การแผ่รังสีฮอว์คิง

25 เมษายน 2561

 

          ดังที่เราท่านทราบกันดีแล้วว่า ศาสตราจารย์ สตีเฟน ฮอว์คิง เป็นนักฟิสิกส์สุดอัจฉริยะของโลก ที่มีร่างกายพิการอย่างมากจากโรค Amyotrophic Lateral Sclerosis (โรค ALS หรือโรค Lou Gehrig) จนต้องอยู่แต่บนเก้าอี้เข็นไฟฟ้าและเสียงพูดเป็นเสียงอิเล็กทรอนิกส์ แต่คนรู้จักบอกตรงกันว่าท่านเป็นคนที่มีอารมณ์ขันอยู่เสมอ ท่านชอบบอกใครๆว่าท่านเกิดตรงกับวาระครบรอบการเสียชีวิตครั้งที่ 300 ของกาลิเลโอ กาลิเลอี (ศาสตราจารย์ฮอว์คิงเกิดวันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2485 ส่วนกาลิเลโอเสียชีวิตเมื่อวันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2185) การเสียชีวิตอย่างสงบที่บ้านของท่านเมื่อเช้าวันพุธที่ 14 มีนาคมที่เพิ่งผ่านมา ก็อาจเป็นแผนการที่ท่านจะเอาไปเล่นมุกกับเทวดาก็เป็นได้ เพราะเมื่อตอนเป็นนักศึกษาฟิสิกส์ เริ่มฉายแววอัจฉริยะ เพื่อนๆเรียกท่านว่า “ไอน์สไตน์” ส่วนหัวข้อวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของท่านที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์คือ “Properties of Expanding Universes” ก็เป็นการนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) ของไอน์สไตน์มาใช้อย่างเข้มข้น ดังนั้นท่านสามารถบอกใครๆบนสรวงสวรรค์ได้ว่าท่านเสียชีวิตตรงกับวันของค่าคงที่พาย (Pi Day คือวันที่ 14 มีนาคมของทุกปี เพราะสอดคล้องกับตัวเลข 3 ตัวแรกของค่า = 3.14159 26535 897… ซึ่งตรงกับวันเกิดของไอน์สไตน์ คือวันที่ 14 มีนาคม พ.ศ. 2422) และมีอายุเท่ากับไอน์สไตน์(คือ 76 ปี)

 

                               

 

รูปที่ 1 ศาสตราจารย์ สตีเฟน วิลเลียม ฮอว์คิง (Stephen William Hawking) นักฟิสิกส์ทฤษฎีและนักเอกภพวิทยาประจำมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ (ที่มารูป: https://adtubeindia.com/blogs/2018/03/10-quotes-by-stephen-hawking-inspired/)

         

          นอกจากองค์ความรู้ทรงคุณค่ามากมายเกี่ยวกับหลุมดำ (Black Hole), การกำเนิดของเอกภพ [1] ฯลฯ ที่ศาสตราจารย์ฮอว์คิงได้มอบไว้ให้กับโลกแล้ว ท่านยังได้มอบมรดกเป็นปริศนาท้าทายไว้ให้นักฟิสิกส์รุ่นหลังได้ช่วยกันหาทางเฉลยหรือพิสูจน์อีกหนึ่งเรื่อง คือเรื่อง “การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking Radiation)”

 

           ในปีพ.ศ. 2518 ศาสตราจารย์ฮอว์คิงได้เผยแพร่ผลการวิจัยที่ช็อควงการฟิสิกส์ว่า ถ้านำทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมมาคิดรวมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หลุมดำที่แนวคิดเชิงคลาสสิคบอกว่าเป็นสิ่งที่มืดสนิทด้วยไม่มีสิ่งใดๆจะสามารถหลุดหนีออกมาได้แม้แต่แสง แต่ในเชิงควอนตัมแล้วจะเรืองแสงน้อยๆ ซึ่งก็คือสิ่งที่เรียกกันต่อมาว่า “การแผ่รังสีฮอว์คิง” รังสีที่แผ่ออกมาจะประกอบด้วยอนุภาคโฟตอนและอนุภาคนิวตริโนเป็นส่วนใหญ่  ถ้าสมมุติว่ามีหลุมดำหนึ่งอยู่อย่างโดดเดี่ยวในอวกาศ จากผลของการแผ่รังสีฮอว์คิง จะทำให้หลุมดำสูญเสียมวลไปเรื่อยๆ หลุมดำจะค่อยๆยุบตัวลง ยิ่งเล็กลงเท่าใด ก็จะยิ่งเกิดการแผ่รังสีฮอว์คิงมากขึ้น ซึ่งก็จะทำให้มีอัตราการยุบตัวสูงขึ้น เมื่อเล็กลงมากจนถึงจุดหนึ่งก็จะเกิดการระเบิดปลดปล่อยรังสีแกมมาจำนวนมหาศาลออกมา เรียกว่าการระเหยของหลุมดำ (black hole evaporation) แต่กระบวนการนี้จะใช้เวลานานมาก เช่นสำหรับหลุมดำที่มีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ของเรา จะใช้เวลาระเหยทั้งสิ้น 1067  ปี ส่วนถ้ามีขนาดเท่ากับหลุมดำที่อยู่ตรงใจกลางของแกแลกซี่ทางช้างเผือกของเรา ก็จะกินเวลาถึง 1087 ปี เป็นต้น (อายุของเอกภพคือ 13.8 x 109 ปี) ปัจจุบันยังไม่สามารถตรวจวัดการแผ่รังสีฮอว์คิงได้โดยตรง เพราะ หลุมดำที่พบในปัจจุบันนี้ไม่ได้อยู่อย่างโดดเดี่ยว การบิดโค้งของกาลอวกาศเพราะการมีอยู่ของหลุมดำทำให้อนุภาคหรือมวลสารต่างๆที่อยู่บริเวณนั้นเกิดการเคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำด้วยอัตราเร็วสูง เมื่ออนุภาคหรือมวลสารเหล่านี้ชนกันก็จะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งมีความเข้มสูงกว่าการแผ่รังสีฮอว์คิงหลายเท่า ขณะนี้นักฟิสิกส์จึงได้แต่พยายามพิสูจน์ทราบเรื่องนี้โดยการจำลองในห้องปฏิบัติการวิจัย [2]

