม่จำเป็นต้องทำกฏฟิสิกส์ใหม่

การขัดแย้งข้อมูลถูกแก้ปัญหาแล้ว

แต่เรายังต้องเปลี่ยนความเข้าใจของเรา

ต่อความจริงในทางพื้นฐาน

ถ้าทุกสิ่งที่เข้าไปในหลุมดำถูกเก็บไว้ที่ event horizon

นั่นหมายถึง สิ่งของสามมิติเข้ารหัสเป็นของบนผิวสองมิติ

เราเรียกมันว่า โฮโลแกรม

โฮโลแกรม เป็นเหมือน รูป 3 มิติ ชิ้นส่วนพลาสติกสองมิติที่เข้ารหัสภาพสามมิติ

หลุมดำเป็นเหมือนโฮโลแกรม เพราะทุกสิ่งข้างในมัน

ถูกเข้ารหัสไว้ที่ event horizon ของมัน

คนที่อยู่ในหลุมดำจะประสบกับ ชีวิตสามมิติเช่นเคย

แต่พวกเราที่อยู่นอกหลุมดำ

พวกเขาข้างใน เป็นรูปแบนๆบนผิวหลุมดำ

ผลของสิ่งนี้มันช่างขัดแย้งกับสัญชาตญาณ (counterintuitive)

แต่ฟังเราอธิบายต่อ

หลุมดำนั่นเป็นวัดถุที่แปลกยิ่งยวด แต่มันก็อยู่บนกฏเหมือนสิ่งอื่น

ดังนั้น ถ้า ภาวะคู่ระหว่าง 2d และ 3d มันใช้ได้สำหรับหลุมดำแล้ว

นี่อาจจะใช้ได้สำหรับทั้งจักรวาล

ที่รวมถึงคุณอยู่ในนั้นก็ได้

เนื่องจากคนที่อยู่ข้างในหลุมดำจะไม่รู้ว่า พวกเขาถูกเข้ารหัสบนพื้นผิวอยู่

เราอาจจะร่วมชะตากรรมเดียวกัน

คุณอาจจะแปะอยู่บนผิวที่ขอบจักรวาลก็ได้นะ

วิทยาศาสตร์เบื้องหลังสิ่งนี้นั้นซับซ้อน

และประหลาดมาก พยายามอธิบายด้วย โมเดลจักรวาล ทฤษฎีสตริง และคณิตศาสตร์

เราจะพูดถึงมันในวีดีโออื่นๆ ถัดไป

ถ้าไม่พูดถึงว่าจักรวาลมีธรรมชาติแท้จริงเป็นอย่างไร

เราแค่ได้รู้เพียงว่ามันแปลกและซับซ้อน

และเราต้องอธิบายด้วยฟิสิกส์อีกมากมาย จนกว่าจะเข้าใจมันทั้งหมด

แต่หลุมดำอาจจะเป็นกุญแจสู่ความเข้าใจ

ธรรมชาติของความเป็นจริงด้วยตัวมันเอง

คำบรรยายไทยโดย ธนสิน เฉลิมชาติ & ytuaeb sciencemath