Фотоны звезд — как они заполняют такие большие угловые расстояния?

Казалось бы, далекие звезды находятся на таком расстоянии, что я должен быть в состоянии сделать шаг в сторону и не попасть в глаза фотонам звезды. Как звезды испускают так много фотонов, чтобы заполнить такие большие угловые расстояния?

Я думаю, что здесь есть два вопроса: 1) Почему видны звезды, хотя они так далеко? и 2) Почему кажется, что звезды образуют такой большой телесный угол, даже если они находятся так далеко?
По этой логике вам не нужно будет отступать в сторону. Вы могли бы просто стоять там, и они бы моргали, потому что так мало фотонов достигало бы вашего глаза.
По этой логике вам не нужно будет отступать в сторону. Земля уже движется относительно звезды намного быстрее, чем вы движетесь относительно Земли.
Я хочу расширить NowIGetToLearnWhatAHeadIs. У вас не только два вопроса, но они основаны на противоположных утверждениях: почему мы видим так мало фотонов, что можем фильтровать их по отдельности (мы должны видеть гораздо больше фотонов) и, во-вторых, почему мы видим так много фотонов - мы не должны увидеть их вообще! Этот вопрос основан на противоречиях и вовсе не является вопросом, поскольку отвечает сам на себя: это факт, что звезды генерируют столько фотонов, сколько вы видите. В чем вопрос?
В связи с этим возникает вопрос: фотоны, которые мы получаем от звезд, локализованы на классических траекториях или они рассредоточены? Если да, то сколько? Волновая функция фотона больше похожа на кончик луча или на расширяющуюся полусферу?
@jdm Это интересно. Я ожидаю, что ожидаемые значения будут такими же, но есть ли какой-либо измеримый эффект?
@CaptainGiraffe Да, вы можете измерять отдельные фотоны.

Ответы (7)

Ответ прост: да, звезды действительно производят такое количество фотонов. Этот расчет является твердым (хотя и очень грубым) приближением того, что звезда размером с Солнце может излучать около 10 45 видимых фотонов в секунду (1 с 45 нулями, миллиард миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов фотонов).

Вы можете сделать расчет: если вы находитесь в 10 световых годах от этой звезды, вас, тем не менее, бомбардирует 1 миллион фотонов на квадратный сантиметр каждую секунду.

10 45   фотоны / с 4 π ( 10   световых лет ) 2 ≈ 10 6   фотоны / ( с м 2   с )

Незначительно связано: physics.stackexchange.com/q/83866
Хороший ответ. Я думаю, что вы могли бы сделать это лучше, показав, как вы пришли к этой цифре в 1 миллион фотонов на квадратный сантиметр.
@ArmanSchwarz - Хорошо, я поставил уравнение
Этот и многие другие ответы очень помогли. Спасибо всем за ответ!
@Shookster, если этот или другой ответ ответил на ваш вопрос, рассмотрите возможность пометить их как ответ.
Я не уверен, как пометить это как ответ.
Пожалуйста, используйте галочку рядом с кнопками голосования вверх-вниз в левом верхнем углу ответа.
Вопрос в том, на каком расстоянии фотоны, испускаемые за одну секунду (и испускаемые равномерно во всех направлениях), образуют угол более (скажем) 5 градусов к центру звезды. Это расстояние больше, чем радиус нашей наблюдаемой Вселенной. будет означать, что человек действительно будет продолжать видеть звезду, даже если отойдет в сторону... конечно, предполагается, что фотоны, испускаемые за одну секунду звездой определенного типа, скажем, нашим Солнцем...
Во-вторых, почему бы нам не столкнуться с этой проблемой, если принять во внимание волновую природу света.
Этот ответ не кажется очень удовлетворительным ... что, если звезда находится в другой галактике на расстоянии 10 мегапарсеков? Количество фотонов резко уменьшится, значит ли это, что теперь мы видим его мерцание?
@ Allure, если звезда находится на расстоянии 10 мегапарсеков, она слишком тусклая, чтобы ее вообще можно было увидеть (невооруженным глазом).
@SteveByrnes прав, но он все еще виден в телескоп - видим ли мы тогда его мерцание?
@Allure Если вы визуализируете звезду, которая производит N фотонов в среднем за кадр, то в некоторых кадрах это будет больше, чем N фотонов, в некоторых кадрах меньше, чем N, согласно распределению Пуассона. И да, некоторые кадры могут иметь нулевые фотоны, если N не слишком велико. Я не уверен, что «мерцание» является правильным техническим термином для этого (обычно его называют «дробовым шумом»), но я думаю, что это то же самое, о чем вы говорите.
Я думаю, что они мерцают, когда достаточное количество молекул воды (или их частей) проходит между путем, по которому идут фотоны, и земным наблюдателем: в космосе, как я понимаю, они не мерцают.

Хотя я согласен со всеми тремя приведенными выше ответами, позвольте мне представить несколько иной взгляд на проблему.

