รูหนอน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
"แผนภาพฝัง" ของรูหนอนชวอสเชลด์ (Schwarzschild wormhole)

รูหนอน (อังกฤษ: wormhole) เป็นที่รู้จักกันว่า ทางเชื่อมต่อ หรือ สะพานไอน์สไตน์-โรเซน (Einstein-Rosen bridge) เป็นคุณลักษณะที่มีสมมุติฐานของทอพอโลยีของปริภูมิ-เวลาที่จะเป็นพื้นฐานในการเป็น "ทางลัด" ตัดผ่านไปมาระหว่างปริภูมิ-เวลา สำหรับคำอธิบายภาพที่เรียบง่ายของรูหนอนนั้น, พิจารณาปริภูมิ-เวลาที่มองเห็นได้เป็นพื้นผิวสองมิติ (2D) ถ้าพื้นผิวนี้ถูกพับไปตามแนวแบบสามมิติจะช่วยในการวาดภาพ "สะพาน" ของรูหนอนให้เห็นได้แบบหนึ่ง (โปรดทราบในที่นี้ว่า, นี่เป็นเพียงการสร้างภาพที่ปรากฏในการถ่ายทอดโครงสร้างที่ไม่สามารถมองเห็นได้ (Unvisualisable) เป็นหลักที่มีอยู่ใน 4 มิติหรือมากกว่า, ส่วนของรูหนอนอาจจะมีความต่อเนื่องของมิติที่มีค่าสูงกว่า (Higher-dimensional analogues) สำหรับส่วนของพื้นผิวโค้ง 2 มิติ, ตัวอย่างเช่น, ปากของรูหนอนแทนที่จะเป็นปากหลุมซึ่งเป็นหลุมวงกลมในระนาบ 2 มิติ, ปากของรูหนอนจริงอาจจะเป็นทรงกลมในพื้นที่ 3 มิติ) รูหนอนคือ, ในทางทฤษฎีคล้ายกับอุโมงค์ที่มีปลายทั้งสองข้างในแต่ละจุดแยกจากกันในปริภูมิ-เวลา

ไม่มีหลักฐานการสังเกตการณ์สำหรับรูหนอน, แต่ในระดับเชิงทฤษฎีมีวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องในสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งรวมถึงรูหนอนด้วย เพราะความแข็งแรงเชิงทฤษฎีที่แข็งแกร่งของมัน, รูหนอนเป็นที่รู้จักกันว่า เป็นหนึ่งในคำเปรียบเปรยทางฟิสิกส์ที่ดีเยี่ยมสำหรับการเรียนการสอนวิชาสัมพัทธภาพทั่วไป ชนิดแรกของการแก้ปัญหารูหนอนที่ถูกค้นพบคือรูหนอนชวอสเชลด์, ซึ่งจะมีอยู่ในเมตริกชวอสเชลด์ (Schwarzschild metric) ที่อธิบายถึงหลุมดำนิรันดร์ (Eternal black hole) แต่ก็พบว่ารูหนอนประเภทนี้จะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วเกินไป สำหรับสิ่งที่จะข้ามจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกปลายด้านหนึ่ง รูหนอนซึ่งสามารถจะทำให้เป็นจริงที่สามารถเดินทางผ่านข้ามไปได้ในทั้งสองทิศทางได้นั้นเรียกว่า รูหนอนทะลุได้, ซึ่งรูหนอนชนิดนี้เท่านั้นที่จะมีความเป็นไปได้ถ้าใช้สสารประหลาด (Exotic matter) ที่มีความหนาแน่นพลังงาน (Energy density) ที่มีค่าเชิงลบที่อาจนำมาใช้เพื่อรักษาเสถียรภาพของรูหนอนให้คงอยู่ได้

ปรากฏการณ์คาซิเมียร์ (Casimir effect) แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีสนามควอนตัมช่วยให้ความหนาแน่นของพลังงานในบางส่วนของปริภูมินั้น มีความสัมพัทธ์ในทางลบต่อพลังงานสุญญากาศสามัญ (Ordinary vacuum energy) และมันได้รับการแสดงให้เห็นได้ในทางทฤษฎีซึ่งทฤษฎีสนามควอนตัม อนุญาตให้สถานะของพลังงานสามารถมีสถานะเป็นเชิงลบได้ตามใจชอบ ณ จุดที่กำหนดให้ [1] นักฟิสิกส์จำนวนมากเช่น สตีเฟน ฮอว์คิง[2], คิบ โทร์น (Kip Thorne) [3] และคนอื่น ๆ [4][5][6] ได้โต้แย้งว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจจะทำให้มันมีความเป็นไปได้ ที่จะรักษาเสถียรภาพของรูหนอนแบบทะลุได้นี้ นักฟิสิกส์ยังไม่พบกระบวนการทางธรรมชาติใด ๆ ที่จะได้รับการคาดว่าจะก่อให้เกิดรูหนอนตามธรรมชาติในบริบทของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้, แม้ว่าสมมติฐานโฟมควอนตัม (Quantum foam) บางครั้งจะใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่ารูหนอนขนาดเล็ก ๆ อาจจะปรากฏขึ้นและหายไปเองตามธรรมชาติโดยมาตรวัดในหน่วยวัดขนาดมาตราส่วนพลังค์ (Planck scale) [7][8] สำหรับรูหนอนที่มีเสถียรภาพดังกล่าวนั้นได้รับการคาดหมายว่าน่าจะประกอบด้วยสสารมืด[9][10] นอกจากนี้ยังได้รับการเสนอว่าถ้ารูหนอนขนาดจิ๋วนี้ ได้ถูกทำให้เปิดตัวออกโดยใช้เส้นคอสมิค (Cosmic string) ที่มีมวลที่มีค่าเป็นเชิงลบที่เคยปรากฏมีอยู่ในช่วงเวลาประมาณของการเกิดบิกแบง, มันก็จะได้รับการขยายขนาดให้อยู่ในระดับมหภาค (Macroscopic) หรือขนาดที่ใหญ่ได้โดยการพองตัวของจักรวาล [11] อีกด้วย

นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอเมริกันชื่อ จอห์น อาร์ชิบัล วีลเลอร์ (John Archibald Wheeler) ได้บัญญัติศัพท์คำว่า รูหนอน ขึ้นเมื่อปี ค.ศ. 1957; อย่างไรก็ดี, นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน ชื่อ แฮร์มันน์ ไวล์ (Hermann Weyl) ได้เสนอทฤษฎีรูหนอนในปี ค.ศ. 1921 ในการเชื่อมต่อกับการวิเคราะห์มวลของพลังงานสนามแม่เหล็กไฟฟ้า [12]

ภาพรวม[แก้]

นักวิจัยไม่มีพยานหลักฐานการสังเกตการณ์สำหรับรูหนอน แต่สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีการวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องสำหรับการบรรจุรูหนอนเอาไว้ ชนิดแรกของการแก้ปัญหารูหนอนที่ได้ค้นพบคือ รูหนอนแบบชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild wormhole), ซึ่งจะมีอยู่ในเมตริกแบบชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild metric) ที่อธิบายถึงหลุมดำนิรันดร์ (eternal black hole), แต่ก็พบว่ามันจะยุบตัวเร็วเกินไปสำหรับสิ่งที่จะข้ามจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง รูหนอนที่สามารถข้ามไปมาได้ในทั้งสองทิศทางเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นรูหนอนแบบทะลุได้ (traversable wormhole)

ในการวิเคราะห์แรง ๆ หนึ่งนี้จะต้องพิจารณาสถานการณ์ ... เมื่อมีฟลักซ์สุทธิของเส้นแรง, ผ่านอะไรบางอย่างที่นักทอพอโลยี (topologist) เรียกว่า "ด้ามหูจับ" (a handle) ของปริภูมิที่ถูกเชื่อมต่ออยู่แบบพหุคูณ และอาจเป็นสิ่งที่นักฟิสิกส์อาจจะขอใช้คำจำกัดความแทนคำมากกว่าคำว่า "รูหนอน"

— John Wheeler in Annals of Physics

คำนิยาม[แก้]

ความคิดพื้นฐานของรูหนอนภายในเอกภพก็คือว่า มันเป็นพื้นที่ที่มีขนาดกะทัดรัดของกาลอวกาศที่มีขอบเขตกระจิ๊ดริดทางด้านวิชาทอพอโลยี, แต่สิ่งที่มีอยู่ภายในไม่ได้เป็นเพียงแค่การเชื่อมต่ออย่างง่าย แนวความคิดอย่างเป็นทางการนี้จะนำไปสู่คำจำกัดความดังต่อไปนี้, เช่น การนิยามคำเรียกชื่อจากนักคณิตศาสตร์ที่ชื่อ แมตต์ วิสเซอร์ (Matt Visser) ว่าคือ "รูหนอน ลอเรนท์เซียน" (Lorentzian Wormhole)

หากปริภูมิ-เวลาแบบมินคอฟสกีประกอบด้วยขอบเขต Ω ที่มีขนาดกะทัดรัด, และถ้าทอพอโลยีของ Ω คือ รูปแบบ Ω ~ R × Σ, เมื่อ Σ เป็นสามแมนิโฟลด์ของทอพอโลยีที่ไม่เป็นศูนย์ (nontrivial topology) [13], ซึ่งมีขอบเขตที่มีทอพอโลยีในรูปแบบ ∂Σ ~ S 2 , และถ้า, นอกจากนี้, พื้นผิวหลายมิติ (hypersurface) [14] Σ คือ ปริภูมิเสมือน (spacelike) ทั้งหมด, ดังนั้น ขอบเขต Ω จะประกอบไปด้วยรูหนอนแบบกึ่งถาวรที่อยู่ภายในเอกภพของเรา (quasipermanent intrauniverse wormhole)

ดูเพิ่ม[แก้]

อ้างอิง[แก้]

  1. Everett, Allen; Roman, Thomas (2012). Time Travel and Warp Drives. University of Chicago Press. p. 167. ISBN 0-226-22498-8.
  2. "Space and Time Warps". Hawking.org.uk. สืบค้นเมื่อ 2010-11-11.
  3. Morris, Michael; Thorne, Kip; Yurtsever, Ulvi (1988). "Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition" (PDF). [[:en:Physical Review Letters|]]. 61 (13): 1446–1449. Bibcode:1988PhRvL..61.1446M. doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446. PMID 10038800.
  4. Sopova; Ford (2002). "The Energy Density in the Casimir Effect". [[:en:Physical Review D|]]. 66 (4): 045026. arXiv:quant-ph/0204125. Bibcode:2002PhRvD..66d5026S. doi:10.1103/PhysRevD.66.045026.
  5. Ford; Roman (1995). "Averaged Energy Conditions and Quantum Inequalities". [[:en:Physical Review D|]]. 51 (8): 4277–4286. arXiv:gr-qc/9410043. Bibcode:1995PhRvD..51.4277F. doi:10.1103/PhysRevD.51.4277.
  6. Olum (1998). "Superluminal travel requires negative energies". [[:en:Physical Review Letters|]]. 81 (17): 3567–3570. arXiv:gr-qc/9805003. Bibcode:1998PhRvL..81.3567O. doi:10.1103/PhysRevLett.81.3567.
  7. Thorne, Kip S. (1994). [[:en:Black Holes and Time Warps|]]. W. W. Norton. pp. 494–496. ISBN 0-393-31276-3.
  8. Ian H., Redmount; Suen, Wai-Mo (1994). "Quantum Dynamics of Lorentzian Spacetime Foam". [[:en:Physical Review D|]]. 49 (10): 5199. arXiv:gr-qc/9309017. Bibcode:1994PhRvD..49.5199R. doi:10.1103/PhysRevD.49.5199.
  9. Kirillov, A.A.; Savelova, E.P. (21 February 2008). "Dark Matter from a gas of wormholes". [[:en:Physics Letters B|]]. 660 (3): 93. arXiv:0707.1081. Bibcode:2008PhLB..660...93K. doi:10.1016/j.physletb.2007.12.034.
  10. Rodrigo, Enrico (30 November 2009). "Denouement of a Wormhole-Brane Encounter". [[:en:International Journal of Modern Physics D|]]. 18 (12): 1809. arXiv:0908.2651. Bibcode:2009IJMPD..18.1809R. doi:10.1142/S0218271809015333.
  11. John G. Cramer; Robert L. Forward; Michael S. Morris; Matt Visser; Gregory Benford; Geoffrey A. Landis (1995). "Natural Wormholes as Gravitational Lenses". [[:en:Physical Review D|]]. 51 (6): 3117–3120. arXiv:astro-ph/9409051. Bibcode:1995PhRvD..51.3117C. doi:10.1103/PhysRevD.51.3117.
  12. Coleman, Korte, Hermann Weyl's Raum - Zeit - Materie and a General Introduction to His Scientific Work, p. 199
  13. "ไอเกนแวลลิว และ ไอเกนเวกเตอร์ (Eigenvalue and Eigenvector)" (PDF). W.T.Math.KKU.
  14. สิขรินทร์ อยู่คง (Sikarin Yoo-Kong) (2 July 2015). "แมนิโฟลด์ (Manifold)" – โดยทาง Medium.

บรรณานุกรม[แก้]

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]