You are here: หน้าหลักสาระน่ารู้ทำความรู้จักกับ "ซิงกูลาริตี้" หรือ สภาวะเอกฐาน

ทำความรู้จักกับ "ซิงกูลาริตี้" หรือ สภาวะเอกฐาน

121015579 3579401572123431 3075590611155919681 o

         ดร. มติพล ตั้งมติธรรม หรือ พี่มะพล รวบรวมและเรียบเรียงเนื้อหาที่น่าสนใจกลั่นออกมาเป็นซีรีส์บทความ 6 ตอน ที่จะพาทุกท่านมาทำความรู้จักกับทฤษฎีที่เกี่ยวกับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 2020 ที่มอบให้แก่ Roger Penrose, Reinhard Genzel และ Andrea Ghez หรือเรื่องราวที่น่าสนใจที่เกี่ยวข้องกับผู้ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้
สิริรวม 6 ตอน ได้แก่
1. ซิงกูลาริตี้ หรือสภาวะเอกฐาน
2. ขอบฟ้าเหตุการณ์ และ cosmic censorship hypothesis
3. ปริภูมิเวลา หรือ spacetime diagram ของดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวลงเป็นหลุมดำ
4. หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก
5. สามเหลี่ยมเพนโรส
6. กระเบื้องเพนโรส
*****************

วันนี้ขอเสนอตอนแรก ว่าด้วยเรื่องของ.........

ซิงกูลาริตี้ หรือ สภาวะเอกฐาน

        ทฤษฎีสัมพัทธภาพอันโด่งดังของไอน์สไตน์ ทำให้เราสามารถอธิบายปรากฏการณ์แรงโน้มถ่วงในเอกภพแทนที่ได้ด้วยสมการคณิตศาสตร์
หนึ่งความงดงามและเรียบง่ายของทฤษฎีสัมพัทธภาพนั้นสามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น และผ่านการทดสอบมาแล้วซ้ำแล้วซ้ำเล่า[2] แม้กระทั่งจนถึงทุกวันนี้ "ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์" ก็ยังคงเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ สมการหนึ่งที่สามารถอธิบายเอกภพได้ดีที่สุด

        อย่างไรก็ตาม ความเรียบง่ายของตัวสมการเองนั้น ไม่ได้มาพร้อบกับคำตอบของสมการที่เรียบง่ายแต่อย่างใด นักฟิสิกส์ยุคแรกๆ ประสบปัญหาเป็นอย่างมากในการหาคำตอบที่สอดคล้องกับสมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ คำตอบแรกสุดที่เรารู้จักนั้น ถูกค้นพบโดย Karl Schwarzschild ที่สามารถอธิบายถึงอิทธิพลของมวลที่มีต่อกาลอวกาศที่ถูกบิดงอไป ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ

       อย่างไรก็ตาม คำตอบของ Schwarzschild นั้นเป็นคำตอบอันเรียบง่ายของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์รอบมวลที่มีสมมาตรทรงกลม แต่ในขณะเดียวกันก็นำมาซึ่งบริเวณปริศนาที่ทำให้ความเข้าใจทางฟิสิกส์ทั้งปวงของเราสิ้นสุดลง ที่เรียกว่า "สภาวะเอกฐาน" หรือซิงกูลาริตี้ (singularity)

       ตามปกติแล้วในสมการใดๆ ก็ตามทางฟิสิกส์ เรามักจะพบกับบริเวณที่สมการของเราไม่สามารถอธิบายได้อีกต่อไป (เช่น บริเวณที่เราต้องหารด้วยศูนย์) เราเรียกบริเวณนี้ว่า "ซิงกูลาริตี้" หรือ "สภาวะเอกฐาน" บางครั้งซิงกูลาริตี้ที่เกิดขึ้น อาจจะเป็นเพียงซิงกูลาริตี้ในทางคณิตศาสตร์ ซึ่งบ่งชี้ว่าสมการที่เรานำมาใช้อธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาตินั้นยังไม่สมบูรณ์แบบเพียงพอ จากการเลือกใช้ระบบพิกัดที่ไม่เหมาะสมหรือแบบจำลองทางฟิสิกส์ยังไม่ถูกต้องครบถ้วน เมื่อมีการค้นพบซิงกูลาริตี้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพขึ้นมา คำถามหนึ่งที่เกิดขึ้นจริงก็คือ นี่เป็นเพียงความไม่สมบูรณ์ในสมการคณิตศาสตร์ของเรา หรือว่าเป็นสภาวะที่เกิดขึ้นจริงในเอกภพ

       สิ่งที่ Roger Penrose และ Stephen Hawking ค้นพบใน Penrose–Hawking singularity theorems คือ ซิงกูลาริตี้เหล่านี้เป็นสิ่งที่ไม่เพียงแต่เกิดขึ้นจริงเท่านั้น แต่ยังเป็นสิ่งที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ และจะต้องเกิดขึ้นเสมอในทฤษฎีสัมพัทธภาพ เมื่อใดก็ตามที่เงื่อนไขบางประการได้ถูกบรรลุเป็นที่เรียบร้อย

        Roger Penrose ได้พิสูจน์ให้เห็นว่า เมื่อใดก็ตาม ที่มวลและพลังงานได้อัดแน่นเกินความหนาแน่นหนึ่ง เส้น geodesic หรือเส้นทางเดินของแสงทุกเส้น จะต้องไปบรรจบกันที่จุดๆ หนึ่ง ซึ่งก็คือ "ซิงกูลาริตี้" ในขณะเดียวกัน Stephen Hawking ก็ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าซิงกูลาริตี้นั้นเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เช่นเดียวกัน หากเราพิจารณาทั้งเอกภพ และค่อยๆ ย้อนเวลากลับไปยัง ณ​ จุดกำเนิดบิ๊กแบง

        นั่นก็คือ เมื่อใดก็ตามที่มวลสารถูกบีบอัดได้หนาแน่นพอ เช่นเดียวกับที่เราพบภายในใจกลางของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่เมื่อสิ้นอายุขัย จะไม่มีแรงอื่นใดอีกในเอกภพที่จะคอยหยุดยั้งการยุบตัวเอาไว้ได้ และมวลสารทั้งหมดจะถูกบีบอัดเอาไว้ในจุดเพียงจุดเดียว ที่ซึ่งความหนาแน่นของพลังงานเป็นอนันต์ และฟิสิกส์ทุกอย่างที่เราเข้าใจในปัจจุบันจะไม่สามารถใช้ได้อีกต่อไป ซึ่งสภาวะเช่นเดียวกันนี้เป็นสภาวะเดียวกันที่เกิดขึ้นเมื่อ 13,800 ล้านปีที่แล้ว ณ​ จุดกำเนิดของเอกภพ

เรียบเรียง ดร. มติพล ตั้งมติธรรม ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์ สดร.

อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.nobelprize.org/.../2020/popular-information/
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Tests_of_general_relativity
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_singularity
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Penrose–Hawking_singularity_theorems

ที่มา : https://www.facebook.com/NARITpage

Last Updated on Monday, 12 October 2020 11:02

Free business joomla templates