วิทยาศาสตร์ของรูหนอนอวกาศ: Wormhole


Wormhole เป็นสิ่งที่กล่าวถึงมากมายในหนังไซไฟ ตั้งแต่ยุคเก่าอย่าง Dr Who Star Trek Stargate มาจนถึงล่าสุดอย่าง Interstellar ที่เป็นหนังที่แสดงภาพของ Wormhole ได้อย่างสมจริง คำว่าWormhole แม้เราจะมองว่ามันต้องเป็นรู แต่เพราะกาลอวกาศที่เราเห็นเป็นโลก 4 มิติ ความกว้าง ความยาว ความลึก และ เวลา รู ในกาลอวกาศอย่างน้อย 4 มิติต้องมีสภาพเป็นหลุมอย่างน้อย 3 มิติจากทุกทิศทาง ดังนั้น ในหนังเรื่อง Interstellar จึงแสดงภาพออกมาในลักษณะของเลนส์ทรงกลมที่สามารถมองผ่านไปอีกฝั่งได้จากทุกด้าน




Wormhole ตามแบบในหนัง Interstellar


รูหนอนอวกาศ กับสมการสนามของไอน์สไตน์
ในการเข้าใจคอนเซปท์ของ Wormhole เราต้องเข้าใจถึงสมการสนามของไอน์สไตน์ ที่อาจอธิบายโดยคร่าวๆว่า เมตริกซ์ความโค้งของกาลอวกาศจะเท่ากับเมตริกซ์ของมวลและพลังงาน ในสภาพหลุมดำ มวลที่มีความหนาแน่นเกินขอบเขต รัศมีของซวาสไชลด์ทำให้ความโค้งของกาลอวกาศมีความชันจนหักลงสู่หลุมดำทั้งหมด แสงที่เดินทางตามระนาบอวกาศก็ย่อมจะตกลงตามความโค้งของกาลอวกาศนั้นไปด้วย ส่วน Wormhole ความโค้งของกาลอวกาศจะต้องอยู่ได้ด้วยตัวเองโดยไม่มีมวลและพลังงานมาเกี่ยวข้อง และเป็นการเขียนสมการข้างเดียวให้เมตริกซ์ของความโค้งสมมุลในตัวมันเองโดยไม่มีมวลและพลังงานมาทำให้ความโค้งของกาลอวกาศนั้นเสถียร สมการหลุมหนอน จึงมักถูกเรียกว่า Vacuum solution of Einstein equation คำตอบแบบสุญญากาศในสมการของไอน์สไตน์


ในสมการสนามของไอน์สไตน์ พจน์ด้านซ้ายสองตัวแรก เป็น Tensor ฝั่งความโค้งของกาลอวกาศ บางทีก็ยุบรวมเรียก Einstein's tensor Gμν พจน์แลมบ์ด้า Λ คือค่า Cosmological Constant ส่วนด้านขวา ที่เห็นมีค่า Gravitational Constant ของนิวตั้นอยู่ ทั้งพจน์คือพจน์ของฝั่งมวล โมเมนตัม หรือ พลังงาน


ถ้าพูดในทางวิทยาศาสตร์แบบเข้มๆ เราจะไม่พูดว่า สมการของไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของรูหนอน แต่เราจะพูดว่า สมการของไอน์สไตน์ไม่ได้ห้ามการมีอยู่ของหลุมหนอน แม้ว่า มันจะไม่เสถียร หรือจะเสถียรได้เมื่อรูเปิดมีขนาดเป็นจุด และอย่างใหญ่สุดไม่กี่ Planck length (1.616 x 10-35 m)


