ความเงียบแก้ไขคณิตศาสตร์แปลก ๆ ในหลุมดำได้อย่างไร

โรเจอร์เพนโรสนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีมีแรงบันดาลใจในช่วงเวลาหนึ่งที่ทำให้มุมมองของเราเพิ่มขึ้นเกี่ยวกับจักรวาลเขียนชีวประวัติของเขา Patchen Barssในวันที่อากาศแจ่มใสในเดือนกันยายน พ.ศ. 2507 โรเจอร์เพนโรสมีเพื่อนเก่ามาเยี่ยม ไอวอร์โรบินสันนักจักรวาลวิทยาชาวอังกฤษกลับมาที่อังกฤษจากดัลลัสเท็กซัสซึ่งเขาอาศัยและทำงาน เมื่อใดก็ตามที่ทั้งสองพบกันพวกเขาไม่เคยขาดการสนทนาและการพูดคุยของพวกเขาในครั้งนี้ไม่หยุดนิ่งและหลากหลาย

ขณะที่ทั้งคู่เดินไปใกล้สำนักงานของ Penrose ที่ Birkbeck College ในลอนดอนพวกเขาหยุดพักชั่วคราวบนขอบถนนเพื่อรอการจราจรติดขัด หยุดชั่วขณะในการเดินเล่นของพวกเขาใกล้เคียงกับเสียงพูดคุยที่ขับกล่อมและพวกเขาก็ตกอยู่ในความเงียบขณะข้ามถนน

ในขณะนั้นจิตใจของเพนโรสล่องลอย มันเดินทาง 2.5 พันล้านปีแสงผ่านสุญญากาศของอวกาศไปจนถึงมวลควาซาร์ที่หมุนวน เขาจินตนาการว่าการล่มสลายของความโน้มถ่วงกำลังเกิดขึ้นอย่างไรดึงกาแลคซีทั้งหมดเข้ามาให้ลึกและใกล้ใจกลางมากขึ้น เช่นเดียวกับนักสเก็ตลีลาที่หมุนตัวดึงแขนเข้ามาใกล้ตัวมวลจะหมุนเร็วขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อมันหดตัว

สั้น ๆ นี้สั่นไหวจิตนำไปสู่การเปิดเผย – หนึ่งที่ 56 ปีหลังจากนั้นก็จะชนะเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์

ภายในความเป็นเอกฐานกฎฟิสิกส์ที่เป็นที่รู้จักซึ่งรวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่ทำนายไว้จะใช้ไม่ได้อีกต่อไป

เช่นเดียวกับนักทฤษฎีสัมพัทธภาพจำนวนมากนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่ทำงานเพื่อทดสอบสำรวจและขยายทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ – เพนโรสใช้เวลาช่วงต้นทศวรรษ 1960 ในการศึกษาความขัดแย้งที่แปลกประหลาด

ไอน์สไตน์เผยแพร่ทฤษฎีทั่วไปของเขาในปีพ. ศ. 2458 ปฏิวัติความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอวกาศเวลาแรงโน้มถ่วงสสารและพลังงาน ในช่วงทศวรรษที่ 1950 ทฤษฎีของไอน์สไตน์ประสบความสำเร็จอย่างมาก แต่การคาดการณ์หลายอย่างยังถือว่าไม่น่าจะเป็นไปได้และไม่สามารถพิสูจน์ได้ ตัวอย่างเช่นสมการของเขาแสดงให้เห็นว่าในทางทฤษฎีเป็นไปได้ที่การพังทลายของแรงโน้มถ่วงจะบังคับให้สสารมากพอในบริเวณที่มีขนาดเล็กพอที่มันจะมีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดจนกลายเป็น “เอกฐาน” ซึ่งแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดได้ สิ่งเหล่านี้เรียกว่าหลุมดำ

คุณอาจต้องการ:

พื้นที่แปลก ๆ นอกระบบสุริยะของเรา
จะเกิดอะไรขึ้นถ้าจักรวาลของเราเป็นภาคต่อ?
มนุษย์เปลี่ยนท้องฟ้ายามค่ำคืนอย่างไร

แต่ภายในความเป็นเอกฐานเช่นนี้กฎทางฟิสิกส์ที่เป็นที่รู้จักซึ่งรวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ที่ทำนายไว้จะใช้ไม่ได้อีกต่อไป

