หลุมดำ (Black hole) แท้จริงแล้วไม่ได้เป็นหลุมอย่างชื่อ แต่เป็นอาณาบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมากๆ จนดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างรวมทั้งดวงดาวเข้าสู่ศูนย์กลางของอาณาบริเวณนั้น คล้ายกับสิ่งของถูกสูบลงในหลุมใหญ่ แม้กระทั่งแสงซึ่งเป็นสิ่งที่เดินทางได้เร็วที่สุดในจักรว
หลากหลายคำถามเกี่ยวกับ "หลุมดำ" | ||||||
คำถาม เน้นความจำ หลุมดำคืออะไร ? กิจกรรมนักเรียน ให้นักเรียนศึกษาเนื้อหาแล้วดึงประสบการณ์เดิมเพื่อช่วยความจำได้ดียิ่งขึ้น หลุมดำ (Black hole) แท้จริงแล้วไม่ได้เป็นหลุมอย่างชื่อ แต่เป็นอาณาบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมากๆ จนดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างรวมทั้งดวงดาวเข้าสู่ศูนย์กลางของอาณาบริเวณนั้น คล้ายกับสิ่งของถูกสูบลงในหลุมใหญ่ แม้กระทั่งแสงซึ่งเป็นสิ่งที่เดินทางได้เร็วที่สุดในจักรวาลก็ยังไม่สามารถหนีพ้นแรงโน้มถ่วงนี้ออกมาได้ และเมื่อไม่มีแสงส่งออกมาถึงตาเรา อาณาบริเวณดังกล่าวจึงไม่สามารถมองเห็นได้ หรือเห็นเป็นเพียงอาณาบริเวณสีดำๆ ทำให้เราเรียกกันว่าหลุมดำนั่นเอง คำถาม เน้นกระบวนการคิด หลุมดำเกิดขึ้นได้อย่างไร ? กิจกรรมนักเรียน ให้นักเรียนศึกษาเนื้อหา และภาพประกอบ เพื่อสรุปเป็นองค์ความรู้ด้วยตนเอง หลุมดำมีอยู่ 4 ชนิดด้วยกัน คือ
คำถาม นักเรียนคิดว่าหลุมดำดึงดูดสิ่งต่างๆ ได้อย่างไร ? ในปี ค.ศ.1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้เสนอ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ซึ่งเขาได้อธิบายถึงเรื่องความโค้งของอวกาศว่าเป็นเหมือนแผ่นผ้าใบที่ขึงตึงทั้ง 4 ด้าน ถ้าเรากลิ้งลูกหินบนผืนผ้าใบนี้ มันย่อมวิ่งเป็นเส้นตรงเนื่องจากแผ่นผ้าใบนั้นเรียบ แต่ถ้าเราวางตุ้มน้ำหนักลงกลางแผ่นผ้าใบ น้ำหนักของตุ้มน้ำหนักจะทำให้ตรงกลางผ้าใบบุ๋มลงไป ในตอนนี้ถ้าเรากลิ้งลูกหินบนผ้าผืนใบ ทิศทางการกลิ้งของลูกหินย่อมได้รับผลกระทบจากความโค้งของผืนผ้าใบ คือกลิ้งไปสู่ตรงกลางผืนผ้าใบที่บุ๋มลงไป ซึ่งอวกาศก็มีลักษณะเดียวกัน กล่าวคือ แรงโน้มถ่วงของดวงดาวเปรียบได้กับความโค้งของอวกาศรอบๆ ดาวดวงนั้น ยิ่งดาวที่มีมวลมาก แรงโน้มถ่วงจะมาก ความโค้งของอวกาศก็จะมาก หรือบุ๋มลงไปลึก มันจึงมีแรงดูดสิ่งที่อยู่รอบๆ ให้ลงไปสู่ส่วนที่บุ๋มได้มาก นี่ก็คือลักษณะการทำงานของหลุมดำนั่นเอง ไอน์สไตน์ได้เขียนคำอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงของอวกาศนี้ออกมาเป็นสูตรที่เรียกกันว่า สมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein’s Field Equation) โดยผู้ที่สามารถหาคำตอบแรกของสมการนี้ได้ คือ คาร์ล ชวาร์ซไชลด์ (Karl Schwarzschild) ซึ่งเขาได้พิจารณาถึงความโค้งของอวกาศรอบๆ ดาวที่มีรูปทรงกลมสมบูรณ์และไม่หมุนรอบตัวเอง แล้วพบว่าเมื่อดาวดวงนี้หดตัวจนถึงภาวะเอกฐาน (Singularity) กลายเป็นหลุมดำ จะมีระยะห่างค่าหนึ่งที่วัดจากจุดศูนย์กลางของหลุมดำออกไปทุกทิศทางเป็นระยะทำการของหลุมดำ คือเป็นระยะที่หลุมดำสามารถดูดสิ่งต่างๆ ในอาณาเขตนี้เข้ามาในหลุมดำได้ เรียกกันว่า รัศมีของชวาร์ซไชลด์ (Schwarzschild radius) หรือ ขอบเขตแห่งเหตุการณ์ (Event horizon) แต่หากพ้นจากอาณาเขตนี้ไปแล้วแรงดึงดูดของหลุมดำก็ไม่มีผลใด สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลประมาณ 10 เท่าของดวงอาทิตย์ จะมีรัศมีชวาร์ซไชลด์ประมาณ 30 กิโลเมตร คำถาม ที่เน้นการคิดวิเคราะห์ : เมื่อมองไม่เห็นแล้วรู้ได้อย่างไรว่าหลุมดำอยู่ตรงไหน ? อย่างที่กล่าวไปแล้วว่าภายในหลุมดำนั้นแม้แต่แสงก็ยังผ่านออกมาไม่ได้ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นภาพของหลุมดำได้ นอกจากเห็นเป็นเพียงความมืดดำที่ว่างเปล่า ถ้าเช่นนั้นนักดาราศาสตร์ใช้วิธีการใดจึงทราบว่าหลุมดำอยู่ตรงตำแหน่งไหน วิธีการหาตำแหน่งของหลุมดำก็คือ เฝ้าสังเกตการโคจรของดวงดาว โดยเฉพาะดาวใน ระบบดาวคู่ (Binary Star) ซึ่งเป็นดาวขนาดใหญ่ 2 ดวง ที่ส่งแรงดึงดูดต่อกันจนโคจรรอบกัน เมื่อมีดาวดวงหนึ่งยุบตัวลงจนกลายเป็นหลุมดำ หากดาวอีกดวงไม่อยู่ในรัศมีของชวาร์ซไชลด์ ก็จะไม่ถูกดูดเข้าไป แต่ก็ยังคงโคจรรอบหลุมดำอยู่เช่นเดิม ทำให้เราเห็นดาวดวงที่เหลือนี้เหมือนกำลังโคจรรอบอะไรบางอย่างทั้งที่เห็นเพียงความว่างเปล่า จึงสันนิษฐานได้ว่ามันกำลังโคจรรอบหลุมดำอยู่ ในบางกรณีหลุมดำอาจจะดูดกลุ่มก๊าซหรืออนุภาคที่อยู่รอบๆ ให้หมุนจนกลายเป็น ปรากฏการณ์จานรวมมวล (Accretion Disc)และเมื่อดึงดูดจนเข้าสู่รัศมีของชวาร์ซไชลด์ก็จะกลืนจานรวมมวลนี้หายไป กลุ่มก๊าซหรืออนุภาคที่ถูกดึงดูดด้วยแรงมหาศาลขณะเข้าสู่รัศมีของชวาร์ซไชลด์จะมีความร้อนสูงและสามารถแผ่ รังสีเอ็กซ์ (X-ray) ได้ ซึ่งนักดาราศาสตร์สามารถตรวจวัดรังสีเอ็กซ์ของกลุ่มก๊าซและอนุภาคนี้จนรู้ตำแหน่งที่มันถูกดูดหายไป ซึ่งก็คือตำแหน่งของหลุมดำได้หรืออีกวิธีหนึ่งคืออาศัย ปรากฎการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational lens) ซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีที่ว่าแรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงเส้นทางเดินของแสงได้ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลต่ออนุภาคทุกชนิดที่มีมวลหรือพลังงาน ถึงแม้ว่าแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่มีมวลแต่มันก็มีพลังงาน นักดาราศาสตร์จึงตรวจวัดแสงที่มาจากดวงดาวที่อยู่ไกลๆ แล้วสังเกตการโคจรของแสง ถ้าระหว่างดาวดวงนั้นกับโลกมีหลุมดำอยู่ แสงส่วนหนึ่งจากดาวดวงนั้นจะเดินทางตรงเข้าสู่สายตาเราที่อยู่บนโลก แต่แสงอีกส่วนหนึ่จะถูกดึงดูดให้เปลี่ยนทิศทางไปใกล้หลุมดำแล้วค่อยเข้าสู่สายตาเราคนละเส้นทางกับแสงกลุ่มแรก เราจึงเหมือนกับเห็นดาวดวงเดียวกันแต่มีถึง 2 ตำแหน่ง ทำให้สันนิษฐานได้ว่าเส้นทางระหว่างดาวดวงนี้กับโลกมีหลุมดำขวางอยู่ คำถาม ที่เน้นการประเมินสรุป : ดวงอาทิตย์จะกลายเป็นหลุมดำได้หรือไม่ ? ทราบกันดีแล้วว่าดวงอาทิตย์ก็เป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง ดังนั้นจึงเกิดคำถามว่าเมื่อดวงอาทิตย์ตายลงจะกลายเป็นหลุมดำหรือไม่ คำตอบถือ ไม่ เนื่องจากดวงอาทิตย์แม้จะเป็นดาวดวงใหญ่เมื่อเทียบกับโลก แต่ก็ยังเป็นดาวดวงเล็กไปสำหรับการกลายเป็นหลุมดำ จากการคำนวณพบว่ารัศมีชวาร์ซไชลด์ของดวงอาทิตย์ในปัจจุบันนั้นมีขนาดเพียง 2.9 กิโลเมตร ในขณะที่รัศมีของดวงอาทิตย์ยาวถึงเกือบ 7 แสนกิโลเมตร ดังนั้นดวงอาทิตย์จึงไม่มีคุณสมบัติของหลุมดำ เมื่อมันตายลงมันจะหดตัวแล้วกลายเป็นเพียงดาวแคระขาวแทน แต่นั่นก็ต้องรอไปอีกหลายพันล้านปีกว่าที่ดวงอาทิตย์จะตายลง คำถาม ที่เน้นการนำไปใช้แก้ปัญหา : มนุษย์สร้างหลุมดำขึ้นเองได้หรือไม่ ? คงเป็นไปไม่ได้ที่มนุษย์จะสร้างหลุมดำชนิดที่ 1 - 3 เพราะหากสามารถสร้างได้จริง มนุษย์รวมทั้งโลกและดวงดาวอื่นๆ แม้แต่ดวงอาทิตย์ก็จะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำนั้นจนหมดสิ้น แต่สำหรับหลุมชนิดที่ 4 ซึ่งเป็นหลุมดำขนาดจิ๋ว (Mini black holes) มีขนาดเล็กมากจนมนุษย์อาจจะจำลองขึ้นมาได้ และกำลังมีความพยายามทำอยู่โดย องค์กรความร่วมมือระหว่างประเทศในทวีปยุโรปเพื่อวิจัยและพัฒนาทางด้านนิวเคลียร์ (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) หรือ เซิร์น (CERN) ซึ่งมีชาติในยุโรปเป็นสมาชิกในปัจจุบันถึง 20 ชาติ และมีสำนักงานใหญ่อยู่ที่กรุงเจนีวา ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ เซิร์นได้ติดตั้ง เครื่องเร่งความเร็วอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider : LHC) ขึ้นภายในอุโมงค์ใต้ดินรูปวงแหวนขนาดเส้นรอบวง 27 กิโลเมตร ใต้พื้นดินของประเทศฝรั่งเศสและสวิตเซอร์แลนด์ เพื่อจำลองการเกิด Big Bang ด้วยการยิง โปรตอน 2 ตัว ให้เครื่องแอลเอชซีเร่งลำอนุภาคของโปรตอนทั้ง 2 ลำให้เคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามไปตามท่อที่วางขนานกันภายใต้ภาวะสุญญากาศ แล้วชนกันที่ความเร็ว 99.9999% ของความเร็วแสง ที่พลังงานสูงระดับล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (1012 eV) เปรียบได้กับการเกิด Big Bang เมื่อครั้งกำเนิดจักรวาล แต่เป็น Big Bang ขนาดเล็กมากจากอนุภาคโปรตอนเพียง 2 ตัว ซึ่งมีมวลน้อยเกินกว่าจะเป็น มวลวิกฤต (Critical mass) ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ หรือการชนกันอย่างต่อเนื่องแบบหลักการของระเบิดนิวเคลียร์เมื่อโปรตอนทั้ง 2 ตัวชนแล้วจะสลายตัวไปภายในเสี้ยววินาที แต่ในช่วงเวลานั้นก็จะถูกบันทึกโดยอุปกรณ์พิเศษแล้วนำข้อมูลมาวิเคราะห์ศึกษาถึงสภาพก่อนชน ในขณะที่ชน และหลังชน เพื่อไขความลับหลายๆ อย่างของจักรวาล เช่น จักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร ขั้นสรุป ให้นักเรียนคาดหวังว่าในธรรมชาติเป็นสิ่งที่นักเรียนจะต้องสนใจอย่างสม่ำเสมอจะทราบความเป็นจริงของธรรมชาติได้มากน้อยอย่างไร ( สรุปเป็นแนวคิดของนักเรียนเอง) | ||||||
|