หลุมดำเป็นหนึ่งในสถานที่ลึกลับที่สุดในจักรวาล สถานที่ที่มีโครงสร้างของพื้นที่และเวลาที่บิดเบี้ยวมากจนไม่สามารถแม้แต่แสงจะหนีจากพวกมันได้ ตามทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ที่ใจกลางของพวกมันอยู่ที่ภาวะเอกฐานซึ่งเป็นสถานที่ซึ่งมวลของดาวฤกษ์หลายดวงถูกบดขยี้เป็นปริมาตรที่มีขนาดเท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตามเอกสารฟิสิกส์สองฉบับล่าสุดตีพิมพ์เมื่อวันที่ 10 ธันวาคมในวารสาร Physical Review Letters และ Physical Review D ตามลำดับอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์พิจารณาสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้เกี่ยวกับหลุมดำ หลุมดำอาจไม่คงอยู่ตลอดไปและเป็นไปได้ว่าเราเข้าใจผิดธรรมชาติและสิ่งที่พวกมันดูเหมือนตรงกลางโดยสมบูรณ์
ขอบของฟิสิกส์ของ Einstein
นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ได้ถือกำเนิดมานานแล้วว่าความคิดเรื่องเอกพจน์นั้นจะต้องผิดไปหมด หากวัตถุที่มีมวลไม่มีขนาดแสดงว่ามีความหนาแน่นไม่ จำกัด และมากที่สุดเท่าที่นักวิจัยโยนคำว่า "อินฟินิตี้" อนันต์ของชนิดนั้นไม่มีอยู่ในธรรมชาติ แต่เมื่อคุณพบอนันต์ในสถานการณ์จริงทางกายภาพและวิทยาศาสตร์หมายความว่าคุณได้ผลักคณิตศาสตร์ของคุณไปให้พ้นขอบเขตที่พวกเขาประยุกต์ใช้ คุณต้องการคณิตศาสตร์ใหม่
มันง่ายที่จะยกตัวอย่างที่คุ้นเคยของสิ่งนี้ กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันบอกว่าจุดแข็งแรงดึงดูดของแรงโน้มถ่วงเปลี่ยนแปลงไปเมื่อระยะทางยกกำลังสองระหว่างวัตถุสองชิ้น ดังนั้นถ้าคุณเอาลูกบอลที่อยู่ไกลจากโลกมันจะได้รับน้ำหนักที่แน่นอน จากนั้นเมื่อคุณนำมันเข้ามาใกล้โลกน้ำหนักจะเพิ่มขึ้น เมื่อนำสมการนั้นมาสู่จุดสุดยอดในขณะที่คุณนำวัตถุใกล้จุดศูนย์กลางของโลกมันจะได้สัมผัสกับกำลังที่ไม่มีที่สิ้นสุด แต่มันก็ไม่ได้
ในขณะที่คุณนำวัตถุใกล้กับพื้นผิวโลกกฎแรงโน้มถ่วงง่ายๆของนิวตันจะไม่ถูกนำมาใช้อีกต่อไป คุณต้องคำนึงถึงการกระจายตัวจริงของมวลโลกและนี่หมายความว่าคุณต้องใช้สมการที่แตกต่างและซับซ้อนกว่านี้เพื่อทำนายพฤติกรรมที่แตกต่างกัน ในทำนองเดียวกันในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ทำนายว่าเอกพจน์ของความหนาแน่นไม่สิ้นสุดมีอยู่ที่ใจกลางของหลุมดำ แต่สิ่งนี้ไม่เป็นจริง ในขนาดที่เล็กมากทฤษฎีแรงโน้มถ่วงใหม่ต้องเข้ามาเล่น เรามีชื่อสามัญสำหรับทฤษฎีใหม่นี้: มันเรียกว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัม
ชื่อแรงโน้มถ่วงควอนตัมนั้นหมายถึง "แรงโน้มถ่วงในระดับที่เล็กที่สุด" แต่วลีไม่ได้บ่งบอกถึงทฤษฎีที่เฉพาะเจาะจง อย่างไรก็ตามข้อเสนอเชิงทฤษฎีที่เฉพาะเจาะจงนั้นถูกสร้างขึ้นมาเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วงเหมือนในพิภพเล็ก ๆ ข้อเสนอหนึ่งเรียกว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนรอบ
แรงโน้มถ่วงของวงควอนตัมมีการกำหนดทางคณิตศาสตร์อย่างดีและมันแสดงโครงสร้างของอวกาศ - เวลาในฐานะเครือข่ายการหมุนของสปินซึ่งมีวิวัฒนาการตลอดเวลา เครือข่ายหมุนวนเป็นเพียงสูตรทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายว่าอนุภาคและสนามแม่เหล็กมีปฏิกิริยาอย่างไร จากมุมมองที่ใช้งานได้จริงวงแรงโน้มถ่วงควอนตัมทำนายว่าอวกาศเป็นเวลาที่วัดด้วยหน่วยที่เล็กที่สุดที่เป็นไปได้หรือชิ้นส่วนของพื้นที่และเวลาซึ่งเกินกว่าเวลาอวกาศจะไม่สามารถแบ่งย่อยได้อีก