ในวัฒนธรรมไซไฟ เรื่อง Steins;gates อาจนับว่าเป็นนิยายที่ใช้คอนเซปท์รูหนอนได้ใกล้เคียงกับคำตอบของวิทยาศาสตร์แบบปัจจุบันมากที่สุด โดยมันเป็นรูเปิดที่สามารถส่งเฉพาะข้อมูลผ่านทางโทรศัพท์ไมโครเวฟ (ชื่อชั่วคราว) หรือ D-mail ด้วยข้อจำกัดขนาดมิติของรูหนอนที่จุดเปลี่ยนผ่านอาจมีเพียงแค่ 1 – 2 มิติ และไม่มีทางที่ข้อมูล 4 มิติจะสามารถส่งผ่านไปได้อย่างปลอดภัยโดยไม่บีบอัด สูญหาย หรือ เสียหายไปเสียก่อน


รูหนอนอวกาศกับสมบัติการข้ามเวลา

สมมุติให้ Wormhole (หลุม หรือ รูหนอน) เชื่อมต่อ 2 สถานที่ในกาลอวกาศ ถ้าเราสมมุติให้เวลาเริ่มต้นที่ T = 0 และให้หลุมหนอนอีกด้าน เคลื่อนตัวออกจากโลกด้วยความเร็ว 0.1 เท่าของความเร็วแสง ในขณะที่หลุมหนอนหลุมแรกอยู่คงที่ สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ ในขณะที่เวลาที่หลุมหนอนหลุมแรก เดินไป 1 ปี แต่ เวลาของหลุมหนอนหลุมที่ 2 ผ่านไปเพียง 363 วัน ยิ่งความเร็วเข้าใกล้แสง มันจะเกิดสิ่งที่เรียกว่าTime Dilation (การยืดหดของเวลา) ถ้าหากมีการส่งยานอวกาศเข้าไปในรูหนอนฝั่งแรก ในเวลา t = 1,000,000 ปี มันจะไปโผล่อีกด้านที่เวลา t = 995,000 ปี โดยประมาณในกรอบอ้างอิงเวลาเดียวกัน ซึ่งเท่ากับว่า เราได้เดินทางย้อนเวลาไปในอดีตเมื่อ 5000 ปีที่แล้ว แน่นอนว่าเราไม่ได้เดินทางกลับไปยังโลกเมื่อ 5,000 ปีที่แล้ว แต่เราได้เดินทางมายังสถานที่ๆอารยธรรมมีเวลาน้อยกว่าโลกไป 5,000 ปี ตรงนี้เป็นคอนเซปท์หนึ่งของการเดินทางข้ามเวลาของรูหนอน โดยเฉพาะที่ การขยายตัวของจักรวาลในแต่ละพื้นที่ ไม่เท่ากัน โดยทั่วไป อัตราขยายตัวของจักรวาลนี้เพิ่มขึ้น 68 กิโลเมตรต่อวินาทีทุก 1 ล้าน Parsec (3 x 10^19 km) รูหนอนที่เชื่อมระหว่างสถานที่ๆห่างกันในระดับ Parsec ย่อมมีสมบัติการเคลื่อนย้ายเวลารวมไปกับการเคลื่อนย้ายสถานที่ด้วย


เพราะอวกาศมีการขยายตัว Wormhole ที่เชื่อมอยู่ระหว่าง 2 สถานที่ก็มีการเคลื่อนไปตามการขยายตัวของจักรวาลด้วยความเร่ง และนั่นจะทำให้ เวลาที่ปลายสองข้างของ Wormhole นั้นไม่เท่ากัน