ความเป็นเอกพจน์เป็นสิ่งที่น่าสนใจสำหรับนักทฤษฎีสัมพัทธภาพทางคณิตศาสตร์ด้วยเหตุผลนี้ อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์ส่วนใหญ่เห็นด้วยว่าจักรวาลของเรามีระเบียบมากเกินไปที่จะมีพื้นที่ดังกล่าวจริง และแม้ว่าจะมีเอกพจน์ แต่ก็ไม่มีทางสังเกตได้

“ มีความสงสัยอย่างมากมาเป็นเวลานาน” เพนโรสกล่าว “ ผู้คนคาดว่าจะมีการตีกลับ: วัตถุจะยุบและหมุนไปรอบ ๆ อย่างซับซ้อนและกลับมาหมุนอีกครั้ง”

ในช่วงปลายทศวรรษ 1950 การสังเกตการณ์จากสาขาดาราศาสตร์วิทยุที่เกิดขึ้นใหม่ทำให้ความคิดเหล่านี้กลายเป็นความวุ่นวาย นักดาราศาสตร์วิทยุตรวจพบวัตถุจักรวาลใหม่ที่ดูเหมือนจะสว่างมากอยู่ห่างไกลและมีขนาดเล็กมาก ครั้งแรกรู้จักกันในชื่อ “วัตถุกึ่งดาวฤกษ์” ต่อมาถูกย่อให้สั้นลงเป็น “ควาซาร์” – วัตถุเหล่านี้ดูเหมือนจะแสดงพลังงานมากเกินไปในพื้นที่ขนาดเล็กเกินไป แม้ว่าจะดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ แต่การสังเกตใหม่ทุกครั้งก็ชี้ไปที่ความคิดที่ว่าควาซาร์เป็นกาแลคซีโบราณที่อยู่ในกระบวนการยุบตัวเป็นเอกฐาน

นักวิทยาศาสตร์ถูกบังคับให้ถามตัวเองว่าเอกพจน์ไม่ได้เป็นไปไม่ได้อย่างที่ทุกคนคิดหรือไม่? การทำนายทฤษฎีสัมพัทธภาพนี้เป็นมากกว่าแค่การบินทางคณิตศาสตร์แบบแฟนซีหรือไม่?

ในออสตินพรินซ์ตันและมอสโคว์ที่เคมบริดจ์และอ็อกซ์ฟอร์ดในแอฟริกาใต้นิวซีแลนด์อินเดียและที่อื่น ๆ นักจักรวาลวิทยานักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ต่างพยายามค้นหาทฤษฎีขั้นสุดท้ายที่สามารถอธิบายธรรมชาติของควาซาร์ได้

ฉันมีความรู้สึกอย่างแรงกล้าว่าด้วยวิธีการที่พวกเขาใช้มันไม่น่าเป็นไปได้ที่พวกเขาจะได้ข้อสรุปที่ชัดเจนเกี่ยวกับเรื่องนี้ – Roger Penrose

นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เข้าหาความท้าทายโดยพยายามระบุสถานการณ์ที่มีความเชี่ยวชาญสูงซึ่งอาจก่อตัวขึ้น

Penrose จากนั้นเป็นผู้อ่านที่ Birkbeck College ในลอนดอนได้ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป สัญชาตญาณตามธรรมชาติของเขาคือการค้นหาคำตอบทั่วไปหลักการพื้นฐานและโครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่จำเป็นเสมอ เขาใช้เวลานานหลายชั่วโมงที่ Birkbeck โดยทำงานที่กระดานดำขนาดใหญ่ที่มีเส้นโค้งและมีการบิดแผนภาพในแบบของเขาเอง

ในปีพ. ศ. 2506 ทีมนักทฤษฎีชาวรัสเซียที่นำโดย Isaac Khalatnikov ได้ตีพิมพ์บทความที่ได้รับการยกย่องซึ่งยืนยันถึงสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ยังคงเชื่อว่าเอกพจน์ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลทางกายภาพของเรา ในจักรวาลพวกเขากล่าวว่าการยุบเมฆฝุ่นหรือดวงดาวจะขยายตัวกลับออกไปอีกครั้งนานก่อนที่พวกเขาจะถึงจุดเอกฐาน ต้องมีคำอธิบายอื่น ๆ สำหรับควาซาร์

เพนโรสไม่เชื่อ

“ ฉันมีความรู้สึกอย่างมากกับวิธีการที่พวกเขาใช้มันไม่น่าเป็นไปได้ที่พวกเขาจะได้ข้อสรุปที่ชัดเจนเกี่ยวกับเรื่องนี้” เขากล่าว “ สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าปัญหาที่จำเป็นต้องได้รับการพิจารณาโดยรวมมากกว่าที่พวกเขากำลังทำอยู่ซึ่งเป็นจุดเน้นที่ค่อนข้าง จำกัด ”

ถึงกระนั้นในขณะที่เขาปฏิเสธข้อโต้แย้งของพวกเขาเขาก็ยังไม่สามารถพัฒนาวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับปัญหาเอกฐานได้ จนมาถึงโรบินสัน แม้ว่าโรบินสันจะค้นคว้าปัญหาภาวะเอกฐาน แต่ทั้งคู่ก็ไม่ได้พูดคุยกันในระหว่างการสนทนาของพวกเขาในวันฤดูใบไม้ร่วงปี 1964 ที่ลอนดอน

อย่างไรก็ตามในช่วงเวลาสั้น ๆ ของการข้ามถนนที่เป็นเวรเป็นกรรมนั้นเพนโรสตระหนักว่าชาวรัสเซียคิดผิด

พลังงานการเคลื่อนไหวและมวลทั้งหมดที่หดตัวเข้าด้วยกันจะสร้างความร้อนที่รุนแรงมากจนรังสีจะระเบิดออกไปทุกความยาวคลื่นในทุกทิศทาง ยิ่งมีขนาดเล็กและเร็วเท่าไหร่ก็ยิ่งสว่างมากขึ้นเท่านั้น

จะมาถึงจุดที่ไม่หวนกลับ แสงพื้นที่และเวลาทั้งหมดจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์ หลุมดำ

เขาทำแผนที่ภาพวาดบนกระดานดำและภาพร่างวารสารบนวัตถุที่อยู่ห่างไกลนั้นโดยใช้ความคิดของเขาค้นหาจุดที่ชาวรัสเซียคาดการณ์ไว้ซึ่งเมฆนี้จะระเบิดกลับออกมาอีกครั้ง

ไม่มีจุดดังกล่าว ในความคิดของเขาในที่สุดเพนโรสก็เห็นว่าการล่มสลายจะดำเนินต่อไปอย่างไรโดยไม่มีข้อ จำกัด นอกจุดศูนย์กลางที่หนาแน่นวัตถุจะส่องแสงมากกว่าดวงดาวทั้งหมดในกาแลคซีของเรา และลึกลงไปภายในแสงจะโค้งงอในมุมที่น่าทึ่งกาลอวกาศแปรปรวนจนกระทั่งทุกทิศทางมาบรรจบกัน

จะมาถึงจุดที่ไม่หวนกลับ แสงพื้นที่และเวลาทั้งหมดจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์ หลุมดำ

ในขณะนั้นเพนโรสรู้ว่าภาวะเอกฐานไม่จำเป็นต้องมีสถานการณ์พิเศษใด ๆ ในจักรวาลของเราเอกพจน์ไม่ได้เป็นไปไม่ได้ พวกเขาหลีกเลี่ยงไม่ได้

กลับมาอีกด้านหนึ่งของถนนเขาหยิบบทสนทนากับโรบินสันและลืมไปทันทีว่าเขาคิดอะไรอยู่ พวกเขาอำลาและเพนโรสกลับไปที่เมฆชอล์กและกองกระดาษในห้องทำงานของเขา

ช่วงบ่ายที่เหลือดำเนินไปตามปกติยกเว้นเพนโรสพบว่าตัวเองอารมณ์ดีอย่างไม่น่าเชื่อ เขาคิดไม่ออกว่าทำไม เขาเริ่มทบทวนวันของเขาและตรวจสอบสิ่งที่อาจทำให้เขารู้สึกสบายใจ

จิตใจของเขากลับไปสู่ช่วงเวลาแห่งความเงียบงันขณะข้ามถนน และทุกอย่างกลับมาท่วมท้น เขาได้แก้ปัญหาภาวะเอกฐาน

เขาเริ่มเขียนสมการทดสอบแก้ไขจัดเรียงใหม่ การโต้เถียงยังคงหยาบ แต่ทั้งหมดได้ผล การยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงจำเป็นต้องมีเงื่อนไขพลังงานทั่วไปที่ง่ายต่อการตอบสนองเท่านั้นจึงจะยุบเป็นความหนาแน่นไม่สิ้นสุด เพนโรสรู้ในขณะนั้นว่าจะต้องมีสิ่งแปลกปลอมหลายพันล้านตัวที่เกลื่อนจักรวาล

เขาทำมากกว่าอธิบายว่าควาซาร์คืออะไร – เขาได้เปิดเผยความจริงที่สำคัญเกี่ยวกับความเป็นจริงพื้นฐานของจักรวาลของเรา

มันเป็นความคิดที่จะเพิ่มพูนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลและกำหนดสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับมันในวันนี้

ภายในสองเดือน Penrose ได้เริ่มพูดคุยเกี่ยวกับทฤษฎีบท ในช่วงกลางเดือนธันวาคมเขาส่งบทความไปยังวารสารวิชาการ Physical Review Letters ซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 18 มกราคม พ.ศ. 2508 เพียงสี่เดือนหลังจากที่เขาข้ามถนนกับไอวอร์โรบินสัน

ผลตอบรับไม่ค่อยเป็นไปตามที่หวัง The Penrose Singularity Theorem เป็นที่ถกเถียงกันอยู่ อ้างแล้ว. ขัดแย้ง

การอภิปรายเกิดขึ้นที่รัฐสภาระหว่างประเทศว่าด้วยสัมพัทธภาพทั่วไปและแรงโน้มถ่วงในลอนดอนในปลายปีนั้น

“ มันไม่ค่อยเป็นมิตร ชาวรัสเซียค่อนข้างรำคาญและผู้คนไม่เต็มใจที่จะยอมรับว่าพวกเขาเข้าใจผิด” เพนโรสกล่าว การประชุมจบลงด้วยการอภิปรายไม่ได้รับการแก้ไข

แต่หลังจากนั้นไม่นานรายงานของรัสเซียมีข้อผิดพลาดในการคำนวณ – คณิตศาสตร์มีข้อบกพร่องร้ายแรงวิทยานิพนธ์ของพวกเขาไม่สามารถควบคุมได้อีกต่อไป

“ มีข้อผิดพลาดในวิธีที่พวกเขาทำ” เพนโรสกล่าว

ปลายปีพ. ศ. 2508 ทฤษฎีบทเพนโรสซิงกูลาริตี้กำลังได้รับความสนใจไปทั่วโลก ความเข้าใจที่เป็นเอกพจน์ของเขากลายเป็นแรงผลักดันในจักรวาลวิทยา เขาทำมากกว่าอธิบายว่าควาซาร์คืออะไร – เขาได้เปิดเผยความจริงที่สำคัญเกี่ยวกับความเป็นจริงพื้นฐานของจักรวาลของเรา ไม่ว่ามนุษย์จักรวาลจะสร้างแบบจำลองใดขึ้นมาจากนั้นก็ต้องรวมเอกพจน์ซึ่งหมายความรวมถึงวิทยาศาสตร์ที่นอกเหนือไปจากทฤษฎีสัมพัทธภาพ

เอกก็เริ่มที่จะซึมเข้ามาในจิตสำนึกของประชาชนส่วนหนึ่งที่จะขอบคุณพวกเขากลายเป็นที่รู้จัก evocatively เป็น“หลุมดำ” เป็นคำที่ใช้ครั้งแรกโดยสาธารณชนอเมริกันวิทยาศาสตร์นักข่าวแอนวิง

สตีเฟ่นฮอว์คิงสร้างชื่อเสียงในทฤษฎีบทเพนโรสของทฤษฎีคว่ำเกี่ยวกับการกำเนิดของจักรวาลหลังจากที่ทั้งคู่ทำงานร่วมกันในเอก เอกพจน์กลายเป็นศูนย์กลางของทุกทฤษฎีเกี่ยวกับธรรมชาติประวัติศาสตร์และอนาคตของจักรวาล นักทดลองระบุความผิดปกติอื่น ๆ รวมถึงหลุมดำที่มีมวลมากเกินไปที่ใจกลางกาแลคซีของเราซึ่งค้นพบโดย Reinhard Genzel และ Andrea Ghez ซึ่งเป็นผู้แบ่งปันรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์กับ Penrose ในปีนี้

เพนโรสเองได้พัฒนาทางเลือกให้กับทฤษฎีบิ๊กแบงที่เรียกว่าConformal Cyclic Cosmologyซึ่งหลักฐานที่อาจมาจากสัญญาณที่เหลืออยู่จากหลุมดำโบราณ ( อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับว่าจักรวาลมีจุดจบหรือไม่)

รู้สึกแปลก ๆ ฉันแค่พยายามปรับตัว – Roger Penrose

ในปี 2013 วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์Katie Bouman ได้นำทีมนักวิจัยซึ่งพัฒนาอัลกอริทึมที่พวกเขาหวังว่าจะสามารถถ่ายภาพหลุมดำได้ ในเดือนเมษายน 2019 กล้องโทรทรรศน์ Event Horizons ใช้อัลกอริทึมดังกล่าวเพื่อจับภาพแรกของหลุมดำซึ่งเป็นการยืนยันภาพที่น่าทึ่งของทฤษฎีที่เคยเป็นที่ถกเถียงกันของทั้ง Einstein และ Penrose

ในขณะที่เพนโรสตอนนี้อายุ 89 ปีรู้สึกยินดีที่ได้รับรางวัลเกียรติยศสูงสุดในสาขาฟิสิกส์รางวัลโนเบล แต่ยังมีสิ่งอื่นที่กดดันเขา

“ มันรู้สึกแปลก ๆ ฉันแค่พยายามปรับตัวเอง มันเป็นการประจบสอพลอและเป็นเกียรติอย่างมากและชื่นชมมาก” เขาบอกฉันไม่กี่ชั่วโมงหลังจากได้รับข่าว “ แต่ในทางกลับกันฉันพยายามเขียนบทความทางวิทยาศาสตร์ที่แตกต่างกันสามบทความในเวลาเดียวกันและทำให้ยากกว่าที่เคยเป็นมา” เขาอธิบายว่าโทรศัพท์ยังไม่หยุดส่งเสียงเมื่อมีคนแสดงความยินดีกับเขาและนักข่าวขอสัมภาษณ์ และเสียงโห่ร้องทั้งหมดนั้นทำให้เขาหันเหความสนใจไปที่ทฤษฎีล่าสุดของเขา

เพนโรสรู้ดีกว่าใคร ๆ ถึงพลังแห่งความเงียบและความเข้าใจที่ลึกซึ้งที่มันสามารถส่งมอบได้

* Patchen Barss เป็นนักข่าวและนักเขียนด้านวิทยาศาสตร์จากโตรอนโตที่เขียนชีวประวัติของ Roger Penrose

Related Post

นวัตกรรมบ้าน ที่ประหยัดพลังงานเป็นมิตรต่อคุณนวัตกรรมบ้าน ที่ประหยัดพลังงานเป็นมิตรต่อคุณ

นวัตกรรมบ้าน ปัจจุบันนี้นั้นมีการพัฒนา และมีการออกแบบมาอย่างสร้างสรรค์ ในเชิงของการทำทางด้านธุรกิจการออกแบบบ้านอสังหาริมทรัพย์ หรือ ในเชิงของการพัฒนาสิ่งต่างๆเหล่านี้ได้ อย่างน่าสนใจที่สุด เท่าที่จะเป็นไปได้เลยก็ว่าได้ จึงเป็นอีกหนึ่งตัวเลือกหรือช่องทางเลือก ที่มีความชัดเจนนี่จึงเป็นอีกหนึ่งตัวเลือก หรือช่องทางเลือกที่ค่อนข้างน่าสนใจ และสร้างสรรค์สิ่งใหม่บรรยากาศใหม่ได้อย่างเต็มที่ ซึ่งวันนี้เราจะมาพูดถึงนวัตกรรมที่ช่วยประหยัดพลังงาน และเป็นมิตรต่อคุณกันดีกว่าที่ถือได้ว่าสิ่งต่างๆเหล่านี้ ค่อนข้างคุ้มและชัดเจนอย่างเต็มที่อีกด้วย

รถบินได้มาถึงแล้ว และมันสามารถเปลี่ยนโลกได้รถบินได้มาถึงแล้ว และมันสามารถเปลี่ยนโลกได้

รถยนต์ที่บินได้อาจดูล้ำยุค – แต่จากเครื่องบินเจ็ทแพ็คเพื่อการพาณิชย์ไปจนถึงรถแท็กซี่ส่วนบุคคลพวกเขามาถึงแล้ว นี่คือวิธีที่พวกเขาสามารถเปลี่ยนวิธีเดินทางทำงานและใช้ชีวิตได้

ดาวเทียมซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นในสหราชอาณาจักรสองดวงจะเปิดตัวสู่อวกาศในวันนี้นี่คือเหตุผลดาวเทียมซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นในสหราชอาณาจักรสองดวงจะเปิดตัวสู่อวกาศในวันนี้นี่คือเหตุผล

nanosatellites ซึ่งได้รับเงินทุนมากกว่า 6 ล้านปอนด์จากองค์การอวกาศแห่งสหราชอาณาจักรจะเข้าร่วมวัตถุอวกาศอื่น ๆ อีกกว่า 100 ชิ้นที่ให้การสนับสนุนการค้าทางทะเล