Заманчиво думать о свете звезды как о потоке фотонов, которые ведут себя как маленькие пули. Однако это упрощение, потому что фотон является локализованным объектом, т.е. мы наблюдаем фотон, когда что-то взаимодействует со светом и локализует его.

Свет от звезды — это не град фотонов, а вместо этого звезда передает энергию фотонному квантовому полю, и эта энергия распространяется радиально и равномерно. Если бы вы описали свет как фотоны, вы должны были бы сказать, что фотоны полностью делокализованы, т. е. они распределены по всему сферическому волновому фронту, и вы не можете сказать, в каком направлении движется фотон.

Когда энергия достигает вас, она может взаимодействовать с молекулами родопсина в вашем глазу и передавать энергию, равную одному фотону. Именно в этот момент и только в этот момент энергия локализуется в фотоне. Даже если бы звезда была настолько тусклой, что испускала бы всего несколько фотонов энергии в секунду, все равно существовала бы конечная вероятность того, что ваш глаз сможет взаимодействовать с ней и обнаружить фотон, хотя эта вероятность, очевидно, была бы смехотворно малой.

Таким образом, отступление в сторону не имело бы большого значения, потому что, пока ваш глаз где-то пересекал сферический волновой фронт, все равно существовала бы конечная вероятность обнаружить фотон и, следовательно, увидеть звезду.

Взгляните на мой ответ на некоторые сомнения относительно фотонов для некоторых связанных аргументов.

Привет, Джон, это по сути интегральный взгляд на вещи? Что фотон рассредоточен и движется всеми возможными путями? Если это так, то разве радиальное распространение энергии, равной одному фотону, не является неравномерным, а вместо этого с большой вероятностью может быть обнаружено на небольшой площади?
@BrandonEnright: распространение любого одиночного фотона сферически симметрично, но если он испускается на поверхности звезды, 2 π стерадиан, занятый звездой, вероятно, немного испортит исходную симметрию :-)
@BrandonEnright: вам не нужно использовать формулировку интеграла по путям QFT, чтобы прийти к такому выводу. Это просто корпускулярно-волновой дуализм. ОЧЕНЬ грубо (я стесняюсь это говорить, потому что в нем есть неправильные и правильные биты), вещи распространяются как волны и взаимодействуют как частицы.
@JohnRennie, возможно, тогда это нужно задать как вопрос, но если «одиночный фотон» излучается со сферической симметрией, как сохраняется импульс? Я думал, что каждый квант энергии, излучаемый как «фотон», должен сохранять импульс, поэтому вероятность его обнаружения в определенном месте основывалась на неопределенности исходного импульса. По сути, это означает, что вы, скорее всего, обнаружите кванты энергии этого фотона почти по прямой линии, откуда указывал вектор импульса, когда он был создан?
@BrandonEnright: если вы настаиваете на том, чтобы думать о фотонах, вам придется сказать, что фотон и система, которая его излучала, находятся в суперпозиции состояний с разными импульсами. Вы заметите, что импульс движется в определенном направлении только тогда, когда взаимодействуете с суперпозицией и схлопываете ее. Если вы хотите продолжить это, вероятно, это должен быть новый вопрос, а не захват этого.
Этот ответ как бы упускает суть. Правильно рассчитать поток фотонов звездного света, умножив его на сечение поглощения фотонов родопсином, и тем самым рассчитать скорость поглощения фотонов родопсином (как если бы фотоны были пулями, беспорядочно распределенными во всех направлениях). Вы намекаете , что с этой процедурой что-то не так, но это не так. Он дает правильный ответ! (Я имею в виду правильный ответ для расчета коэффициента поглощения света.)
@SteveB: да, оба расчета дадут одинаковый результат для вероятности попадания фотона в глаз в заданное время.
@SteveB (и Джон) Я согласен с тем, что оба ответа «правильные», но ответ Джона для меня является лучшей интуицией, поскольку он уходит от идеи частиц «бильярдного шара»: а именно, думать об одном уникальном электромагнитном поле, а затем взаимодействия частиц с другими квантовыми полями. См. физику.stackexchange.com/a/78949/26076 .
@SteveB нет абсолютно ничего плохого в других ответах, просто изображение, которое они имеют тенденцию нести, сбивает с толку, когда вы задумываетесь, например, о том, как фотон узнает, например, об углах Брюстера, когда он пересекает интерфейс: Если рассматривать его как бильярдный шар, то обычно думают, что он взаимодействует «дискретно» максимум с несколькими молекулами, но на самом деле он становится квантовой суперпозицией свободного фотона и возбужденных состояний всех молекул в его ME-предвиденном поле . влияния, таким образом, действительно видит континуум, подобный классическому полю.
Хотя оба ответа «правильные» (поскольку они оба являются моделями), этот кажется «более правильным» :-)
Теперь о том, что, вероятно, не является самым ярким «просьбой о разъяснении», когда-либо представленным: является ли волновой фронт «сферическим» в контексте этого ответа, потому что звезда сферическая, потому что глаз более или менее сферический, или из-за того и другого? из этих фактов? (Поскольку я провел большую часть своей жизни в нескольких милях от пляжа, трудно понять, что передняя часть волны имеет сферическую форму, но я обращаюсь с этой просьбой из-за чьего-то вопроса, представленного в статье, а не в PSE. , о том, как мы все еще можем видеть реликтовое излучение.)