แต่การเดินทางข้ามเวลาในลักษณะนี้มันจะไม่หวือหวา เหมือนการสมมุติให้รูหนอนนี้เชื่อมกับอีกเวลาหนึ่งตรงๆแล้วเราสามารถไปพบตัวเราเองในอดีตได้ ซึ่งกรณีนั้นมันก็จะพบกับกรณีสมมุติอย่าง ปฏิทรรศน์คุณปู่ที่เราข้ามเวลาไปฆ่าคุณปู่แล้วเราจะเกิดมาได้อย่างไร ตรงนี้มันจะขยายความไปถึงทฤษฎีของเวลาที่มันมีเส้นทางโลกขนานที่หลากหลายและการฆ่าคุณปู่จะทำให้เรา ณ ตอนนั้นเดินทางมาจากอีกแกนเวลาหนึ่งจากแกนเวลาหลัก ซึ่งก็คือ การเชื่อมต่อระหว่างกาลเวลาของรูหนอน จะไม่เชื่อมแค่กาลอวกาศทางเดียวแล้ว แต่จะต้องเชื่อมไปถึงจักรวาลคู่ขนานได้ด้วย และสมองคนเขียนก็เริ่มจะไหม้เพราะหาสมการอะไรมาผูกไม่ไหวไปไม่เป็นแล้ว


ปฏิทรรศน์คุณปู่อาจไม่ค่อยคุ้น งั้นเราเรียกว่า Back to The Future Paradox แทนก็ได้นะ


ทั้งนี้ ข้อจำกัดที่ใหญ่ที่สุดของการเดินทางผ่านหลุมหนอน ก็คือการบีบอัดของกาลอวกาศ

Traversable Wormhole รูหนอนอวกาศที่เดินทางผ่านได้??

ความโค้งของกาลอวกาศหมายถึงแรงโน้มถ่วง และเมทริกซ์ความโค้งของกาลอวกาศในรูหนอนตามสมการสนามของไอน์สไตน์ มันจะนำไปสู่ Event horizon ไม่แตกต่างไปจากกรณีของหลุมดำ จุดที่รูของหลุมหนอน 2 จุดเชื่อมต่อเข้าหากันจะเป็นสภาพ Singularity และอะไรที่จะพยายามผ่านหลุมหนอนเข้าไป ก็จะถูกดูดและบีบอัดเป็นเส้นสปาเก๊ตตี้ในลักษณะเดียวกับการตกเข้าสู่หลุมดำ


รูหนอนที่เป็นตามแบบของไอน์สไตน์แท้ๆ ถ้ามีอยู่จริง มันจะไม่เสถียร มันจะมีการเชื่อมต่อ และ ฉีกขาดจากกันอย่างรวดเร็วและสิ่งที่พยายามจะเดินทางผ่านก็คงถูกฉีกทึ้งจนกลายเป็นเศษอนุภาคหยินและหยางในกาลอวกาศ


ในการที่จะมีรูหนอน Wormhole ที่เราสามารถเดินทางผ่านได้ (Traversable) มันจำเป็นจะต้องมีพลังอะไรบางอย่างที่มีแต่ริว จิตสัมผัส จะสัมผัสได้เข้ามาทำให้รูหนอนเสถียร นักฟิสิกส์ที่ตั้งคอนเซปท์รูหนอนอวกาศที่เดินทางผ่านได้ไม่ได้ใช้การแก้สมการสนามของไอน์สไตน์เพื่อจะบอกว่า เฮ้ รูหนอนอวกาศนี่เราเดินทางผ่านได้นะ แต่เขาใช้การสร้างสมการความโค้งของกาลอวกาศที่มีช่องผ่านเป็นรูหนอนที่สิ่งต่างๆจะผ่านได้แล้วค่อยเอามาผูกเข้ากับสมการสนามของไอน์สไตน์ ผลของการผูกสมการ มันจะมีพจน์แปลกๆโผล่ขึ้นมาเพื่อจะเติมเต็มสมการสนามให้เป็นจริง และเราเรียกพจน์เหล่านี้ว่า Negative Energy พลังงานลบ หรือ Negative Mass มวลลบ ซึ่งมันจะต้องมีผลตรงข้ามกับมวลและพลังงานปรกติของเรา มวลสารนั้นจะมีสมบัติผลักออกในทิศทางตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วง หรือมวลที่เวลาเราผลักไปข้างหน้าแล้วมันจะถอยหลัง ซึ่งพลังและสสารลบเหล่านี้ จะเป็นตัวผลัก รักษารูหนอนอวกาศของเราให้คงเปิดอยู่ไม่บีบ ฉีก กระชากเราเป็นเส้นสปาเก๊ตตี้ตอนเราพยายามผ่านรูหนอนอวกาศไปอีกด้าน

