Nejlepší odpověď
U neotáčející se (sféricky symetrické) černé díry je fotonová sféra sférická oblast vesmíru, kde je silná gravitace natolik, že fotony (světelné částice) jsou nuceny cestovat na oběžné dráze. To znamená, že fotony cestují kolem černé díry, až nakonec spadnou dovnitř nebo se vyvinou. Musí udělat jedno nebo druhé, protože se jedná o nestabilní oběžnou dráhu; vždy existují malé odchylky od jiných hmot a gravitačních vln atd. a fotony se difraktují místo toho, aby sledovaly přesnou trajektorii klasických částic.
Fotonové koule existují kolem černých děr, kde je „parametr dopadu“ (vzdálenost odsazení) z černé díry) je jen na hranici dostatečné pro zachycení fotonů.
Zdroj obrázku: RealClearScience (upravené)
Když se fotony přibližují k horizontu událostí černé díry (oblasti, za kterou světlo nemůže uniknout), světelné částice s dostatečným momentem hybnosti se vyhýbají tažení do černé díry cestováním téměř tangenciálním směrem známým jako výstupní kužel (oranžová cesta).
Foton na hranice tohoto kužele nemá dostatek momentu hybnosti, aby unikla gravitační studni b chybí díra, a místo toho dočasně obíhá kolem černé díry (modrá cesta). Tyto dráhy jsou nestabilní, což znamená, že po ohnutí konečným úhlem kolem černé díry foton buď spadne dovnitř, nebo se ohne zpět. Analogicky můžete vidět, jak by se foton spirálovitě dostal do černé díry na videu níže.
Obrázek: autorská práva © 2017 Martin Silvertant. Všechna práva vyhrazena.
Fotonová koule se nachází na 1,5násobku poloměru Schwarzschild (poloměr, který definuje velikost horizontu událostí černé díry). Čím dále jste od černé díry, tím slabší je gravitační síla a ve fotonové sféře je jen tolik gravitační síly, aby udržela polostabilní oběžné dráhy.
Co je zajímavého na fotonech na oběžné dráze, je to, že mohou projít stejným místem jako na předchozí oběžné dráze, což, pokud byste se nějak drželi nad černou dírou v 1,5násobku poloměru Schwarzschilda, by mohlo vést k docela zajímavým efektům. (Uvnitř 3 Schwarzschildových poloměrů nejsou žádné stabilní oběžné dráhy.)
Například fotony, které se odrážejí od zadní části vaší hlavy, budou cestovat kolem černé díry a potenciálně se přiblíží k vaší poloze a vstoupí do vašich očí . Jako takový se skutečně díváte do zadní části své vlastní hlavy!
Obrázek: copyright © 2017 Martin Silvertant. Všechna práva vyhrazena.
V praxi budou samozřejmě jednotlivé fotony sledovat navzájem mírně odlišné oběžné dráhy, takže i když některý z nich projde přesně stejným místem jako vy, nikoli úplným obrázek zadní části vaší hlavy byste viděli jen jeho skvrnu (z těch několika fotonů, které se dostanou do vašich očí), která není ve skutečnosti rozpoznatelná jako žádná část hlavy.
Přečtěte si více o drahách kolem černé díry v odpovědi Stephena Selipského na Mohlo by být světlo vyneseno na oběžnou dráhu?
Odpověď
Fotony „nemají“ žádný směr ani umístění, dokud nejsou absorbovány detektory. Vždy si pamatujte, že elektrony emitující fotony dělají to samé jako rádiové antény a chrlí EM ve specifickém „radiačním vzoru“ … ale kde je energie pole kvantována spíše než spojitě (Fotony nejsou jako malé kulky. Místo toho jsou energetické kroky v kvantovém poli vyplňujícím objem.)
Ano, pravděpodobnostní vlnová funkce emise elektronu je koule. Rozšiřuje se rychlostí c, ale pravděpodobnost nalezení fotonu v této sféře bude jako u hustoty výkonu dipólové antény: silné kruhové pásmo kolem „rovníku“ koule s elektrickou polarizací kolmou na tento kruh. Budeme tedy mít něco, co se podobá vlně EM koule s maximální pravděpodobností fotonu na „rovníku“ koule a nulovou pravděpodobností na pólech. (Vzor na kouli bude připomínat stín torusu.)
A co jeden elektron? Kdykoli je směr zrychlení elektronu náhodný (je nejistý, jako u atomových přechodů), pak rozdělení pravděpodobnosti fotonu ve tvaru koule stále zůstává, přesto je nejistá orientace vzorce pravděpodobnosti fotonu na jeho povrchu. „Póly“ a „rovník“ by pak mohly být umístěny kdekoli a polarizace fotonu se rozšířila na všechny možné hodnoty.
PS
Všimněte si také, že u dobře definované energie fotonu se „tloušťka“ expandující koule zvětší. Jednofrekvenční foton musí mít nekonečný počet cyklů vln EM, přičemž emise vydrží nekonečně dlouho! Realističtější je atomová emise s úzkou šířkou čáry a emise EM přetrvávající po významnou, ale neomezenou dobu. Úzkopásmové světelné emise připomínají kontinuálně se nafukující „tlusté duté koule“, přičemž každý foton se nakonec nachází někde v rozšiřující se sférické vrstvě (maximum na rovníku, samozřejmě s otvory u pólů.)
BTW, zde velmi skvělá sbírka esejů z fyziky z OSA: Příroda světla: co je to foton, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
Viz také stížnost Art Hobsona v časopise AJP; stěžujíc si, že většina učebnic QM ve vysokém rozlišení všeobecně produkuje řadu mylných představ o fotonech / kvantách: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, “ Neexistují žádné částice, existují pouze pole. “