Единственные звезды, которые вы можете надежно увидеть, это те, которые испускают достаточное количество фотонов для ваших глазных яблок, чтобы казаться стабильными.

Любая звезда, которая настолько тусклая, что фотоны, попадающие в ваш глаз, можно буквально сосчитать один за другим, просто не будет регистрироваться в вашем зрении, потому что сетчатка вашего глаза недостаточно чувствительна.

Итак, ваш вопрос в основном связан с предвзятостью наблюдателя ; он предполагает, что звезды, которые вы видите, — это все звезды, которые существуют, и предполагает, что вы могли бы увидеть один фотон, если бы он попал вам в глаз.

Позвольте мне направить здесь что-то вроде антропного принципа. Вы можете видеть только те звезды, которые имеют много фотонов, достигающих вашего глаза. Если бы звезда была так далеко, что фотоны лишь изредка достигали бы ваших глаз, то звезда была бы слишком тусклой, чтобы вы могли ее увидеть. Даже если бы вы могли видеть фотоны, казалось бы, что звезда мигает.

Так как вы можете видеть звезду, и она относительно яркая, это означает, что существует достаточно непрерывного потока фотонов, достигающих Земли, так что шаги из стороны в сторону ничего не меняют. Кроме того, угловое разрешение не квантуется, поэтому никогда не бывает ситуации, когда шаг из стороны в сторону (при сохранении того же радиуса от звезды) когда-либо изменяет вероятность получения фотона.

Звезда светит во все стороны. Вы по-прежнему будете видеть звезду независимо от того, сколько шагов вы сделаете в любую сторону, просто фотоны будут другими.

Лазер излучает только в одном направлении (или в очень маленьком конусе). Если бы вы сделали достаточно большой шаг в сторону (больше углового размера испускаемого луча), чтобы выйти из этого конуса, то вы бы больше не видели источник.

Я думаю, что ОП представляет собой некий разрыв между «фотонными потоками», который увеличивается по мере увеличения пройденного расстояния точно так же, как небольшая разница между углами слева и справа во время запуска при стрельбе двумя стрелами приводит к постоянно расширяющийся разрыв между ними при измерении на цели. Я чувствую, что это недостаток его/ее концепции, но этот ответ может не касаться этого (?)
Кажется, это ответ на вопрос о возможности отойти в сторону и больше не видеть звезду.
Небольшое замечание по технике безопасности: пожалуйста, не смотрите на лазерные лучи.
"Лазер излучает только в одном направлении..." это правда? Я так понимаю, что лазерный свет необычен только тем, что он когерентный — с одной длиной волны. Качество коллимации в луч (очень маленький конус) обеспечивается фокусирующими линзами, которые можно использовать с любым источником света.
@JonofAllTrades Я не думаю, что Грегсан говорил об этом свойстве лазера, а просто имел в виду любой обычный объект, который излучает свет в виде конуса, а не излучает наружу во всех направлениях (на ум приходит лазерная указка ..), но объяснение будет действителен даже для фонарика (конечно, за исключением эффектов атмосферного рассеяния)

Очень нетехнический ответ, но, пытаясь понять это, думали ли вы о скорости света?

Угол растяжения звезды на вашем глазном яблоке (или вашего глазного яблока на звезде) очень мал. Таким образом, кажется, что очень крошечная область пространства должна быть «заполнена фотонами», чтобы звезда была постоянно видна, а поскольку точка, в которой вы находитесь, не является особой, все подобные области должны быть одинаково «заполнены». Но рассматриваемая область на самом деле представляет собой очень узкий луч, длина которого равна скорости света, умноженной на время, в течение которого изображения сохраняются в нашем зрении. Если последний равен 50 мс, длина столба составляет 15 000 км — диаметр Земли. При этом должно быть несколько десятков фотонов, чтобы звезда была едва видна iirc.

Я знаю, что это не строгое объяснение, но оно может помочь примирить вашу интуицию с наукой.

Таким образом, звездный свет распространяется сферически, и каждое человеческое глазное яблоко создает локализованные фотоны как раз на пересечении волнового фронта и сетчатки. Независимо от того, где вы находитесь по отношению к звезде, какая-то часть этого волнового фронта покажет поток фотонов. Какой-то датчик, который мог бы отображать путь всех фотонов/волновых функций по мере их испускания, показал бы твердую полусферу света, расширяющуюся от звезды...

Глаза не могут понять, что такое волновой фронт.
Фотоны звезд — как они заполняют такие большие угловые расстояния?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v