หลุมดำ
หลุมดำคือบริเวณของกาลอวกาศที่มีความโค้งงออย่างรุนแรงจนไม่มีสิ่งใด แม้แต่แสง ก็สามารถหลุดรอดออกมาจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ หลุมดำเป็นหนึ่งในการทำนายที่โดดเด่นที่สุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และปัจจุบันได้รับการสังเกตโดยตรงแล้ว
Definition
หลุมดำคือบริเวณของกาลอวกาศที่ถูกล้อมรอบด้วยขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งเป็นพื้นผิวแบบทางเดียวที่ไม่มีสัญญาณใดจากภายในสามารถไปถึงผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกลได้ ก่อตัวขึ้นเมื่อสสารถูกบีบอัดภายในรัศมีชวาร์ซชิลด์ และมีลักษณะเฉพาะในสภาวะสมดุลด้วยมวล โมเมนตัมเชิงมุม และประจุเท่านั้น
Scope
ขอบเขตของเนื้อหานี้ครอบคลุมถึงคำจำกัดความและโครงสร้างของหลุมดำ: ขอบฟ้าเหตุการณ์และภาวะเอกฐานที่อยู่ภายใน, ทฤษฎีไร้ขนที่ลดทอนหลุมดำที่อยู่กับที่ให้เหลือเพียงมวล ประจุ และการหมุน, เรขาคณิตแบบเคอร์ที่หมุนได้และแบบไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอมที่มีประจุ, กฎของกลศาสตร์หลุมดำและการตีความทางอุณหพลศาสตร์ รวมถึงการแผ่รังสีฮอว์คิง, และการยุบตัวเชิงความโน้มถ่วงที่ก่อให้เกิดหลุมดำ
Sub-topics
Core questions
- อะไรคือนิยามของขอบฟ้าเหตุการณ์ และมีอะไรอยู่เลยออกไปจากนั้น?
- เหตุใดหลุมดำที่อยู่กับที่จึงถูกอธิบายด้วยตัวเลขเพียงสามตัว?
- ปรากฏการณ์ควอนตัมทำให้หลุมดำแผ่รังสีและมีเอนโทรปีได้อย่างไร?
- หลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ก่อตัวขึ้นได้อย่างไรจากการยุบตัวเชิงความโน้มถ่วง?
Key concepts
- ขอบฟ้าเหตุการณ์
- ภาวะเอกฐาน
- ทฤษฎีไร้ขน
- เอนโทรปีของหลุมดำ
- การแผ่รังสีฮอว์คิง
- การยุบตัวเชิงความโน้มถ่วง
Key theories
- ทฤษฎีไร้ขน
- หลุมดำที่อยู่กับที่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีลักษณะเฉพาะที่สมบูรณ์ด้วยมวล โมเมนตัมเชิงมุม และประจุไฟฟ้าเท่านั้น รายละเอียดอื่น ๆ ทั้งหมดของสสารที่ก่อตัวเป็นหลุมดำจะหายไปหลังขอบฟ้าเหตุการณ์
- ทฤษฎีบทภาวะเอกฐาน
- เพนโรสและฮอว์คิงพิสูจน์ว่าภายใต้เงื่อนไขพลังงานและเหตุผลที่สมเหตุสมผล การยุบตัวเชิงความโน้มถ่วงและเอกภพยุคแรกเริ่มจะต้องสร้างภาวะเอกฐานของกาลอวกาศ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าภาวะเอกฐานเป็นคุณสมบัติทั่วไปของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ของสมมาตร
- การแผ่รังสีฮอว์คิง
- ทฤษฎีสนามควอนตัมใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ทำนายว่าหลุมดำจะปล่อยรังสีความร้อนที่อุณหภูมิแปรผกผันกับมวลของมัน ทำให้หลุมดำระเหยไปอย่างช้าๆ ซึ่งเชื่อมโยงแรงโน้มถ่วง ทฤษฎีควอนตัม และอุณหพลศาสตร์เข้าด้วยกัน
Clinical relevance
หลุมดำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่: หลุมดำมวลดาวฤกษ์ก่อตัวจากการยุบตัวของดาวฤกษ์มวลมากและขับเคลื่อนระบบดาวคู่รังสีเอกซ์, หลุมดำมวลยวดยิ่งเป็นแกนกลางของกาแล็กซีและขับเคลื่อนนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์, และการรวมตัวกันของหลุมดำเป็นแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ดังที่สุดที่ตรวจพบได้จนถึงปัจจุบัน
History
แม้จะแฝงอยู่ในคำตอบของชวาร์ซชิลด์ในปี 1916 แต่หลุมดำก็ถูกมองว่าไม่เป็นไปตามหลักฟิสิกส์มานาน จนกระทั่งออปเพนไฮเมอร์และสไนเดอร์ได้สร้างแบบจำลองการยุบตัวในปี 1939; ทฤษฎีบทภาวะเอกฐานของเพนโรสในปี 1965, การตั้งชื่อ 'หลุมดำ' โดยวีลเลอร์, ผลลัพธ์ของทฤษฎีไร้ขน, และการค้นพบอุณหพลศาสตร์หลุมดำของเบเคนสไตน์-ฮอว์คิงในช่วงทศวรรษ 1970 ได้ทำให้หลุมดำกลายเป็นวัตถุสำคัญ ซึ่งต่อมาได้รับการยืนยันโดยการสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงและกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์
Debates
- ความขัดแย้งของข้อมูล
- การคำนวณของฮอว์คิงชี้ให้เห็นว่าหลุมดำที่ระเหยจะทำลายข้อมูล ซึ่งขัดแย้งกับความเป็นเอกภาพของกลศาสตร์ควอนตัม การประนีประนอมทั้งสองผ่านโฮโลแกรม ไฟร์วอลล์ หรือความสัมพันธ์ที่ละเอียดอ่อนในการแผ่รังสี ยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขและกำลังมีการศึกษาอยู่
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- คุณสามารถมองเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำได้หรือไม่?
- ไม่สามารถมองเห็นได้จากภายนอก: ขอบฟ้าเหตุการณ์ป้องกันไม่ให้สัญญาณใดๆ จากภายในไปถึงผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ห่างไกล ดังนั้นภายในจึงถูกตัดขาดจากกันในเชิงเหตุผล ผู้สังเกตการณ์ที่ตกลงไปในหลุมดำสามารถสำรวจภายในได้ในทางทฤษฎี แต่ไม่สามารถส่งข้อมูลกลับออกมาข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ได้
- หลุมดำคงอยู่ตลอดไปหรือไม่?
- ตามหลักฟิสิกส์คลาสสิกแล้วใช่ แต่การแผ่รังสีฮอว์คิงทำให้พวกมันสูญเสียมวลและระเหยไปในที่สุด ระยะเวลาดังกล่าวเป็นเวลานานมากสำหรับหลุมดำมวลดาวฤกษ์และหลุมดำขนาดใหญ่ ดังนั้นหลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์จึงคงอยู่ถาวรอย่างมีประสิทธิภาพในทุกช่วงเวลาของมนุษย์หรือจักรวาลวิทยาที่พิจารณามาจนถึงปัจจุบัน