ภาวะเอกฐานเชิงความโน้มถ่วง

ภาพจำลองแอนิเมชันของเลนส์ความโน้มถ่วงซึ่งเกิดจากหลุมดำชวาทซ์ชิลท์ที่เคลื่อนผ่านในระนาบแนวสายตาไปยังดาราจักรพื้นหลัง ด้วยการวางตัวที่แน่นอนของเวลารอบ ๆ และที่จุดนั้น (ซินิจี) ทำให้สังเกตเห็นได้ถึงการหักเหของแสงอย่างชัดเจน

ภาวะเอกฐานเชิงความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational singularity) ภาวะเอกฐานของปริภูมิ-เวลา (อังกฤษ: spacetime singularity) หรือ ซิงกูลาริตี (อังกฤษ: singularity) เป็นสถานที่ในปริภูมิ-เวลาที่สนามความโน้มถ่วงของเทห์ฟากฟ้าถูกคาดการณ์ไว้ว่ามีค่าเป็นอนันต์โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในลักษณะที่ไม่ขึ้นกับระบบพิกัด กล่าวคือ ปริมาณต่าง ๆ ที่ใช้ในการวัดความเข้มของสนามความโน้มถ่วงเป็นค่าคงที่ความโค้งเชิงสเกลาร์ของปริภูมิ-เวลา ซึ่งประกอบไปด้วยการวัดความหนาแน่นของสสาร แต่เนื่องจากปริมาณที่กล่าวมามีค่าเป็นอนันต์ ณ ที่ภาวะเอกฐานนี้ ฉะนั้นกฎของปริภูมิ-เวลาแบบปกติจึงไม่สามารถใช้ได้[1][2]

ปกติแล้วภาวะเอกฐานเชิงความโน้มถ่วงถือว่าเป็นเนื้อหาของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (ชี้ว่าความหนาแน่น ณ จุดศูนย์กลางของหลุมดำมีค่าเป็นอนันต์อย่างเด่นชัด) และยังเป็นฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาในช่วงสภาพแรกเริ่มของเอกภพขณะเกิดบิกแบง ในตอนนี้ นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถบอกได้ว่าการคาดการณ์ถึงภาวะเอกฐานนี้นั้นจะหมายความว่าภาวะเอกฐานนี้ (หรือภาวะเอกฐานในช่วงบิกแบง) มีอยู่จริง หรืออาจเป็นเพราะความรู้ความเข้าใจในปัจจุบันนั้นยังไม่เพียงพอที่จะสามารถอธิบายได้ว่าเกิดอะไรขึ้นในสภาพความหนาแน่นยิ่งยวดนี้

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคาดไว้ว่า วัตถุใด ๆ ที่มีการยุบตัวอย่างรุนแรงเกินจุด ๆ หนึ่ง (สำหรับดาวฤกษ์จุดนั้นคือ รัศมีชวาทซ์ชิลท์) จะก่อตัวเป็นหลุมดำ โดยที่ภายในจะก่อให้เกิดภาวะเอกฐานขึ้น (ซึ่งมีขอบฟ้าเหตุการณ์ปกคลุมล้อมรอบ)[3] ทฤษฎีบทภาวะเอกฐานเพนโรส-ฮอว์กิง นิยามภาวะเอกฐานว่ามีจีโอเดสิก (geodesic) ที่ไม่สามารถขยายตัวในลักษณะปรับเรียบได้ (smooth manner)[4] ซึ่งการสิ้นสุดของจีโอเดสิกในลักษณะนี้ถือว่าเป็นภาวะเอกฐานดังกล่าว

ในช่วงสภาพแรกเริ่มของเอกภพขณะเกิดบิกแบง ยังมีการคาดการณ์โดยใช้ทฤษฎีสมัยใหม่มากมายว่าในช่วงเวลานั้นเป็นภาวะเอกฐาน[5] ในกรณีนี้ที่เอกภพไม่ได้ยุบตัวลงกลายเป็นหลุมดำ เนื่องมาจากการคำนวณที่ทราบในปัจจุบันและขีดจำกัดของความหนาแน่นสำหรับการยุบตัวเชิงความโน้มถ่วงนั้น (gravitational collapse) ปกติแล้วขึ้นกับวัตถุที่มีขนาดค่อนข้างคงที่ เช่น ดาวฤกษ์ และไม่จำเป็นต้องเป็นวิธีเดียวกันกับการขยายตัวอย่างรวดเร็วของอวกาศ เช่น การระเบิดของบิกแบง ในปัจจุบันนี้ทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมยังไม่สามารถอธิบายถึงการระเบิดของบิกแบงในระยะแรกได้[6] อีกทั้งในทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่า อนุภาคไม่สามารถอาศัยอยู่ในอวกาศที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นได้[7]

ข้อสังเกตของภาวะเอกฐานคือ ณ จุดหนึ่งเมื่อความโค้งของอวกาศ-เวลาเกิดการระเบิดขึ้น ล้วนเป็นช่วงที่การอธิบายเป็นการจินตนาการเสียส่วนมาก อย่างไรก็ตามภาวะเอกฐานนั้นสามารถเกิดขึ้นจริงได้แม้ว่าความโค้งของอวกาศ-เวลายังคงไม่เป็นอนันต์อยู่ก็ตาม

