Black holes are among the most destructive objects in the universe. Anything that gets too close to the central singularity of a black hole, be it an asteroid, planet, or star, risks being torn apart by its extreme gravitational field. And if the approaching object happens to cross the black hole’s event horizon, it’ll disappear and never re-emerge, adding to the black hole’s mass and expanding its radius in the process. There is nothing we could throw at a black hole that would do the least bit of damage to it. Even another black hole won’t destroy it– the two will simply merge into a larger black hole, releasing a bit of energy as gravitational waves in the process. By some accounts, it’s possible that the universe may eventually consist entirely of black holes in a very distant future. And yet, there may be a way to destroy, or “evaporate,” these objects after all. If the theory is true, all we need to do is to wait.
หลุมดำเป็นหนึ่งในกลุ่มวัตถุ ที่อันตรายมากที่สุดในเอกภพ สิ่งใดก็ตามที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ จุดศูนย์กลางของหลุมดำมากเกินไป ไม่ว่าจะดาวเคราะห์น้อย ดาวเคราะห์ หรือดาวฤกษ์ ก็เสี่ยงที่จะถูกฉีกแบ่งโดยสนามโน้มถ่วง ที่มีอนุภาพรุนแรงของหลุมดำ และหากวัตถุที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ บังเอิญโคจรพาดผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุนั้นจะหายไปและไม่ปรากฏอีกเลย เป็นการเพิ่มมวลและแผ่รัศมีให้แก่หลุมดำ ในระหว่างที่ถูกกลืนหายไป ไม่มีสิ่งใดที่เราสามารถโยนเข้าไปที่หลุมดำ แล้วจะสร้างความเสียหายเพียงเล็กน้อยแก่มันได้ แม้แต่หลุมดำอีกหลุมก็ไม่สามารถทำลายได้ หลุมดำทั้งสองจะผนวกกัน เป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ปลดปล่อยพลังงานในรูปรังสีโน้มถ่วง ระหว่างกระบวนการ บางกลุ่มกล่าวว่า เป็นไปได้ว่าในที่สุด ทั้งเอกภพจะประกอบไปด้วยหลุมดำ ในอนาคตอันยาวนาน อย่างไรก็ตาม อาจมีหนทางทำลาย หรือ "ระเหย" วัตุเหล่านี้ในที่สุด ถ้าทฤษฏีนี้เป็นจริง สิ่งที่เราต้องทำคือรอคอย
In 1974, Stephen Hawking theorized a process that could lead a black hole to gradually lose mass. Hawking radiation, as it came to be known, is based on a well-established phenomenon called quantum fluctuations of the vacuum. According to quantum mechanics, a given point in spacetime fluctuates between multiple possible energy states. These fluctuations are driven by the continuous creation and destruction of virtual particle pairs, which consist of a particle and its oppositely charged antiparticle.
ในปี ค.ศ. 1974 สตีเฟน ฮอว์กิง ได้สร้างทฤษฎีเกี่ยวกับกระบวนการ ที่จะทำให้หลุมดำสูญเสียมวลในที่สุด รู้จักกันในชื่อ การแผ่รังสีฮอว์กิง สร้างจากปรากฎการณ์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว เรียกว่า ความผันผวนของควอนตัมในสุญญากาศ ตามหลักกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว ณ เวลาหนึ่งในอวกาศเวลา ผันแปรสภาพพลังงานได้หลายรูปแบบ การผันแปรนี้ควบคุมโดยการการเกิด และทำลายอย่างต่อเนื่อง ของคู่สสารเสมือน ซึ่งประกอบไปด้วยอนุภาคและปฏิยานุภาค
Normally, the two collide and annihilate each other shortly after appearing, preserving the total energy. But what happens when they appear just at the edge of a black hole’s event horizon? If they’re positioned just right, one of the particles could escape the black hole’s pull while its counterpart falls in. It would then annihilate another oppositely charged particle within the event horizon of the black hole, reducing the black hole’s mass. Meanwhile, to an outside observer, it would look like the black hole had emitted the escaped particle.
โดยปกติสองอนุภาคจะปะทะ และทำลายกันทันทีหลังจากก่อตัว คงพลังงานทั้งหมดไว้ แต่เกิดอะไรขึ้นเมื่อสองอนุภาคก่อตัว ณ ขอบฟ้าเหตุการณ์ ถ้าคู่สสารอยู่ในจุดที่เหมาะสม หนึ่งในอนุภาคจะหลุดหนีจากแรงดึงดูดของหลุมดำ ขณะที่อีกอนุภาคถูกดูดกลืนไป จากนั้นจะทำลายอนุภาคตรงข้าม ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ ซึ่งจะลดมวลของหลุมดำลง ขณะเดียวกัน ในมุมของผู้สังเกตการณ์ จะดูเหมือนว่าหลุมดำได้ปล่อยอนุภาคออกมา
Thus, unless a black hole continues to absorb additional matter and energy, it’ll evaporate particle by particle, at an excruciatingly slow rate. How slow? A branch of physics, called black hole thermodynamics, gives us an answer.
