Неужели мы действительно не знаем, почему атомы «решают» произвести фотон?

Да, в том смысле, что вы понимаете "Почему это происходит?" , у нас действительно нет ответа.

То, что электрон испускает фотон, является разрешенным взаимодействием в базовой квантовой (полевой) теории. Этот процесс имеет определенную вероятность. И это все, что мы можем о нем сказать. Насколько нам известно, «спускового крючка» для эмиссии нет, это действительно случайный процесс, происходящий с заданной вероятностью .

Надеяться, что существует теория, избавляющая от такого рода вероятностей, значит надеяться, что существует теория скрытых переменных . В самом деле, по крайней мере одна интерпретация квантовой механики, теория Бома , является такой (нелокальной) теорией скрытых переменных, которая могла бы детерминистически предсказывать, когда и что произойдет, если бы мы точно знали начальное состояние нашей системы. незнание системы, так что ее предсказания не отличаются от «истинно вероятностной» интерпретации.

Кроме того, теорема Белла утверждает, что любая теория, которая согласуется с предсказаниями квантовой механики, либо нелокальна, либо не имеет уникальных заранее определенных результатов измерений (нереалистична ) . Это означает, что вы никогда не сможете получить теорию, отвечающую на наши вопросы «Почему?» как мы того и хотели, потому что каждая теория, предсказывающая уникальные результаты, нарушает идею о том, что вещества могут влиять друг на друга только со скоростью света, и каждая теория, которая хорошо сочетается с нашей релятивистской идеей причинности, не имеет предопределенных результатов измерений, о которых можно было бы говорить.

Следовательно, это действительно так: мы понятия не имеем, «почему» электрон излучает фотон, и маловероятно, что мы когда-либо сможем сказать больше, чем то, что он просто излучает . (Это не должно удивлять: все мы знаем, что «почему?» — раздражающий, бесконечно повторяемый вопрос. Мы также знаем, что человеческое знание неизбежно конечно, поэтому всегда будет какой -то момент, когда мы не сможем ответить на вопрос « почему ». неразличимо, потому ли это, что мы еще не узнали, или потому, что ответа просто нет.)

Затем он говорит, что атом производит фотон, когда эти электроны переходят в более низкое энергетическое состояние, но мы не знаем, почему это происходит. Я понял это как «мы не знаем, что вызывает это».

Как уже говорили другие, для отдельного атома с электроном на возбужденном уровне из теории квантовой механики можно дать только вероятность того, что электрон упадет обратно на более низкий энергетический уровень для этого отдельного наблюдаемого атома. Распределение вероятностей, накопленных для всех фотонов от атомов в одном и том же возбужденном состоянии, предсказывается теорией с большой точностью.

Вопросы «почему» в физике заканчиваются аксиомами и постулатами теории. Физика отвечает на вопросы «как», как из постулатов и аксиом можно описать наблюдения с помощью модели, например, решения Шредингера для атома водорода. Вопросы «почему» заканчиваются ответом «потому что это то, что мы наблюдаем».

В данном конкретном случае на вопрос «почему» отвечает «потому что энергия падает до минимально возможного уровня». То же самое верно и для шаров, падающих под действием силы тяжести, за исключением того, что задействованные энергии не квантуются.

Наши теории математической физики основаны на наблюдаемых законах сохранения, и закон сохранения энергии является одним из основных. Теории, описывающие данные, имеют силы притяжения и отталкивания, а силы притяжения изменяют потенциальную энергию на кинетическую классически, как при падении мяча в гравитационном потенциале. В случае атома сила притяжения между электронами и ядрами изменяет потенциальную энергию квантованными шагами, если доступен более низкий энергетический уровень, и энергия уходит в виде фотона. Это наблюдение очень хорошо согласуется с теоретическими моделями.