 

                           

 

รูปที่ 2 หลุมดำที่อยู่ใกล้กับดวงดาว จะดูดมวลสารของดาวเข้าหาโดยวิ่งวนเป็นวงรอบหลุมดำ เรียกว่า accretion disk เมื่อมวลสารเหล่านี้เบียดเสียดและชนกันไปมา แผ่น accretion disk จะร้อนขึ้นๆ แล้วปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งในกรณีของหลุมดำมักจะอยู่ในย่านรังสีเอกซ์ นอกจากนั้นในบางกรณียังมีลำเจ็ตของไฮโดรเจนและฮีเลี่ยมพวยพุ่งออกมาด้วย ดังเช่นกรณีของหลุมดำ V404 Cygni ที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 7,800 ปีแสง  ทั้งการแผ่รังสีของ accretion disk และการปลดปล่อยลำเจ็ตไม่ใช่การแผ่รังสีฮอว์คิง (ที่มารูป https://arstechnica.com/science/2016/05/black-hole-outburst-may-starve-it-of-matter-in-the-future/)

 

          การแผ่รังสีฮอว์คิงเกี่ยวข้องกับปฏิทรรศน์ (paradox) หลายเรื่อง โดยทั่วไปการตีความปฏิทรรศน์ได้จะนำไปสู่การค้นพบใหม่ๆ การแผ่รังสีฮอว์คิงจึงเป็นเรื่องสำคัญหนึ่งของวงการฟิสิกส์ ช่างเป็นพรวิเศษจริงๆที่ศาสตราจารย์ฮอว์คิงได้มาอยู่ในโลกนี้ 76 ปี นอกจากเป็นแรงบันดาลใจและประทีปทางความคิดให้กับโลกแล้ว ยังเป็นประจักษ์พยานสำคัญถึงพลังอำนาจของกำลังใจ พลานุภาพแห่งมิตรภาพ และ ศักยภาพอันไร้ขอบเขตของสมองมนุษย์

 

เอกสารอ่านประกอบ

  1. Stephen Hawking, “The Origin of the Universe.”, จาก http://www.hawking.org.uk/the-origin-of-the-universe.html.
  2. Paul Rincon, Simulated black hole experiment backs Hawking prediction”, 16 August 2016, จาก http://www.bbc.com/news/science-environment-37088877.

 

                           

 

รูปที่ 3 ศาสตราจารย์ฮอว์คิงกับ Jane ภรรยาคนแรก และลูกทั้งสามคือ Timothy, Robert และ Lucy ภาพนี้ถ่ายหลังปีพ.ศ. 2513 ไม่นาน (ที่มารูป: https://www.mirror.co.uk/news/uk-news/stephen-hawking-dead-aged-76-12183828)

 

                           

 

รูปที่ 4 ศาสตราจารย์ฮอว์คิงกับอดีตภรรยา Jane Wilde Hawking, Eddie Redmayne ดารานำชายที่แสดงเป็นตัวท่าน และ Felicity Jones ดารานำหญิงที่แสดงเป็น Jane (เห็นแต่ด้านหลัง) ในโอกาสเปิดฉายรอบปฐมทัศน์ภาพยนตร์เรื่อง “ The Theory of Everything” ที่ประเทศอังกฤษเมื่อปีพ.ศ. 2557  ภาพยนตร์เรื่องนี้ส่งผลให้ Eddie Redmayne ได้รับรางวัลดารานำชายยอดเยี่ยมจากหลายเวทีเช่น Oscar, ลูกโลกทองคำ และ BAFTA ประจำปีพ.ศ. 2558 (ที่มารูป : https://economictimes.indiatimes.com/magazines/panache/remembering-stephen-hawking-the-man-who-could-do-everything-except-things-he-didnt-want-to/articleshow/63295644.cms)

 

                            

 

รูปที่ 5 ศาสตราจารย์ฮอว์คิงถ่ายภาพร่วมกับคณะนักแสดงหลักทั้ง 7 คนของซีรีส์ซิตคอมเรื่อง The Big Bang Theory ที่ได้รับความนิยมมาก ซึ่งออกฉายทางโทรทัศน์ของค่าย CBS มาตั้งแต่ปีพ.ศ. 2550 ศาสตราจารย์ฮอว์คิงให้เกียรติเป็นดารารับเชิญอยู่หลายตอนโดยเล่นเป็นตัวท่านเอง (บางตอนได้ยินแต่เสียงพูดอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ของท่าน) (ที่มารูป : https://www.mirror.co.uk/news/uk-news/stephen-hawking-dead-aged-76-12183828)

 

                             

 

รูปที่ 6 ศาสตราจารย์ฮอว์คิง ขณะทดลองอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักจำลองที่สร้างขึ้นขณะที่เครื่องบินตีวงโค้งเหนือมหาสมุทรแอตแลนติคเมื่อปีพ.ศ. 2550 (ที่มารูป: https://economictimes.indiatimes.com/magazines/panache/remembering-stephen-hawking-the-man-who-could-do-everything-except-things-he-didnt-want-to/articleshow/63295644.cms)