ในทางปฏิบัตินั้น อวกาศ-เวลาจะเป็นเอกฐานได้ก็ต่อเมื่อ:

  • เกิดความไม่สมบูรณ์ในโครงสร้างเชิงปริมาตรธรณี
  • อวกาศ-เวลาไม่สามารถดำเนินต่อไปได้

เมื่ออวกาศ-เวลาอยู่ภายใต้สองเงื่อนไขดังกล่าว ภาวะเอกฐานจะปรากฏขึ้น ณ จุดเกิด/จุดดับที่เกิดความไม่สมบูรณ์

ภาวะเอกฐานที่ศูนย์กลางของหลุมดำ (Black hole) เป็นจุดที่มวลสารอัดแน่นจนมีขนาดเล็กเป็นอนันต์ (infinite) และมีความหนาแน่นสูงมาก จนมีค่าอนันต์เช่นกัน ในทฤษฏีบิ๊กแบง (Big Bang) ก็เช่นกัน เอกภพเกิดจากภาวะเอกภาพของความหนาแน่นและอุณหภูมิที่มีค่าอนันต์

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในบริเวณใจกลางหลุมดำทรงกลมนั้นจะมีเอกภาวะกาลอวกาศอยู่ นั่นหมายถึงสุดโค้งของกาลอวกาศ หมายความว่าจากจุดที่ผู้สังเกตที่กำลังจะเข้าสู่หลุมดำ ที่เวลาหนึ่งที่กำลังจะข้ามผ่านจุดนั้นไป หลุมดำจะกลายมาถูกกดอัดเข้าสู่บริเวณที่ปริมาตรเป็นศูนย์ ดังนั้นความหนาแน่นอนันต์ ที่ปริมาตรศูนย์นี้ บริเวณที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดจะอยู่บริเวณใจกลางหลุมดำพอดีเรียก เอกภาวะ หรืภาวะเอกฐานเชิงความโน้มถ่วง

ภาวะเอกฐานในหลุมดำที่ไม่มีการหมุนนั้นเป็นจุดจุดหนึ่ง หรืออาจกล่าวได้ว่ามันมีความยาว กว้างและลึกเป็นศูนย์ ภาวะเอกฐานของหลุมดำที่หมุนได้ จะไม่นับเป็นการก่อสร้างของวงแหวนพิศวง ที่อยู่นอกระนาบการหมุน ในวงแหวนนั้นจะไม่มีความหนาและไม่มีปริมาตร

การปรากฏของภาวะเอกฐานเป็นที่เข้าใจว่าเป็นสัญญาณของจุดสิ้นสุดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยไม่คาดคิด เหมือนกับที่เกิดเมื่อกลศาสตร์ควอนตัมมีผลกระทบและกลายมาเป็นความสำคัญ เนื่องจากความกดดันมีมากและอนุภาคก็มีผลกระทบซึ่งกันและกัน โชคไม่ดีที่ไม่สามารถที่จะรวมทฤษฎีควอนตัมและความโน้มถ่วงเข้าด้วยกันได้ แต่อย่างไรก็ตามก็คาดว่าทฤษฎีโน้มถ่วงควอนตัมจะแสดงลักษณะเด่นของหลุมดำโดยไม่มีเอกภาวะ

อย่างไรก็ตาม การก่อตัวของภาวะเอกฐานอาจใช้เวลาจำกัดมากจากจุดที่ผู้สังเกตการยุบตัวของวัตถุ แต่จากจุดที่ไกลจากผู้สังเกตอาจจะใช้เวลาไม่สิ้นสุดเนื่องจากการยืดเวลาเนื่องจากความโน้มถ่วง

อ้างอิง

  1. "Blackholes and Wormholes".
  2. Claes Uggla (2006). "Spacetime Singularities". Einstein Online. 2 (1002).
  3. Curiel, Erik & Peter Bokulich. "Singularities and Black Holes". Stanford Encyclopedia of Philosophy. Center for the Study of Language and Information, Stanford University. สืบค้นเมื่อ 26 December 2012.
  4. Moulay, Emmanuel. "The universe and photons" (PDF). FQXi Foundational Questions Institute. สืบค้นเมื่อ 26 December 2012.
  5. Wald, p. 99
  6. Hawking, Stephen. "The Beginning of Time". Stephen Hawking: The Official Website. Cambridge University. สืบค้นเมื่อ 26 December 2012.
  7. Zebrowski, Ernest (2000). A History of the Circle: Mathematical Reasoning and the Physical Universe. Piscataway NJ: Rutgers University Press. p. 180. ISBN 978-0813528984.
ภาษาอื่น ๆ
العربية: تفرد جذبوي
Gaeilge: Singilteacht
Bahasa Indonesia: Singularitas gravitasi
한국어: 중력 특이점
latviešu: Singularitāte
srpskohrvatski / српскохрватски: Singularnost
српски / srpski: Singularnost
中文: 引力奇点