Bedste svar
For et ikke-spinding (sfærisk symmetrisk) sort hul er foton sfære et sfærisk område af rummet, hvor tyngdekraften er stærk nok til, at fotoner (lyspartikler) tvinges til at bevæge sig i baner. Dette betyder, at fotonerne bevæger sig rundt om det sorte hul, indtil de i sidste ende falder ind eller spiral ud. De skal gøre det ene eller det andet, fordi dette er en ustabil bane; der er altid små forstyrrelser fra andre masser og tyngdebølger osv., og fotoner diffrakterer i stedet for at følge en nøjagtig klassisk-partikelbane.
Fotonkugler findes omkring sorte huller, hvor “slagparameteren” (forskudt afstand) fra det sorte hul) er lige ved grænsen tilstrækkelig til, at fotoner bliver fanget.
Billedkilde: RealClearScience (redigeret)
Når fotoner nærmer sig begivenhedshorisonten for et sort hul (det område, ud over hvilket lys ikke kan undslippe), undgår lyspartiklerne med tilstrækkelig vinkelmoment trækkes ind i det sorte hul ved at rejse i en næsten tangential retning kendt som en udgangskegle (orange sti).
En foton på grænsen for denne kegle har ikke nok vinkelmoment til at undslippe tyngdekraften i b mangler hul, og i stedet kredser det sorte hul midlertidigt (blå sti). Disse kredsløb er ustabile, hvilket betyder, at foton efter bøjning gennem det sorte hul enten falder ind eller bøjer sig ud igen. Som en analogi kan du se, hvordan en foton ville rulle ind i et sort hul i videoen nedenfor.
Billede: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alle rettigheder forbeholdes.
Fotonkuglen er placeret 1,5 gange Schwarzschild-radiusen (den radius, der definerer størrelsen på sort hul-begivenhedshorisonten). Jo længere du er fra det sorte hul, jo svagere er tyngdekraften, og det er på fotonkuglen, at der lige er tilstrækkelig tyngdekraft til at opretholde halvstabile baner.
Hvad der er interessant ved fotoner i kredsløb er, at de kan passere den samme placering som i den forrige bane, som, hvis du på en eller anden måde holdt dig over et sort hul i 1,5 gange Schwarzschild-radius, kunne føre til nogle ret interessante effekter. (Der er ingen stabile baner inde i 3 Schwarzschild-radier.)
For eksempel vil fotoner, der reflekteres fra bagsiden af dit hoved, bevæge sig rundt om det sorte hul og potentielt nærme dig din placering og komme ind i dine øjne . Som sådan ser du effektivt på bagsiden af dit eget hoved!
Billede: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alle rettigheder forbeholdes.
I praksis følger individuelle fotoner naturligvis lidt forskellige baner fra hinanden, og selvom nogen af dem passerer nøjagtigt den samme placering som dig, snarere end en komplet billede af bagsiden af dit hoved ville du kun se et plet af det (fra de meget få fotoner, der kommer ind i dine øjne), hvilket faktisk ikke kan ses som nogen del af et hoved.
Læs mere om baner omkring et sort hul i Stephen Selipskys svar til Kunne lys sættes i kredsløb?
Svar
Fotoner “har” ingen retning eller placering, før de absorberes af detektorer. Husk altid, at elektroner, der udsender fotoner, gør det samme som radioantenner, der spytter EM ud i et specifikt “strålingsmønster”, men hvor feltenergien kvantificeres snarere end kontinuerlig (Fotoner er ikke som små kugler. I stedet er de energitrin i et volumenfyldende kvantefelt.)
Ja, sandsynlighedsbølgefunktionen for elektronens emission er en sfære. Det ekspanderer med hastighed c, men sandsynligheden for at finde foton på denne kugle vil være som med en dipol-antennes effekttæthed: et stærkt cirkulært bånd omkring “ækvator” i kuglen med elektrisk polarisering vinkelret på denne cirkel. Så vi har noget, der ligner en EM-kuglebølge med maksimal foton-sandsynlighed ved kuglens “ækvator” og nul sandsynlighed ved polerne. (Mønsteret på kuglen vil ligne skyggen af en torus.)
Hvad med den enkelte elektron? Når retningen af elektronens acceleration er tilfældig (er usikker, som med atomovergange), forbliver fotonens kugleformede sandsynlighedsfordeling stadig, men orienteringen af mønsteret for foton sandsynlighed på overfladen er usikker. “Polerne” og “ækvator” kunne derefter placeres hvor som helst, og fotonets polarisering spredte sig til alle mulige værdier.
PS
Bemærk også, at for veldefineret fotonenergi bliver “tykkelsen” af den ekspanderende sfære større. En enkeltfrekvent foton skal have et uendeligt antal EM-bølgecyklusser, hvor emission varer i uendelig tid! Mere realistisk er en atomemission med snæver linjebredde, og med EM-emissionen vedvarende i en betydelig men ikke-uendelig tid. Småbåndsemissioner ligner kontinuerligt oppustede “tykke hule kugler”, hvor hver foton til sidst findes et eller andet sted inden for det ekspanderende sfæriske lag (maksimalt ved ækvator, med huller ved polerne, selvfølgelig.)
BTW, her er en meget cool samling af fysik-essays fra OSA: Lysets art: hvad er en foton, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
Se også Art Hobsons klage i AJP journal; klager over, at de fleste underuddannede QM-lærebøger generelt producerer et sæt misforståelser vedrørende fotoner / kvanta: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, “ Der er ingen partikler, der er kun felter. ”