หลุมดำเป็นวัตถุอวกาศที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาลจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกจากได้ หลุมดำเกิดขึ้นจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก เมื่อดาวฤกษ์สิ้นอายุขัย แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์จะดึงดูดมวลของมันเข้าหากันจนกลายเป็นหลุมดำ
หลุมดำเป็นวัตถุอวกาศที่ลึกลับและท้าทายต่อความเข้าใจของมนุษย์ หลุมดำมีผลกระทบต่อทฤษฎีทางฟิสิกส์หลายด้าน ดังนี้
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่อธิบายแรงโน้มถ่วง หลุมดำเป็นตัวอย่างของวัตถุที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาลจนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถอธิบายได้แม่นยำ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไประบุว่า แรงโน้มถ่วงเกิดจากความโค้งของกาลอวกาศ (spacetime) หลุมดำเป็นวัตถุที่มีความโค้งของกาลอวกาศมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกจากได้
ตัวอย่างเช่น
หากเราพิจารณาหลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์ ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำจะอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของหลุมดำประมาณ 3 กม. วัตถุใดๆ ที่ตกลงไปในหลุมดำที่อยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่สามารถหนีออกมาได้ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำจะดึงวัตถุเข้าหาศูนย์กลางของหลุมดำจนไม่มีทางหลุดพ้น
ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม
ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมเป็นทฤษฎีทางฟิสิกส์ที่อธิบายสสารและพลังงานในระดับอะตอม หลุมดำเป็นวัตถุขนาดเล็กมากจนทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายได้แม่นยำ
ทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมระบุว่า สสารและพลังงานมีพฤติกรรมที่แปลกประหลาดในระดับอะตอม เช่น การซ้อนทับกันของสถานะ (superposition) หลุมดำอาจมีพฤติกรรมที่แปลกประหลาดในระดับควอนตัม เช่น การแผ่รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)
ตัวอย่างเช่น
สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ได้เสนอทฤษฎีการแผ่รังสีฮอว์คิงในปี 1974 ทฤษฎีนี้ระบุว่า หลุมดำจะค่อยๆ ระเหยหายไปเนื่องจากการแผ่รังสีควอนตัมจากขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ
ทฤษฎีการรวมกัน
ทฤษฎีการรวมกันเป็นทฤษฎีที่พยายามรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกัน หลุมดำเป็นวัตถุที่ท้าทายต่อทฤษฎีการรวมกัน เนื่องจากเป็นวัตถุที่แรงโน้มถ่วงมหาศาลและขนาดเล็กมาก
ทฤษฎีการรวมกันที่สมบูรณ์อาจสามารถอธิบายหลุมดำได้อย่างสมบูรณ์ แต่ในปัจจุบัน ทฤษฎีการรวมกันที่สมบูรณ์ยังไม่ได้รับการพัฒนา
ตัวอย่างเช่น
ทฤษฎีการรวมกันอาจสามารถอธิบายได้ว่า หลุมดำมีขอบฟ้าเหตุการณ์ที่แท้จริงอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ที่สังเกตได้ หรือหลุมดำอาจไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์เลยก็ได้
คำถามที่ยังคงเป็นปริศนา
หลุมดำเป็นวัตถุอวกาศที่ลึกลับและยังมีอีกหลายสิ่งที่เรายังไม่เข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำ คำถามที่ยังคงเป็นปริศนาเกี่ยวกับหลุมดำ เช่น
หลุมดำมีขนาดเล็กลงหรือไม่
ตัวอย่างเช่น
การแผ่รังสีฮอว์คิงอาจทำให้หลุมดำมีขนาดเล็กลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่การแผ่รังสีฮอว์คิงมีอัตราที่ช้ามาก หลุมดำขนาดใหญ่อาจต้องใช้เวลาหลายพันล้านปีจึงจะระเหยหายไป
หลุมดำสามารถรวมตัวกันได้อย่างไร
ตัวอย่างเช่น
หลุมดำสามารถรวมตัวกันผ่านการชนกันหรือดึงดูดกัน ปรากฏการณ์การรวมตัวกันของหลุมดำอาจทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงและรังสีแกมมา
หลุมดำมีผลกระทบต่อเอกภพอย่างไร
ตัวอย่างเช่น
หลุมดำอาจเป็นแหล่งกำเนิดของคลื่นแรงโน้มถ่วงและรังสีแกมมา หลุมดำอาจส่งผลต่อวิวัฒนาการของเอกภพ
นักวิทยาศาสตร์ยังคงศึกษาเกี่ยวกับหลุมดำอยู่อย่างต่อเนื่อง หวังว่าในอนาคต เราจะสามารถเข้าใจหลุมดำได้อย่างสมบูรณ์
