นักฟิสิกส์ประสบความสำเร็จในการทดสอบทฤษฎีของสตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ที่มีอายุยาวนานกว่า 50 ปี โดยอาศัยความก้าวหน้าครั้งสำคัญในวิชาดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave astronomy) ซึ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำที่มีความรุนแรงสูงอย่างผิดปกติในขณะที่คลื่นเคลื่อนที่ผ่านโลก การค้นพบครั้งนี้ได้รับการยืนยันโดยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงด้วยระบบเลเซอร์อินเทอร์เฟอโรเมทรีหรือไลโก (LIGO – Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)
ทฤษฎีพื้นที่หลุมดำ
ในปี ค.ศ. 1971 สตีเฟน ฮอว์คิงได้เสนอทฤษฎีพื้นที่หลุมดำ (black hole area theorem) ซึ่งระบุว่าเมื่อหลุมดำสองแห่งรวมตัวกันขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon – ขอบเขตที่แม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดพ้นจากแรงดึงดูดของหลุมดำได้) ของหลุมดำที่เกิดขึ้นใหม่จะไม่สามารถมีขนาดเล็กกว่าผลรวมของพื้นที่หลุมดำดั้งเดิมทั้งสองได้ ทฤษฎีนี้สอดคล้องกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ (second law of thermodynamics) ที่ระบุว่าเอนโทรปี (entropy) หรือความไม่เป็นระเบียบของวัตถุจะไม่มีวันลดลง
การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลัง
การรวมตัวกันของหลุมดำทำให้เกิดการบิดโค้งของปริภูมิ-เวลา (space-time) ซึ่งก่อให้เกิดการผันผวนเล็กน้อยที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ซึ่งเคลื่อนที่ไปทั่วจักรวาลด้วยความเร็วแสง ในปัจจุบันมีหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง 5 แห่งบนโลกที่ใช้ในการค้นหาคลื่นซึ่งมีขนาดเล็กกว่านิวเคลียสของอะตอมถึง 10,000 เท่า ได้แก่ หอสังเกตการณ์ในสหรัฐอเมริกา 2 แห่งของไลโกและหอสังเกตการณ์เวอร์โก (Virgo) ในอิตาลี คากรา (KAGRA) ในญี่ปุ่น และจีโอ 600 (GEO600) ในเยอรมนี โดยทั้งหมดนี้ดำเนินการโดยความร่วมมือระหว่างประเทศที่เรียกว่า ไลโก-เวอร์โก-คากรา (LIGO-Virgo-KAGRA – LVK)
การชนกันของหลุมดำในครั้งล่าสุดที่ชื่อว่า GW250114 มีลักษณะคล้ายกับการชนกันครั้งแรกที่ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ในปี ค.ศ. 2015 โดยทั้งสองเหตุการณ์เป็นการรวมตัวกันของหลุมดำที่มีมวลระหว่าง 30 ถึง 40 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และเกิดขึ้นห่างจากโลกไปประมาณ 1,300 ล้านปีแสง อย่างไรก็ตาม หอสังเกตการณ์ไลโกที่ได้รับการอัปเกรดมีความไวในการตรวจจับมากกว่าในปี ค.ศ. 2015 ถึงสามเท่า ทำให้สามารถบันทึกคลื่นที่ปล่อยออกมาจากการชนกันในครั้งนี้ได้อย่างละเอียดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน
การยืนยันเชิงประจักษ์และความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้น
ด้วยข้อมูลที่ละเอียดเป็นพิเศษนี้ ทำให้นักวิจัยสามารถตรวจสอบทฤษฎีของฮอว์คิงได้โดยการคำนวณว่าพื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นใหญ่ขึ้นหลังจากที่หลุมดำรวมตัวกัน ลอรา นัตทอลล์ (Laura Nuttall) สมาชิกทีมแอลวีเค (LVK) และนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยพอร์ตสมัธ (University of Portsmouth) สหราชอาณาจักร อธิบายว่า เมื่อหลุมดำชนกันจะเกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่มีเสียงสะท้อนคล้ายกับการตีระฆัง ก่อนหน้านี้ เสียงสะท้อนเหล่านี้จะจางหายไปอย่างรวดเร็วจนไม่สามารถสังเกตได้อย่างชัดเจนเพียงพอที่จะคำนวณพื้นที่ของขอบฟ้าเหตุการณ์ทั้งก่อนและหลังการชนกัน ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทดสอบทฤษฎีของฮอว์คิง
แม้การศึกษาในปี ค.ศ. 2021 จากการชนกันครั้งแรกจะสนับสนุนทฤษฎีนี้ด้วยระดับความเชื่อมั่น 95% แต่การวิจัยใหม่นี้ได้เพิ่มระดับความเชื่อมั่นเป็น 99.999%
เส้นทางสู่วิชาฟิสิกส์เชิงลึก
GW250114 ถือเป็นคลื่นความโน้มถ่วงที่ชัดเจนและทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยตรวจจับได้ การตรวจจับในครั้งนี้ยังทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถยืนยันสมการของรอย เคอร์ (Roy Kerr) นักคณิตศาสตร์จากทศวรรษ 1960 ที่คาดการณ์ว่าหลุมดำสามารถระบุคุณลักษณะได้ด้วยเพียงสองค่า ได้แก่ มวลและการหมุน ซึ่งหมายความว่าหลุมดำสองแห่งที่มีมวลและการหมุนเท่ากันจะเหมือนกันทางคณิตศาสตร์ และข้อมูลจากการสังเกต GW250114 ก็ยืนยันว่าสมการนั้นเป็นจริง
ลอรา นัตทอลล์ กล่าวว่า ข้อมูลล่าสุดแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general relativity) และกลศาสตร์ควอนตัม (quantum mechanics) ยังคงทำงานร่วมกันได้เป็นอย่างดี แต่ในอนาคตอาจจะมีความไม่สอดคล้องกันเกิดขึ้นบ้าง การค้นพบครั้งนี้ปูทางไปสู่การวิจัยใหม่ ๆ เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัม (quantum gravity) ซึ่งเป็นสาขาวิชาที่นักฟิสิกส์หวังที่จะรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและฟิสิกส์ควอนตัมเข้าด้วยกัน
ข้อมูลอ้างอิง: Physical Review Letters
- Gravitational waves finally prove Stephen Hawking’s black hole theorem
