Paras vastaus
Pyörimättömälle (pallosymmetriselle) mustalle aukolle fotonipallo on pallomainen avaruusalue, jossa painovoima on voimakasta tarpeeksi, että fotonit (kevyet hiukkaset) pakotetaan kulkemaan kiertoradoilla. Tämä tarkoittaa, että fotonit kulkevat mustan aukon ympäri, kunnes lopulta ne putoavat sisään tai kiertyvät ulos. Heidän on tehtävä yksi tai toinen, koska tämä kiertorata on epävakaa; aina esiintyy pieniä häiriöitä muista massoista ja gravitaatioaalloista jne., ja fotonit diffraktoituvat sen sijaan, että seuraisivat tarkkaa klassisen hiukkasen liikerataa.
Fotonipalloja esiintyy mustien aukkojen ympärillä, missä ”iskuparametri” (offsetetäisyys) mustasta aukosta) on vain riittävän rajalla, jotta fotonit saadaan talteen.
Kuvalähde: RealClearScience (muokattu)
Kun fotonit lähestyvät mustan aukon tapahtumahorisonttia (aluetta, jonka yli valo ei pääse pakenemaan), riittävän kulmamomentilla olevat valopartikkelit välttävät vedetään mustaan aukkoon kulkemalla melkein tangentiaalisessa suunnassa, joka tunnetaan nimellä poistumiskartio (oranssi polku).
Fotoni tämän kartion rajalla ei ole tarpeeksi kulmamomenttia paeta b: n painovoimakaivosta puuttuu reikä, ja sen sijaan kiertää mustaa aukkoa väliaikaisesti (sininen polku). Nämä kiertoradat ovat epävakaita, mikä tarkoittaa, että kun taivutetaan mustan aukon ympärillä olevan äärellisen kulman läpi, fotoni joko putoaa sisään tai taipuu takaisin ulos. Katso analogisesti, kuinka fotoni pyörii mustaan reikään alla olevassa videossa.
Kuva: tekijänoikeus © 2017 Martin Silvertant. Kaikki oikeudet pidätetään.
Fotonipallo sijaitsee 1,5 kertaa Schwarzschildin säteellä (säde, joka määrittää mustan aukon tapahtumahorisontin koon). Mitä kauempana olet mustasta aukosta, sitä heikompi painovoima on, ja fotonipallon kohdalla on vain tarpeeksi painovoimaa puolistabiilien kiertoratojen ylläpitämiseksi.
Kiertoradalla olevien fotonien mielenkiintoinen asia on ne voivat ohittaa saman sijainnin kuin edellisellä kiertoradalla, mikä, jos pidät jotenkin mustan aukon yläpuolella 1,5 kertaa Schwarzschildin säteellä, voi johtaa melko mielenkiintoisiin vaikutuksiin. (Kolmen Schwarzschild-säteen sisällä ei ole vakaita kiertoratoja.)
Esimerkiksi pään takaosasta heijastuvat fotonit kulkevat mustan aukon ympäri ja mahdollisesti lähestyvät sijaintiasi ja pääsevät silmiin. . Sinänsä katsot käytännössä oman pään takaosaa!
Kuva: tekijänoikeus © 2017 Martin Silvertant. Kaikki oikeudet pidätetään.
Käytännössä tietysti yksittäiset fotonit seuraavat hieman eri kiertoratoja toisistaan, joten vaikka joku heistä läpäisisi täsmälleen saman sijainnin kuin sinä, eikä täydellinen kuvan pään takapuolelta näet vain pienen osan siitä (silmistäsi tulevista harvoista fotoneista), jota ei todellakaan voida havaita minkään pään osana.
Lue lisää kiertoradoista mustan aukon ympärillä Stephen Selipskyn vastauksessa kysymykseen Voisiko valo joutua kiertoradalle?
Vastaus
Fotoneilla ”ei ole” suuntaa tai sijaintia, ennen kuin ilmaisimet imevät niitä. Muista aina, että fotoneja säteilevät elektronit tekevät samaa asiaa kuin radioantennit, sytyttävät EM: n tietyssä ”säteilykuviossa” … mutta missä kenttäenergia kvantisoidaan pikemminkin kuin jatkuva (fotonit eivät ole kuin pieniä luoteja. Sen sijaan ne ovat energia-askelet tilavuutta täyttävässä kvanttikentässä.)
Kyllä, elektronin emission todennäköisyysaaltofunktio on pallo. Se laajenee nopeudella c, mutta todennäköisyys löytää fotoni tältä pallolta on sama kuin dipoli-antennin tehotiheys: vahva pyöreä kaista pallon ”päiväntasaajan” ympärillä, sähköinen polarisaatio kohtisuorassa tähän ympyrään. Joten meillä on jotain, joka muistuttaa EM-palloaaltoa, jolla on suurin fotonin todennäköisyys pallon ”päiväntasaajalla” ja nollan todennäköisyys napoilla. (Pallon kuvio muistuttaa toruksen varjoa.)
Entä yksittäinen elektroni? Aina kun elektronin kiihtyvyyden suunta on satunnainen (on epävarma, kuten atomien siirtymien kohdalla), fotonin pallomaisen todennäköisyyden jakauma säilyy edelleen, mutta fotonin todennäköisyyden kuvion suuntaus sen pinnalla on epävarma. ”Napat” ja ”päiväntasaaja” voivat sitten sijaita missä tahansa, ja fotonin polarisaatio levisi kaikkiin mahdollisiin arvoihin.
PS
Huomaa myös, että hyvin määritellylle fotonienergialle laajenevan pallon ”paksuus” kasvaa. Yksitaajuisella fotonilla on oltava ääretön määrä EM-aaltosyklejä, ja emissio kestää ääretöntä aikaa! Realistisempi on atomipäästö kapealla linjaleveydellä, ja EM-emissio jatkuu merkittävän, mutta loputtoman ajan. Kapeakaistaiset valopäästöt muistuttavat jatkuvasti täyttyviä ”paksuja onttoja palloja”. erittäin siisti kokoelma fysiikan esseitä OSA: lta Valon luonne: mikä on fotoni, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
Katso myös Art Hobsonin valitukset AJP-päiväkirjasta; valittavat, että useimmat undergrad-QM-oppikirjat tuottavat yleisesti joukon väärinkäsityksiä fotoneista / kvanteista: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, ” Hiukkasia ei ole, on vain kenttiä. ”