Quando viene emesso un fotone, cosa determina la direzione in cui vola?

Questo è fondamentalmente il problema di Mott:

https://en.wikipedia.org/wiki/Mott_problem

È la natura della meccanica quantistica che lo stesso esperimento ripetuto esattamente allo stesso modo produrrà risultati casuali e diversi che sono tratti da una certa distribuzione di probabilità. Il QM ci consente di calcolare quella distribuzione di probabilità e quindi descrivere il comportamento aggregato su molte ripetizioni, ma il risultato di ogni ripetizione specifica non è deterministico. In effetti, si può dimostrare e verificare che quel non determinismo è intrinseco e non può mai essere spiegato da alcune “variabili nascoste” a noi sconosciute nei nostri esperimenti. Il cosiddetto “realismo locale” è incompatibile con QM e QM è sperimentalmente corretto

[removed]

Ad esempio, dai decadimenti di atomi o nuclei eccitati, sono in una sovrapposizione di tutte le direzioni possibili, descritte dai polinomi di Legendre.

Esiste effettivamente una sorgente di emissione di fotoni che non è casuale / omnidirezionale nella sua forma più primitiva?

Suppongo che qualsiasi cosa in grado di emettere un fotone abbia il potenziale per emetterlo in qualsiasi direzione e che è semplicemente l'ambiente in cui esiste quella fonte che determina dove esattamente va.

Dipende da quanto filosofico vuoi farlo. Nel caso di emissione stimolata, emissione di un fotone simulato da un altro fotone o un altro campo, la direzione sarà determinata dalla direzione del fotone che ha stimolato l'emissione. Ecco come funziona un laser, i fotoni stimolano l'emissione di fotoni nella stessa direzione e alcuni vengono lasciati fuori dal sistema da uno specchio imperfetto.

Nel caso di “emissione spontanea”, ovvero emissione dovuta all'accoppiamento con il campo del vuoto, la risposta è molto meno chiara in termini di fisica classica. Per un atomo isolato in uno stato eccitato in un campo di vuoto (senza eccitazioni o “fotoni” come li chiamiamo), si accoppierà in una modalità radialmente simmetrica, quindi l'emissione avviene in tutte le direzioni contemporaneamente. Tuttavia questo è vero solo se l'atomo è l'unica cosa nell'universo, che non lo è, qualunque cosa usiamo per rilevare il fotone (o qualsiasi altra cosa per quella materia) interagirà con esso. Quando si verifica un rilevamento, tendiamo a dire che la misurazione ha “collassato la funzione d'onda” e ha portato il fotone ad avere una posizione e una direzione più definite.

Tuttavia, poiché non abbiamo risolto il nostro sistema considerando tutte le interazioni extra dal nostro rivelatore, si potrebbe dire che l'assunto iniziale dell'onda sferica non era vero, il fotone era certo di recarsi al rilevatore in quel momento, non abbiamo aggiunto l'interazione con il rivelatore, quindi non possiamo provarlo. In realtà non è possibile risolvere un sistema accoppiato all'intero universo, perché è troppo grande e non conosciamo lo stato dell'intero universo, quindi siamo limitati ai calcoli su sistemi isolati in modo da poter ottenere solo previsioni statistiche per il modo in cui interagiscono con tutto il resto piuttosto che con le previsioni deterministiche, cioè c'è una probabilità 10% di rilevare un fotone in questo intervallo, piuttosto che “rileveremo i fotoni in questi momenti”.

Tl;la meccanica quantistica del dottor dice che il fotone può viaggiare in tutte le direzioni se consideriamo solo una fonte, come la interpretate quando interagisce con un ambiente più ampio è una domanda aperta .