มาถึงตรงนี้ เราได้เรียนรู้อะไรบ้างจากซีรี่ส์รูหนอนอวกาศนี่
1. รูหนอนอวกาศจะมีลักษณะเป็นรูปทรง 3 มิติ ในกาลอวกาศ 4 มิติของเรา
2. รูหนอนอวกาศเป็นการสมมุติให้อวกาศโค้งจนเชื่อมต่อเข้ากับอีกฝั่งโดยไม่ต้องมีมวลและพลังงานมาทำให้อวกาศโค้ง
3. ถ้ารูหนอนอวกาศมีจริง มันจะมีสมบัติการเดินทางข้ามเวลา และอาจถึงขนาดเชื่อมต่อข้ามแกนเวลาได้
4. รูหนอนที่ไม่มีมวลและพลังงานมาทำให้มันเสถียรก็เหมือนๆกับหลุมดำดีๆนี่เอง และแบบดีที่สุดที่มันเสถียรและเดินทางผ่านได้มันก็เป็นแค่รูเล็กๆแถมอาจไร้มิติอีกต่างหาก (เป็นจุด)
5. นักฟิสิกส์ยัดตัวแปร มวลและพลังงานด้านลบ ที่ไม่มีร่องรอยจะหาเจออยู่เลยในสากลโลกเพื่อให้รูหนอนอวกาศสามารถเดินทางผ่านได้โดยปลอดภัย

ส่งท้าย
จริงๆผมไม่น่าจะค้นข้อมูลเรื่อง Wormhole นี้เลยให้ตายสิ การไม่รู้เนี่ย มันทำให้ดูหนังดูการ์ตูนสนุกกว่าตั้งเยอะ นี่ผมจะต้องกังวลแล้วว่าโดราเอมอนที่เดินทางมาจากอนาคตเพื่อเปลี่ยนแปลงโนบีตะอาจไม่ได้ทำให้อนาคตของเซวาชิที่ซื้อโดราเอมอนเป็นไปในทางที่ดีขึ้น แต่เป็นอนาคตอีกแกนเวลานึงที่เซวาชิอีกคนมีอนาคตที่ดีขึ้น และ ถ้าหากมีแผ่นดินไหว ดาวเรียงตัว จุดดำดวงอาทิตย์ประทุ มันจะทำให้รูหนอนในลิ้นชักโต๊ะของโนบีตะระเบิดบรู้มมมมกลายเป็นโกโก้ครั้นช์ไหม เพราะรูหนอนผ่านห้วงเวลามันไม่เสถียรสักเท่าไรนี่หว่า ...


สำหรับผู้อ่านถ้าอยากดูหน้าตาของสมการรูหนอน ผมแนะนำบทความนี้
http://chalkdustmagazine.com/features/interstellar-travel-the-mathematics-of-wormholes/

สำหรับการเรียนรู้พื้นฐานสมการสนามของไอน์สไตน์ ผมแนะนำคลิปนี้ มันจะอธิบายตั้งแต่การหาค่า gradient s (หรือ sigma) ของความโค้งในรูป Matrix Tensor และปูพื้นความเข้าใจเพื่อที่จะอ่านสมการออก
https://www.youtube.com/watch?v=foRPKAKZWx8&t=1617s

สำหรับคนที่ฮาร์ดคอร์ อยากอ่านไปถึงความพยายามที่จะเข้าใจไปถึง traversable wormhole มันก็ต้องงานวิจัยนี้เลย
https://arxiv.org/abs/1409.3758
แก้ไขข้อความเมื่อ
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่