Cel mai bun răspuns
Pentru o gaură neagră care nu se rotește (sferic simetrică), sfera fotonică este o regiune sferică a spațiului unde gravitația este puternică suficient încât fotonii (particule de lumină) să fie forțați să călătorească pe orbite. Aceasta înseamnă că fotonii se deplasează în jurul găurii negre, până când în cele din urmă cad sau intră în spirală. Ei trebuie să facă una sau alta, deoarece aceasta este o orbită instabilă; există întotdeauna mici perturbații de la alte mase și unde gravitaționale etc., iar fotonii difracționează în loc să urmeze o traiectorie exactă a particulelor clasice.
Sferele fotonice există în jurul găurilor negre, unde „parametrul de impact” (distanța de offset) din gaura neagră) este chiar la limita suficientă pentru ca fotonii să fie capturați.
Sursa imaginii: RealClearScience (editat)
Pe măsură ce fotonii se apropie de orizontul de evenimente al unei găuri negre (regiunea dincolo de care lumina nu poate scăpa), particulele de lumină cu un moment unghiular suficient evită fiind tras în gaura neagră călătorind într-o direcție aproape tangențială cunoscută sub numele de con de ieșire (cale portocalie).
Un foton pe granița acestui con nu are suficient impuls unghiular pentru a scăpa de gravitația puțului b nu are gaură și, în schimb, orbitează temporar gaura neagră (cale albastră). Aceste orbite sunt instabile, ceea ce înseamnă că, după ce s-a îndoit printr-un unghi finit în jurul găurii negre, fotonul va fie cădea, fie se va îndoi. Ca analogie, vedeți cum un foton ar spirala într-o gaură neagră din videoclipul de mai jos.
Imagine: drept de autor © 2017 Martin Silvertant. Toate drepturile rezervate.
Sferele fotonice sunt situate la 1,5 ori raza Schwarzschild (raza care definește dimensiunea orizontului evenimentului găurii negre). Cu cât vă aflați mai departe de gaura neagră, cu atât forța gravitațională este mai slabă, iar în sfera fotonică există suficientă forță gravitațională pentru a susține orbite semi-stabile. pot trece în aceeași locație ca pe orbita anterioară, care, dacă te-ai ține cumva deasupra unei găuri negre la 1,5 ori raza Schwarzschild, ar putea duce la unele efecte destul de interesante. (Nu există orbite stabile în interiorul celor 3 raze Schwarzschild.)
De exemplu, fotonii care se reflectă din partea din spate a capului tău vor călători în jurul găurii negre și vor putea apropia locația ta și vor intra în ochii tăi . Ca atare, vă uitați efectiv la partea din spate a propriului dvs. cap!
Imagine: drepturi de autor © 2017 Martin Silvertant. Toate drepturile rezervate.
Bineînțeles, în practică, fotonii individuali vor urma orbite ușor diferite unul de celălalt, și astfel chiar dacă oricare dintre ei trece exact aceeași locație ca dvs., mai degrabă decât o completă imaginea din partea din spate a capului dvs. ați vedea doar o mică parte din ea (din foarte puțini fotoni care vă intră în ochi), care nu este de fapt perceptibilă ca nici o porțiune a capului.
Citiți mai multe despre orbite în jurul unei găuri negre în răspunsul lui Stephen Selipsky la Ar putea lumina să fie pusă pe orbită?
Răspuns
Fotonii „nu” au direcție sau locație până când nu sunt absorbiți de detectoare. Amintiți-vă întotdeauna că electronii care emit fotoni fac același lucru ca și antenele radio, aruncând EM într-un anumit „model de radiație” … dar unde energia câmpului este cuantizată mai degrabă decât continuă (fotonii nu sunt ca niște gloanțe mici. trepte de energie într-un câmp cuantic de umplere a volumului.)
Da, funcția de undă de probabilitate a emisiei electronului este o sferă. Se extinde la viteza c, dar probabilitatea de a găsi fotonul pe această sferă va fi aceeași cu densitatea de putere a antenei dipol: o bandă circulară puternică în jurul „ecuatorului” sferei, cu polarizare electrică perpendiculară pe acest cerc. Deci, vom avea ceva asemănător cu o undă de sferă EM cu probabilitate maximă de fotoni la „ecuatorul” sferei și probabilitate zero la poli. (Modelul de pe sferă va semăna cu umbra unui tor.)
Dar electronul unic? Ori de câte ori direcția accelerației electronului este aleatorie (este incertă, ca și în cazul tranzițiilor atomice), atunci distribuția probabilității în formă de sferă a fotonului rămâne în continuare, totuși orientarea modelului probabilității fotonului pe suprafața sa este incertă. „Polii” și „ecuatorul” ar putea fi apoi localizați oriunde, iar polarizarea fotonului s-a extins la toate valorile posibile.
PS
De asemenea, rețineți că, pentru energia fotonică bine definită, „grosimea” sferei în expansiune devine mai mare. Un foton cu o singură frecvență trebuie să aibă un număr infinit de cicluri de undă EM, cu emisie care durează timp infinit! Mai realistă este o emisie atomică cu lățime de linie îngustă și cu o emisie EM persistentă pentru un timp semnificativ, dar non-infinit. Emisiile de lumină în bandă îngustă seamănă cu „sferele groase goale” cu umflare continuă, fiecare foton găsindu-se în cele din urmă undeva în stratul sferic în expansiune (maxim la ecuator, cu găuri la poli, desigur.) o colecție foarte interesantă de eseuri de fizică din OSA: Natura luminii: ce este un foton, https://www.sheffield.ac.uk/polopoly\_fs/1.14183!/file/photon.pdf
A se vedea, de asemenea, reclamația lui Art Hobson în jurnalul AJP; plângându-se că majoritatea manualelor QM de la nivel universitar produc în mod universal un set de concepții greșite cu privire la fotoni / cantități: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf 2012 AJP, „ Nu există particule, există doar câmpuri. ”