แรงโน้มถ่วงลูปควอนตัมเป็นทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ที่ยากที่ต่อต้านการทำนายที่ทดสอบได้ภายในหลุมดำ อย่างไรก็ตาม Abhay Ashtekar และ Javier Olmedo ที่มหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนียและ Parampreet Singh ที่มหาวิทยาลัยรัฐหลุยเซียน่าได้ใช้แรงโน้มถ่วงแบบวงรอบกับจุดศูนย์กลางของหลุมดำ พวกเขาอ้างว่าผลลัพธ์ไม่ได้เป็นเอกเทศ
การคำนวณของพวกเขาทำนายว่าเวลาอวกาศนั้นโค้งงออย่างมากใกล้กับศูนย์กลางของหลุมดำ ผลที่ได้คือเวลาอวกาศยังคงดำเนินต่อไปในภูมิภาคในอนาคตที่มีโครงสร้างของหลุมสีขาว หลุมสีขาวเป็นเหมือนหลุมดำที่อยู่ด้านหลังซึ่งหมายความว่าไม่เหมือนหลุมดำที่ดึงสสารออกมาหลุมสีขาวพุ่งออกมา
อาจมีอีกวิธีหนึ่งในการจินตนาการสิ่งที่พวกเขาทำนาย เป็นที่ทราบกันดีว่าในสนามแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งเวลาจะช้าลง และหลุมดำนั้นมีสนามแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งที่สุดในจักรวาล ด้วยเหตุนี้การตีความหนึ่งที่เป็นไปได้ของงานใหม่นี้ก็คือสสารตกอยู่ในหลุมดำแล้วจึง "เด้ง" ยิงมวลกลับเข้าไปในจักรวาล เนื่องจากเวลาช้าลงใกล้กับใจกลางของหลุมดำกระบวนการนั้นเพียงใช้เวลาจำนวนมหาศาล หากนักวิจัยถูกต้องในอนาคตอันไกลโพ้นที่ซึ่งตอนนี้มีหลุมดำสสารก็จะปะทุและกระจายสสารไปทั่วจักรวาล
เช่นเดียวกับในเชิงทฤษฎีเสมอมีความคิดที่น่าสนใจและเร้าใจมากมายที่ไม่เป็นความจริงและนี่อาจเป็นหนึ่งในนั้น ดังนั้นสิ่งสำคัญคือต้องดูว่ามีการสนับสนุนการทดลองทางความคิดเชิงทฤษฎีเช่นนี้หรือไม่
มีความเป็นไปได้เล็กน้อย นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตปรากฏการณ์พลังงานที่สูงมากในอวกาศซึ่งยังไม่ได้อธิบายอย่างสมบูรณ์ หนึ่งคือการมีอยู่ของรังสีคอสมิกพลังงานสูงมากซึ่งกระทบชั้นบรรยากาศของโลก อีกอย่างหนึ่งคือสิ่งที่เรียกว่า "การระเบิดของคลื่นวิทยุเร็ว" ซึ่งก็คือเมื่อสังเกตเห็นพลังงานคลื่นวิทยุจำนวนมากในเวลาอันสั้น โดยหลักการแล้วปรากฏการณ์ทั้งสองอย่างนี้อาจเป็นสัญญาณของหลุมดำที่เปลี่ยนเป็นหลุมสีขาว
แน่นอนก่อนกำหนดที่จะยอมรับความคิดใหม่ที่น่าสนใจนี้ แต่จะรอบคอบเพื่อดูว่าการคำนวณอย่างต่อเนื่องโดยใช้แรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบคลี่ออกมาเป็นอย่างไร หากการคาดการณ์ดีขึ้นและเริ่มดูเหมือนปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่สังเกตไม่ได้บางอย่างมันอาจเป็นไปได้ว่าผลลัพธ์ใหม่นี้จะอธิบายว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมทำงานอย่างไรและก่อร่างใหม่ความเข้าใจของเราทั้งในอดีตและอนาคตของจักรวาล
Don Lincoln เป็นนักวิจัยฟิสิกส์ที่ Fermilab. เขาเป็นผู้ประพันธ์ "Large Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณทึ่ง"(Johns Hopkins University Press, 2014) และเขาผลิตชุดของการศึกษาวิทยาศาสตร์ วิดีโอ. ติดตามเขา บนเฟซบุ๊ค. ความคิดเห็นที่แสดงในคำอธิบายนี้เป็นของเขา
Don Lincoln บริจาคบทความนี้ให้กับ Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights
