หลุมดำ 5 มิติ สามารถหักล้างทฤษฎีสัมพัทธภาพได้

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ เป็นหนึ่งในการค้นพบสิ่งที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษย์ และกล่าวได้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมเป็นเหมือนรากฐานสำคัญของฟิสิกส์ยุคใหม่

แต่โชคเหมือนไม่เข้าข้าง เมื่อทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมนั้นไปกันคนละทาง เข้ากันไม่ได้ นั่นคือทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้นสามารถอธิบายสิ่งใหญ่ๆ เช่น เอกภพ หลุมดำ กาแล็กซี ดาวฤกษ์ ฯลฯ ได้อย่างลงตัว แต่พอจะอธิบายพฤติกรรมของพวกอนุภาคขนาดเล็กๆ เช่น อะตอม อิเล็กตรอน ควาร์ก ฯลฯ กลับทำไม่ได้ ต้องเปลี่ยนไปใช้กลศาสตร์ควอนตัมแทน นักฟิสิกส์ทุกวันนี้จึงดิ้นรนหาทางรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพเข้ากับกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกัน เชื่อกันว่าหากรวมสำเร็จ มันก็จะเป็น “ทฤษฎีของสรรพสิ่ง” (Theory of Everything) ที่ใช้อธิบายทุกสิ่งในจักรวาลได้ตั้งแต่ขนาดเล็กไปจนใหญ่

ในการสร้างทฤษฏีที่จะรวมเรื่องทั้ง 2 เข้าด้วยกันนั้นก็ต้องเริ่มจากการหาข้อจำกัดว่า ทฤษฏีแต่ละอันมีข้อจำกัดแค่ไหน จากจุดไหนไปมันจะเริ่มผิดพลาด การหาข้อจำกัดนี้จะเริ่มที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปก่อน

ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และควีนแมร์รี่ ได้สร้างแบบจำลองที่น่าสนใจเพื่อทดสอบข้อจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมา และพบว่าทฤษฎีนี้อาจถูกหักล้างลงไปได้จริงๆ แบบจำลองนี้คือหลุมดำ 5 มิติที่สร้างโดยใช้ซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ ทีมงานพบว่าหลุมดำที่จำลองขึ้นมานี้จะค่อยๆพัฒนาเป็นภาวะเอกฐานที่ไร้ขอบฟ้าเหตุการณ์ห่อหุ้ม (naked singularity) ซึ่งขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยสิ้นเชิง   เนื่องจากภาวะเอกฐานในหลุมดำนั้นเป็นสิ่งที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ และจะสามารถคงอยู่ภายในการล้อมกรอบด้วยขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) เท่านั้น ภาวะเอกฐานจะไร้สิ่งห่อหุ้มจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในจักรวาล 4 มิติของเรา หรือกล่าวคือมันไม่มีทางเกิดได้ภายใต้เงื่อนไขของทฤษฎีสัมพัทธภาพนั่นเอง

หลุมดำรูปวงแหวน อาจไม่ใช่สิ่งแปลกใหม่ เพราะนักฟิสิกส์ทฤษฎีได้เสนอแนวคิดนี้ไว้แล้วตั้งแต่ปี 2002 แต่นี้เป็นครั้งแรกที่เราได้ทำการสร้างแบบจำลองของมันขึ้นมาด้วยซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ซึ่งเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก เพราะหากหลุมดำรูปวงแหวน 5 มิติรูปแบบนี้ก่อตัวขึ้นมาจริง มันจะกลายเป็นภาวะเอกฐานที่ไร้ขอบฟ้าเหตุการณ์ห่อหุ้ม ซึ่งนำพาเราไปสู่การหักล้างทฤษฎีสัมพัทธภาพในที่สุด

เรามีสมมุติฐานว่า “ตราบใดที่ภาวะเอกฐานยังคงอยู่หลังขอบฟ้าเหตุการณ์ ก็จะไม่ก่อปัญหาให้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป”  (เรียกสมมติฐานนี้ว่า cosmic censorship conjecture)  ซึ่งสมมติฐานนี้มีไว้เพื่อให้สัมพัทธภาพยังคงเป็นจริงอยู่ได้ในจักรวาล 4 มิติ  แต่คำถามต่อไป ก็คือ ในจักรวาลที่มีมิติสูงกว่านี้ หมายถึงสูงขึ้นไปถึง 11 มิติ เมื่อถึงตอนนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพยังจะใช้การได้อยู่ไหม แล้วถ้าเกิดมันไม่สามารถใช้ได้จริงในมิติที่สูงกว่าเราจะทำอย่างไร เพราะในทฤษฎีควอนตัมหรือทฤษฎีสตริงก็มีการกล่าวถึงมิติที่สูงขึ้นไปกว่า 4 มิติ โดยในการจำลองหลุมดำ 5 มิติ ถือเป็นเพียงแค่การสุ่มตัวอย่างมาจาก 11 มิติที่ว่าเท่านั้น

ที่ทีมงานต้องทำต่อไปคือการศึกษาให้แน่ชัดว่า ขอบเขตข้อจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพสามารถใช้ไปได้ถึงกี่มิติ และหากมันใช้ไม่ได้กับมิติที่มากกว่า 4 แล้ว เราก็ต้องเข้าใจให้ได้ว่า ไอสไตน์ทำไมถึงสร้างทฤษฏีที่ใช้ได้แค่ 4 มิติเท่านั้น ในจักรวาล 4 มิตินี้มันมีอะไรดีๆที่ซ่อนอยู่กันกันแน่

Reference

  1. http://www.iflscience.com/space/breaking-relativity-5d-black-hole?
  2. http://inhabitat.com/this-5d-black-hole-could-change-everything-we-know-about-how-the-universe-works/

 

เรียบเรียงโดย @MrVop