Beste svaret
For et ikke-spinnende (sfærisk symmetrisk) svart hull er foton sfære et sfærisk område av rommet der tyngdekraften er sterk nok til at fotoner (lette partikler) blir tvunget til å bevege seg i baner. Dette betyr at fotonene beveger seg rundt det svarte hullet, til de til slutt faller inn eller spiral ut. De må gjøre det ene eller det andre, fordi dette er en ustabil bane; det er alltid små forstyrrelser fra andre masser og gravitasjonsbølger osv., og fotoner diffrakterer i stedet for å følge en nøyaktig klassisk partikkelbane.
Fotonkuler eksisterer rundt svarte hull, der «slagparameteren» (forskyvningsavstand) fra det sorte hullet) er like ved grensen til at fotoner blir fanget.
Bildekilde: RealClearScience (redigert)
Når fotoner nærmer seg begivenhetshorisonten til et svart hull (regionen utover som lys ikke kan unnslippe), unngår lyspartiklene med tilstrekkelig vinkelmoment blir trukket inn i det svarte hullet ved å kjøre i en nesten tangensiell retning kjent som en utgangskegle (oransje sti).
Et foton på grensen til denne kjeglen har ikke nok vinkelmoment til å unnslippe tyngdekraften til b mangler hull, og i stedet kretser det svarte hullet midlertidig (blå sti). Disse banene er ustabile, noe som betyr at foton etter å ha bøyd seg gjennom en endelig vinkel rundt det sorte hullet, enten faller inn eller bøyer seg ut igjen. Som en analogi kan du se hvordan et foton vil spire seg inn i et svart hull i videoen nedenfor.
Bilde: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alle rettigheter reservert.
Fotonkulen ligger 1,5 ganger Schwarzschild-radiusen (radiusen som definerer størrelsen på svarthullshendelseshorisonten). Jo lenger du er fra det svarte hullet, jo svakere er gravitasjonskraften, og det er på fotonkulen det er akkurat nok gravitasjonskraft til å opprettholde halvstabile baner.
Det som er interessant med fotoner i bane er at de kan passere samme sted som i forrige bane, som, hvis du på en eller annen måte holdt deg over et svart hull i 1,5 ganger Schwarzschild-radiusen, kan føre til noen ganske interessante effekter. (Det er ingen stabile baner inne i de 3 Schwarzschild-radiene.)
For eksempel vil fotoner som reflekteres fra baksiden av hodet, bevege seg rundt det svarte hullet og potensielt nærme deg posisjonen din og komme inn i øynene dine . Som sådan ser du effektivt på baksiden av ditt eget hode!
Bilde: copyright © 2017 Martin Silvertant. Alle rettigheter forbeholdes.
I praksis vil individuelle fotoner selvfølgelig følge litt forskjellige baner fra hverandre, og så selv om noen av dem passerer nøyaktig samme sted som deg, i stedet for en komplett bilde av baksiden av hodet ditt, vil du bare se en flekk av det (fra de færreste fotonene som kommer inn i øynene dine), som faktisk ikke kan sees som noen del av et hode.
Les mer om baner rundt et svart hull i Stephen Selipskys svar på Kunne lys settes i bane?
Svar
Fotoner “har” ingen retning eller plassering før de absorberes av detektorer. Husk alltid at elektroner som sender ut fotoner gjør det samme som radioantenner, og spytter ut EM i et spesifikt “strålingsmønster”, men hvor feltenergien kvantiseres i stedet for kontinuerlig (Fotoner er ikke som små kuler. I stedet er de energitrinn i et volumfyllende kvantefelt.)
Ja, sannsynlighetsbølgefunksjonen til elektronens utslipp er en sfære. Den utvider seg med hastighet c, men sannsynligheten for å finne fotonet på denne sfæren vil være som med en dipol-antennes effekttetthet: et sterkt sirkulært bånd rundt «ekvator» av sfæren, med elektrisk polarisering vinkelrett på denne sirkelen. Så vi vil ha noe som ligner en EM-kulebølge med maksimal foton-sannsynlighet ved «ekvator» av kule, og null sannsynlighet ved polene. (Mønsteret på sfæren vil ligne skyggen av en torus.)
Hva med enkeltelektronen? Når retningen til elektronens akselerasjon er tilfeldig (er usikker, som med atomoverganger), forblir fotonens kuleformede sannsynlighetsfordeling fortsatt, men orienteringen av mønsteret for foton sannsynlighet på overflaten er usikker. «Polene» og «ekvator» kunne da være plassert hvor som helst, og fotonets polarisering spredte seg til alle mulige verdier.
PS
Legg også merke til at, for veldefinerte fotonenergi, blir «tykkelsen» av den ekspanderende sfære større. En enkeltfrekvent foton må ha uendelig antall EM-bølgesykluser, med utslipp som varer i uendelig tid! Mer realistisk er et atomutslipp med smal linjebredde, og med EM-utslipp vedvarende i en betydelig, men ikke-uendelig tid. Lysutslipp fra smalbånd ligner kontinuerlig oppblåsende «tykke hule sfærer», med hvert foton som til slutt blir funnet et sted innenfor det ekspanderende sfæriske laget (maksimalt ved ekvator, med hull på polene, selvfølgelig.)
BTW, her er en veldig kul samling av fysikk-essays fra OSA: Nature of light: what is a foton, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
Se også Art Hobsons klage i AJP journal; klagende over at de fleste undervisningsbøker i QM universelt produserer et sett med misforståelser angående fotoner / kvanta: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, “ Det er ingen partikler, det er bare felt. ”