ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ปูทางไปสู่การค้นพบหลุมดำ แต่แนวคิดเบื้องหลังการมีอยู่ของพวกมันนั้นแปลกประหลาดมากจนแม้แต่นักจินตนาการทางวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่เชื่อ
มากกว่าหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา Albert Einstein ทำให้โลกตะลึงเมื่อเขาอธิบายจักรวาลผ่านทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา ทฤษฎีนี้ไม่เพียงแต่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอวกาศ เวลา แรงโน้มถ่วง และสสารเท่านั้น แต่ยังเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ทางทฤษฎีของปรากฏการณ์ที่น่าเหลือเชื่อซึ่งในที่สุดจะเรียกว่าหลุมดำ
แนวคิดที่อธิบายหลุมดำนั้นรุนแรงมาก อันที่จริง ไอน์สไตน์เองก็มีความวิตกอย่างมาก เขาสรุปในกระดาษ ปี 1939 ในพงศาวดารของคณิตศาสตร์ว่าแนวคิดนี้ “ไม่น่าเชื่อถือ” และปรากฏการณ์นี้ไม่มีอยู่จริง “ในโลกแห่งความเป็นจริง”
การเปิดเผยภาพหลุมดำครั้งแรกโดยกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ในเดือนเมษายน 2019 ไม่เพียงแต่ยืนยันทฤษฎีดั้งเดิมของไอน์สไตน์เท่านั้น แต่ยังให้การพิสูจน์ที่ไม่อาจโต้แย้งได้ว่าในความเป็นจริงแล้วสัตว์ประหลาดแรงโน้มถ่วงนั้นเป็นของจริง
ทฤษฎีกาลอวกาศ
ตามที่ นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน John A. Wheeler อธิบายไว้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปควบคุมธรรมชาติของกาลอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปฏิกิริยาที่มันตอบสนองเมื่อมีสสาร: “สสารบอกกาลอวกาศถึงการโค้งงอ และกาลอวกาศบอกสสารว่าจะเคลื่อนที่อย่างไร ”
นึกภาพแผ่นยางแบน (กาล-อวกาศ) ห้อยอยู่เหนือพื้นดิน วางลูกโบว์ลิ่งไว้ตรงกลางแผ่น (เรื่อง) แล้วแผ่นจะบิดเบี้ยวไปรอบ ๆ มวลโดยงอไปครึ่งทางกับพื้น– นี่เป็นเรื่องบอกกาลอวกาศ – เวลาว่าจะโค้งอย่างไร ตอนนี้กลิ้งหินอ่อน (สสาร) รอบแผ่นยาง (กาลอวกาศ) และวิถีของหินอ่อนจะเปลี่ยนไปโดยถูกเบี่ยงเบนโดยแผ่นที่บิดเบี้ยว– นี่คือกาลอวกาศที่บอกว่าจะเคลื่อนไหวอย่างไร สสารและกาลอวกาศเชื่อมโยงกันอย่างแยกไม่ออก โดยแรงโน้มถ่วงเป็นตัวกลางในการปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน
ทีนี้ วางภาวะเอกฐาน—จุดทางทฤษฎีที่มีความหนาแน่นอนันต์—ลงบนแผ่นงาน จะเกิดอะไรขึ้นกับกาลอวกาศ? คาร์ล ชวาร์ซไชลด์ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวเยอรมัน ไม่ใช่ไอน์สไตน์ ซึ่งใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายสถานการณ์สมมตินี้ สถานการณ์ที่จะกลายเป็นการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่รุนแรงที่สุด
เมื่อถึงจุดหนึ่ง Schwarzschild พบว่าภาวะเอกฐานเชิงสมมุติฐานจะเจาะผ่านกาลอวกาศอย่างแท้จริง ในวิชาคณิตศาสตร์ ภาวะเอกฐานเป็นคำตอบเชิงตัวเลขที่น่าสนใจ แต่ภาวะภาวะเอกฐานทางฟิสิกส์ในตอนนั้น คิดว่าเป็นสิ่งที่น่ารังเกียจ ไม่มีกลไกใดที่สามารถสร้างพวกมันได้
อย่างไรก็ตาม ชวาร์ซชิลด์ยังคงยืนกรานจนกระทั่งเสียชีวิตในปี 2459 โดยตระหนักว่าภาวะเอกฐานทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์จะบิดเบี้ยวกาลอวกาศอย่างรุนแรงจนแม้แต่แสงก็ไม่เร็วพอที่จะออกจากรูกาลอวกาศซึ่งภาวะเอกฐานจะสร้างขึ้น จุดที่ไม่มีวันหวนกลับ ซึ่งเป็นบริเวณทรงกลมที่ล้อมรอบภาวะเอกฐาน จะกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ “ขอบฟ้าเหตุการณ์”
ฟิสิกส์ที่เป็นที่รู้จักพังทลายเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์และเนื่องจากไม่มีข้อมูลใดที่สามารถหลบหนีได้ เราไม่สามารถมีประสบการณ์เกี่ยวกับสิ่งที่อยู่ภายในได้ แม้ว่านี่เป็นแนวคิดที่น่าสนใจ แต่ก็ไม่มีกลไกใดที่สามารถสร้างความเป็นเอกเทศในธรรมชาติได้ ดังนั้นแนวคิดนี้จึงถูกมองข้ามไปเป็นส่วนใหญ่
แนวคิดเรื่องหลุมดำถือกำเนิดขึ้น
นั่นคือจนถึงปี 1935 เมื่อ Subrahmanyan Chandrasekhar นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอินเดียตระหนักว่า หากดาวมวลมากหมดเชื้อเพลิง ความดันแรงโน้มถ่วงสูงสุดของมวลนั้นจะกระจุกตัวถึงจุดหนึ่ง ทำให้กาลอวกาศยุบตัวลงเอง จันทรเสกขาได้เชื่อมช่องว่างระหว่างความอยากรู้ทางคณิตศาสตร์กับความเป็นไปได้ทางวิทยาศาสตร์ ทำให้เกิดทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังการก่อตัวของภาวะเอกฐานที่แท้จริงโดยมีผลที่ตามมาอย่างสุดโต่งสำหรับโครงสร้างของกาลอวกาศ
แม้ว่าจันทราเสกขาจะมีส่วนช่วยในการทำความเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำในปัจจุบัน มันเป็นอย่างนั้นจนถึงปี 1960 เมื่อนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอังกฤษStephen Hawkingและ Roger Penrose พิสูจน์ว่าภาวะเอกฐานเป็นส่วนหนึ่งของระบบนิเวศของจักรวาลและเป็นส่วนหนึ่งของวิวัฒนาการตามธรรมชาติของดาวมวลมากหลังจากที่พวกมันหมดเชื้อเพลิง และตาย
และจนกระทั่งถึงปี 1967 12 ปีหลังจากไอน์สไตน์เสียชีวิตในปี 1955 ภาวะเอกฐานทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์เหล่านี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ “หลุมดำ” ซึ่งเป็นคำที่ นัก ฟิสิกส์ชาวอเมริกันชื่อ จอห์น เอ. วีลเลอร์ ได้ประกาศใช้ในระหว่างการประชุมในนิวยอร์กเพื่อบรรยายถึงชะตากรรมอันน่าสยดสยองของ ดาวมวลมากหลังจากที่มันหมดเชื้อเพลิงและยุบตัวลงเอง
หลุมดำ “สอนเราว่าพื้นที่สามารถยู่ยี่เหมือนกระดาษเป็นจุดเล็กๆ เวลานั้นสามารถดับได้เหมือนเปลวไฟที่เป่าออก และกฎของฟิสิกส์ที่เราถือว่า ‘ศักดิ์สิทธิ์’ นั้นไม่เปลี่ยนรูป เป็นอะไรก็ได้ยกเว้น” วีลเลอร์เขียนในอัตชีวประวัติปี 1999 ของเขา
ต้องขอบคุณนักดาราศาสตร์และนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่ทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (EHT) ซึ่งเป็นเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์ที่เชื่อมโยงกันถึงแปดตัว ในที่สุดมนุษย์ก็สามารถเห็นภาพ “จุดเล็กๆ น้อยๆ” เหล่านี้ได้ แม้ว่าไอน์สไตน์จะไม่มีชีวิตอยู่เพื่อดูหลักฐานของหลุมดำ—ผลจากภาวะเอกฐานที่แท้จริงซึ่งเขายังคงสงสัย—ทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขาทำให้การค้นพบนี้เป็นไปได้
และไม่ต้องสงสัยเลยว่าเขาจะต้องประหลาดใจกับพระจันทร์เสี้ยวที่น่ากลัวที่ล้อมรอบดิสก์มืดที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ: พิสูจน์ว่าแม้แต่ทฤษฎีที่ชั่วร้ายที่สุดก็สามารถกลายเป็นความจริงได้