ดังนั้น หากหลุมดำ ยังคงดูดกลืนสสารและพลังงานเพิ่ม มันจะยังคงแผ่อนุภาคออกมา ทีละน้อยอย่างช้า ๆ ช้าแค่ไหนหรือ ฟิสิกส์แขนงหนึ่งที่เรียกว่า อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ ได้ให้คำตอบเราไว้
When everyday objects or celestial bodies release energy to their environment, we perceive that as heat, and can use their energy emission to measure their temperature. Black hole thermodynamics suggests that we can similarly define the “temperature” of a black hole. It theorizes that the more massive the black hole, the lower its temperature. The universe’s largest black holes would give off temperatures of the order of 10 to the -17th power Kelvin, very close to absolute zero. Meanwhile, one with the mass of the asteroid Vesta would have a temperature close to 200 degrees Celsius, thus releasing a lot of energy in the form of Hawking Radiation to the cold outside environment. The smaller the black hole, the hotter it seems to be burning– and the sooner it’ll burn out completely.
เมื่อวัตถุทั่วไปหรือวัตถุท้องฟ้า ปล่อยพลังงานสู่สภาพแวดล้อมของพวกมัน เรารับรู้ได้เป็นความร้อน และเราสามารถใช้พลังงานที่ปล่อยออกมานั้น เพื่อวัดอุณหภูมิของมัน อุณหพลศาสตร์ของหลุมดำ เสนอว่าเราสามารถหาค่า "อุณหภูมิ" ของหลุมดำได้เช่นกัน ทฤษฎีคือยิ่งหลุมดำใหญ่แค่ไหน อุณหภูมิของมันยิ่งน้อยลงเท่านั้น หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในเอกภพ จะมีอุณภูมิ 10 ยกกำลัง -17 เคลวิน ใกล้เคียงกับอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ในขณะเดียวกันหลุมดำที่มีมวล ขนาดเท่าดาวเคราะห์น้อยเวสตา จะมีอุณหภูมิเกือบ 200 องศาเซลเซียส ตามการปล่อยพลังงานจำนวนมากแบบรังสีฮอว์กิง สู่สภาพแวดล้อมที่หนาวเย็น ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กเท่าไหร่ ความร้อนที่เผาผลาญยิ่งมากขึ้น และจะเผาผลาญพลังงานจนหมดเร็วขึ้นเท่านั้น
Just how soon? Well, don’t hold your breath. First of all, most black holes accrete, or absorb matter and energy, more quickly than they emit Hawking radiation. But even if a black hole with the mass of our Sun stopped accreting, it would take 10 to the 67th power years– many many magnitudes longer than the current age of the Universe— to fully evaporate. When a black hole reaches about 230 metric tons, it’ll have only one more second to live. In that final second, its event horizon becomes increasingly tiny, until finally releasing all of its energy back into the universe. And while Hawking radiation has never been directly observed, some scientists believe that certain gamma ray flashes detected in the sky are actually traces of the last moments of small, primordial black holes formed at the dawn of time.
เร็วแค่ไหนหรือ อย่ารอเลย อย่างแรก หลุมดำส่วนใหญ่เพิ่มมวล หรือดูดกลืนสสารพลังงาน เร็วกว่าเวลาที่พวกมันปล่อยรังสีฮอว์กิง แต่ถึงแม้หลุมดำที่มีมวลขนาดเท่าดวงอาทิตย์ จะหยุดเพิ่มมวล มันจะใช้เวลาถึง 10 ยกกำลัง 67 ปี ยาวนานกว่าอายุของเอกภพในปัจจุบัน ในการปล่อยพลังงานจนหมด เมื่อหลุมดำมีมวลถึง 230 เมตริกตัน มันจะมีอายุอยู่แค่อีกหนึ่งวินาที ในวินาทีสุดท้ายนั้น ขอบฟ้าเหตุการณ์ของมันจะมีขนาดเล็กมาก จนกระทั่งมันปล่อยพลังงานทั้งหมด กลับสู่อวกาศ และถึงแม้จะไม่เคยมีการสำรวจ การปล่อยรังสีฮอว์กิงโดยตรง นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่า แสงวาบของรังสีแกมมาจำนวนหนึ่งที่ตวรจพบบนท้องฟ้า จริง ๆ แล้วคือร่องรอยของช่วงเวลาสุดท้าย ของหลุมดำขนาดเล็กที่เพิ่งก่อตัวในช่วงแรก ๆ
Eventually, in an almost inconceivably distant future, the universe may be left as a cold and dark place. But if Stephen Hawking was right, before that happens, the normally terrifying and otherwise impervious black holes will end their existence in a final blaze of glory.
ในที่สุดแล้ว ในอนาคตอันยาวไกลเกินกว่าจะนึกถึง เอกภพอาจกลายเป็นแค่ที่มืดอันหนาวเหน็บ แต่หากสตีเฟน ฮอว์กิงพูดถูก ก่อนจะเป็นเช่นนั้น หลุมดำทึบน่ากลัวทั้งหลายนี้ จะจบชีวิตของมันในความสว่างโชติช่วง